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投入式液位變送器在坪塹電站水位信號采集系統中的應用
 1.引言
       當前,我國的水利行業正在大力進行信息化建設,并以共享和開發信息資源為重點。水電調度管理是水利樞紐的重要業務,水電調度管理系統的信息集成問題是在水利信息化建設的背景下提出的,具有很強的行業特征,以解決領域內的信息集成需求為目標。水位信號作為數據倉庫概念中的重要的參數,在流域發點調度中心處于主要地位,對水位信號系統應用的研究是整個流域電網配置的重要課題。近年來, 信息技術已成為當今世界先進的生產力,信息化水平成為衡量一個國家、地區或行業現代化程度的重要標志,各種無線通信技術得到了迅猛發展,使人們能從各種電纜束縛中解放出來,從而極大地提高了人們的工作效率和生活質量。數據倉庫技術是近年來在信息領域中迅速發展并已相對成熟的一種計算機技術,從本質上講它是一種信息集成技術,它的目標是達到快速有效的決策支持,在眾多領域已得到應用。本文通過坪塹水電站的水電調度管理中的水位自動采集系統的案例分析,讓讀者對于水位采集系統中的水位測量單元:投入式液位變送器和PLC控制單元,以及報警裝置等系統控制單元有初步的了解。
  2.對系統的研究
  2.1實施背景
  沿渡河流域位于湖北省西部,流經神農架林區及恩施自治州巴東縣,系長江北岸的一條一級小支流,位于長江干流巫峽與西陵峽之間,發源于神農架林區小界嶺,經麻線坪、石柱河、四方寨、沿渡河鎮至巴東縣城西襄口匯入長江,全長60km,流域面積1031.5km2,其中巴東縣境內長約45km,流域面積909km2。流域內地形北高南低,干流河谷狹窄,縱坡陡,為典型的山溪性河流。主要支流有馬家溝、石柱河、三道河等,流域內植被覆蓋較好。
  沿渡河流域內擬建坪塹調水水庫和麻線坪水庫二座,電站按“五級”開發,即:坪塹水電站、麻線坪水電站、石柱河水電站、四方寨水電站,石板坪水電站。現已投產電站為坪塹水電站、石柱河水電站、四方寨水電站。分別裝機容量為30MW,45MW,45MW,25MW,25MW。在以往的流域電站梯度的研究中,以流域總的多發電量為基礎,確定梯級各電站對系統的補償權重,根據補償權重來對多發電量和多發效益進行重新分配,使得流域不同發電主體的電站將發電目標從價格競爭集中到提高流域總體效益上來,梯級發電效益接近大化。同時還探討了對補償后電站的時數補償問題,從而使補償功能更趨合理。[3]
  2.2實施必要性
  坪塹水電站是沿渡河流域梯級水電站的首先級水電站,位于神農架林區下谷坪板橋村。梯級水電站之間有密切的水流聯系,一級水電站水庫的調節作用,可使其下游的所有梯級水電站受益;上下游水庫聯合調度,可協調解決發電和其他用水要求的矛盾等。一級水電站水庫在汛期蓄水,所蓄水量轉移到枯水期利用,下游各級水電站也相應減少汛期通過水量,增加枯水期通過水量,減少汛期棄水,增加枯水期發電量。一級水電站制定合理的發電計劃,可增大下游所有梯級水電站的保證出力和年發電量。制定合理發電計劃的前提,需及時撐握準確的一級水庫水位信號。
  坪塹水庫與電站距離相距較遠,坪塹水庫現場原未安裝水位計,只是在大壩坡面上畫有水位標尺,由大壩值班人員定時目測水位標尺獲取庫區水位值,以電話方式向電站值班室匯報。這樣的水位采集方式,不利于及時了解水庫水位信號,特別汛期水位暴漲時,不利于電站及時撐握庫區水位變化過程,制定合理的汛期發電計劃。增加坪塹電站水庫的水位自動采集系統,迫在眉睫。
  2.3實施可行性
坪塹電站進水口平臺在建造時,已在進水口側面設計安裝了水位井,用于安水位計。進水口平臺的管理房安裝有電源控制箱,方便給水位計提供電源,這為壩區水位現地采集提供了保障。進水口平臺與壩區管理房之間,隔著庫區,需坐船才能到達進水口平臺。進水口平臺建在山腰處,附近無村落,租用電信光纖網絡將庫區水位傳回中控室可能性不大,拉光纖專網成本太高,安裝也很不方便。但進水口平臺處已覆蓋了中國移動、中國聯系通信網絡,可利用無線通訊網絡,將庫區水位以短信的方式傳回坪塹電站中控室。
