七一水利水電工程電氣自動化對策與工程應用研究

余水發(fā)

(上饒市水利電力勘測設計院，江西 上饒 334000)

0 引 言

隨著高科技的迅猛發(fā)展，促使自動化技術(shù)在各個領(lǐng)域中得到不斷的運用，并且為了提升人民的幸福感和滿足感，必須要不斷地提升人民的生活質(zhì)量[1_2]；而水利水電工程是影響人民生活質(zhì)量的重要工程之一，所以必須不斷擴大水利水電工程的服務范圍，為人民帶來高質(zhì)量服務[3_4]。

江西省玉山縣七一灌區(qū)信息化工作已開展多年，相繼建設了大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水雨情測報系統(tǒng)、視頻會商系統(tǒng)、閘門自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、灌區(qū)量測水系統(tǒng)、灌區(qū)綜合管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)，各系統(tǒng)在水資源利用、防洪調(diào)度、工程安全、生態(tài)安全和事務管理等方面發(fā)揮了重要作用。由于七一灌區(qū)各信息系統(tǒng)建設時期不同，建設背景不同，建設深度不一，系統(tǒng)架構(gòu)差異性大、協(xié)同能力弱，現(xiàn)有系統(tǒng)不能完全滿足新時期七一灌區(qū)信息化和現(xiàn)代化發(fā)展的需求[5_8]。

因此，為貫徹落實江西省人民政府及江西省水利廳下發(fā)的《意見》及《實施方案》等文件精神，從七一灌區(qū)管理實際需求和信息化現(xiàn)狀出發(fā)，擬在原信息化建設基礎上，運用現(xiàn)代信息和通信技術(shù)手段感測、分析、整合工程運行核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵信息，提升整合現(xiàn)有各應用系統(tǒng)，從而對包括工程安全、防洪安全、生態(tài)安全、水資源綜合利用等在內(nèi)的各項業(yè)務需求提供智能響應，實現(xiàn)水利工程實時信息監(jiān)控、工程運行管理、上下級信息共享及聯(lián)動等，提升工程業(yè)務一體化協(xié)同的能力和管理效能，為工程經(jīng)濟及社會發(fā)展提供有力保障。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

電氣自動化技術(shù)是將現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術(shù)和電子信息技術(shù)相互結(jié)合，同時具有兩種技術(shù)的優(yōu)點。在許多領(lǐng)域中都已經(jīng)將電氣自動化技術(shù)作為領(lǐng)域發(fā)展的核心技術(shù)，其能夠有效提升工作效率，減少人工成本，也能避免因人為因素而造成的經(jīng)濟損失。電氣自動化技術(shù)采用無人操作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作，使工作更加簡便，帶來了高效率的工作模式。據(jù)調(diào)查所知，電氣自動化技術(shù)已經(jīng)滲透在我們的生活當中，在地鐵、公交、商店等系統(tǒng)中能夠成熟運用。因此，電氣自動化技術(shù)在各個領(lǐng)域中應用是必然的，能夠推動我國人工智能的發(fā)展，逐漸解放人類的勞動力，全面提升各行各業(yè)的工作效率，促進全球經(jīng)濟的發(fā)展。

因為科技水平不斷提高，促進計算機網(wǎng)絡技術(shù)在全球覆蓋，許多企業(yè)的發(fā)展已經(jīng)離不開計算機網(wǎng)絡技術(shù)，改變以往的運行模式，能推動企業(yè)快速發(fā)展[9_10]。特別是水利水電行業(yè)，電氣自動化技術(shù)在水利水電工程中已經(jīng)熟練應用，形成了一種新型的運行模式，工程運行時無需大量的人工，利用計算機控制相關(guān)的機器設備運行，并合理優(yōu)化機器設備運行機制，能顯著減少人工操作的錯誤率。因此，目前的水利水電工程利用電氣自動化技術(shù)可達到智能值班、智能監(jiān)控等目的。電氣自動化技術(shù)主要利用計算機技術(shù)以及監(jiān)控設備等相互組成，利用計算機技術(shù)編程控制器模塊達到系統(tǒng)自動化運行的功能，實現(xiàn)智能值班、智能監(jiān)控等。

如圖1所示，七一水利水電工程中采用電氣自動化技術(shù)時，主要依靠現(xiàn)場控制線、RS485、傳感器以及智能設備達到自動化的目的。根據(jù)工程規(guī)劃設計合理的設備分布圖，按照設備的順序進行安裝，最終能夠得到一個電氣自動化水利水電系統(tǒng)。該系統(tǒng)為開放式運行系統(tǒng)，具有擴展的功能，能夠結(jié)合系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上的差異性，然后合理調(diào)整監(jiān)控體系。不僅如此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中還安裝有許多的配套設備，可使該系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到顯著提高。

圖1 七一水利水電工程電氣自動化系統(tǒng)的構(gòu)成

2 特點及應用價值

2.1 電氣自動化特點

電氣自動化技術(shù)具有許多特點。在七一水利水電工程中應用能夠使現(xiàn)場調(diào)度的能力增強，合理調(diào)控各個機器的運行狀態(tài)，提高機器的相互配合能力；能夠降低一些能源的損耗，減少能源浪費，降低水利水電工程的運行成本。因此，對于七一水利水電工程而言，不僅能夠提高能源的利用效率，也能提升機器間的配合能力，增強機器的工作能力。目前電氣自動化技術(shù)是新型技術(shù)，結(jié)合了電子信息技術(shù)和計算機技術(shù)，其復雜性大，創(chuàng)新難度也高，但還是具有很大的發(fā)展空間。

2.2 應用價值

電氣自動化技術(shù)能為水利水電工程帶來許多經(jīng)濟價值。七一水利水電工程中應用電氣自動化技術(shù)能合理控制每個機器設備，通過人工智能使每個機器都處于高效的運行狀態(tài)。水利水電工程龐大的規(guī)模需要大量的設備支撐，人工調(diào)控無法使每個機器設備都相互協(xié)調(diào)運行，而采用電氣自動化技術(shù)就能使各個機器相互調(diào)控運行，不僅能夠減少人工運行成本，也能夠提高調(diào)度水平。另外，還可以實現(xiàn)全面監(jiān)控的目的。因為水利水電工程運行環(huán)境非常復雜，必須要實時監(jiān)控機器的運行情況。電氣自動化技術(shù)能夠智能監(jiān)控水利水電工程的機器運行情況，并通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及云計算技術(shù)提升監(jiān)控的效率和質(zhì)量，能顯著提升監(jiān)控系統(tǒng)的能力，為工程帶來優(yōu)質(zhì)的監(jiān)控監(jiān)管服務。

3 應用優(yōu)勢

3.1 實現(xiàn)工程的自動化

電氣自動化技術(shù)在七一水利水電工程中占有主導地位，通過該技術(shù)的應用，工作人員能快速檢查水利工程的運行狀況，而且能在機器設備出現(xiàn)異常時及時警報，并提供相關(guān)的位置和故障信息，達到及時維修或更換設備的目的。另外，還能減少工作人員的工作量，無需人工查找故障的位置，有效提升了工程的穩(wěn)定性和可靠性。而且，電氣自動化技術(shù)還能提高能源的利用率，減少工程的運行成本，降低發(fā)生安全事故的概率，延長機器設備的使用年限。

3.2 提升工程質(zhì)量與效率

七一水利水電工程的運行涉及到許多機器，因此工程的運行具有一定的難度，合理利用電氣自動化技術(shù)能井然有序地使各個機器設備進行工作，降低工程的運行難度，不僅提升了工程的生產(chǎn)效率，還達到了經(jīng)濟效益最大化的目的。伴隨著監(jiān)控裝置全面安裝，結(jié)合電氣自動化技術(shù)，使監(jiān)控系統(tǒng)更加的靈活，實現(xiàn)了水利水電工程故障監(jiān)測的目的，可降低因設備故障造成的經(jīng)濟損失，提升了工程的穩(wěn)定性，也達到無人監(jiān)控的效果，降低了值班監(jiān)管的成本。