  3.系統實施
  3.1設計要求
  為制定合理的發電計劃,集控中心、坪塹電站都需要及時撐握準確的坪塹電站水庫水位值,這必須選擇合適的水位計。在選型上結構精巧、便于安裝、操作方便、穩定可靠、準確度高、組網簡易,具有強抗干擾能力,應充分考慮設備安裝環境條件、可靠性、準確度等因素,避免造成重復投資造成不必要的浪費。且在特殊環境下,高精度的設備往往要求高維護的人力和維護,這是必須要避免的誤區。經過現場的實際勘察和專家討論:
  (1)現場水位井管徑偏小,只適合安裝投入式液位變送器。
  (2)現場水位采集系統應具備定時短信發送功能,根據需要可選擇1小時、30分鐘、10分鐘定時發送。
  (3)選擇穩定可靠的短信發送模塊。
  3.2系統結構
  坪塹水庫水位信號采集系統由四部分組成:現地測量單元、可編程邏輯控制器、短信收發模塊和后臺顯示單元。
  根據現場安裝環境的條件,庫區水位計決定采用投入式液位變送器。投入式液位變送器是一款零點和滿量程輸出可以調校的壓阻式壓力變送器,它選用高穩定性和高可靠性的壓阻式壓力傳感器和高性能的變送器專用電路,整體性能穩定可靠,可輸出4-20mADC電信號,方便接入現地可編程邏輯控制器。為方便現場對水位值的監視,增加了二次顯示與監控儀表,通過二次表的可實現越限報警功能。現地可編程邏輯控制器選用西門子公司S7-20 0PLC,包括一塊CPU模塊(CPU226),一塊4點模擬量模塊(EM231)。利用PLC的數據處理功能,將4-20mADC電信號轉換為十進制數,存放在PLC寄存器里。CPU226模塊有二個RS485通訊口,這二個通訊口均可根據需要設為自由口,PLC流程定時通過自由口與短信收發模塊進行通訊。
  投入式液位變送器送出4~20mA電信號,接入PLC模擬量模塊。利用PLC的計算功能,將PLC模擬量模塊采集到的水位電信號轉換為十進制數,存儲在PLC寄存器里。利用PLC的數據處理功能,將十進制水位值轉換成字符串,按短信發送模塊要求的短信字符串格式進行排列。利用PLC的編程功能,進行邏輯編程,實現1小時、30分鐘、10分鐘三種模式通過PLC自由口發送短信。
  采用JAVA編程語言開發短信接收程序,將接收到的水位短信信號寫入數據庫。后臺監控系統周期性訪問數據庫,及時將水位值寫入公用PLC,若判斷出該水位值長時間未刷新發出語音報警,以示提醒。短信收發模塊選用MOXA公司的NPortZ2151,這是一款1口RS-232/422/485串口設備ZigBee聯網服務器,為串口設備連接ZigBee網絡提供了可靠的無線聯網解決方案。現地短信發送模塊收到S7-200PLC的水位信號,以短信方式進行發送。坪塹中控室短信接收模塊收到水位短信,將其保存在后臺的數據庫。
  與短信接收模塊連接的后臺顯示單元周期性訪問數據庫,將水位信號寫入電站公用PLC,保存在PLC寄存器里,供電站所有后臺顯示單元及集控中心后臺顯示單元顯示用。
后臺監控系統周期性訪問公用PLC讀取水位值,并把水位值顯示在后臺監控畫面里,供電站運行人員實時監視;當水位越限時,監控系統及時發出報警信息,提醒運行人員注意;同時將水位值保存到后臺數據庫,用于日后水位分析。
  4.結束語
  坪塹水電站水位自動采集系統投入運行以來,水位測量數據準確,及時反映庫區水位的變化,有利于沿渡河集控中心制定合理的發電計劃。臺監控系統自動及時記錄了坪塹電站庫區水位,歷史趨勢圖可顯示水位的變化過程,用于日后水位分析,為梯級電站實現聯合調度提供水位依據,提高梯級電站的保證出力和年發電量,在監控時間及時發出報警信息,提醒運行人員及時調整機組負荷。總結選型、安裝經驗、建議工程設計、實施諸多過程的經驗,選擇對應的可靠的測量單元,結合先進的無線通訊技術,是自動化應用的發展方向,傳統和先進技術的結合使得系統應用有了新的積累和進步。
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