3.3 有助于實現(xiàn)環(huán)保理念

采用電氣自動化技術(shù)之前，水利水電工程主要為傳統(tǒng)的人工操作，工作人員需要有高水平的控制技術(shù)，還要具有一定的專業(yè)知識才能夠勝任這項工作，因此想招聘到合適的員工非常困難。另外，每個工作人員的工作方法和工作模式也是不同的，因此在工作過程中會造成水資源的浪費。采用電氣自動化技術(shù)，通過計算機系統(tǒng)制定一個統(tǒng)一的工作模式，可固定每次生產(chǎn)的水資源量；而工作人員只需要對計算機進行相關(guān)參數(shù)設定，可科學合理控制能源的損耗，也提升了工作質(zhì)量，達到水資源管控的目的，實現(xiàn)了自動化管理。而且，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可利用大量的數(shù)據(jù)分析電氣自動化技術(shù)應用的狀況，然后不斷優(yōu)化調(diào)整運行系統(tǒng)，降低錯誤率。

4 管理應用分析

4.1 工程概況

七一水閘工程為中型的Ⅲ級建筑物，在鋼板閘門上設置了8個孔，孔的凈寬為12 m，其總寬達到96 m。洪水標準設計如下：20年一遇，其相對應的洪水水位是2.81 m，洪水流量為393 m3/s；50年一遇，其相對應的洪水水位是3.07 m，洪水流量為556 m3/s。

4.2 水閘自動化控制系統(tǒng)

七一水閘自動化系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控配電房、上下游水位測量站以及水閘的工作情況，收集運行數(shù)據(jù)，通過控制提示系統(tǒng)和計算機互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿l自動化系統(tǒng)中，實時監(jiān)控水閘和配電房的運行狀態(tài)。工作人員可以從水閘自動化控制系統(tǒng)了解到相關(guān)的信息，也能分析其是否存在運行異常。如果設備出現(xiàn)了異常，工作人員能快速找到相應的解決方案，降低設備故障造成的損失。與此同時，系統(tǒng)還具有遠程操控的功能，可實現(xiàn)遠距離分析和查詢工作，其具體功能如下：

(1)水閘監(jiān)控和控制提示分析。水閘監(jiān)控由現(xiàn)場操作系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)兩個系統(tǒng)構(gòu)成，前者可以為后者提供提示分析的結(jié)果。水閘監(jiān)控系統(tǒng)通過現(xiàn)場手動控制子系統(tǒng)或者自動化控制子系統(tǒng)達到遠程監(jiān)控控制和分析的目的，兩者相比，前者還具有互鎖的能力。當監(jiān)控設備運行時，液壓控制系統(tǒng)對水閘進行監(jiān)控和控制以及收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，利用設備的以太接口輸送信息，工作人員可以連接遠程監(jiān)控系統(tǒng)，收到由液壓控制系統(tǒng)傳遞的信息，達到遠程實時監(jiān)控的目的，減少了工作人員的工作量。

(2)水文和水情監(jiān)控分析。利用水情數(shù)據(jù)服務器傳遞實時收集的水文和水情信息，然后中央控制室需要登入以太網(wǎng)才能夠得到水文和水情的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，達到實時監(jiān)控的目的；然后再通過一定的計算和分析，得出科學合理可靠的結(jié)論。

(3)配電房的監(jiān)控。在配電房中安裝有監(jiān)控設備以及監(jiān)控系統(tǒng)，中央控制室能夠?qū)崟r控制配電房的電壓和電流，也能檢查電壓和電流情況；一旦出現(xiàn)異常，配電房的監(jiān)控系統(tǒng)會出現(xiàn)警報提示，提醒工作人員。

(4)中心數(shù)據(jù)處理。液壓控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)到中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的計算分析，最終能夠得到水閘運行情況。另外，還能記錄水閘每日的流量、氣壓以及水位等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)做成表格或者圖像呈現(xiàn)出水閘相關(guān)信息的變化情況。該系統(tǒng)還能處理配電房的電壓和電流數(shù)據(jù)，得到配電房的運行狀況。

(5)Internet網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理、存儲、分析的功能。利用監(jiān)控系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)制定相關(guān)的模型以便觀測工程的變化情況，利于工作人員作出相應的決策。工作人員能夠?qū)㈤l門管理的信息與配電房的信息相互結(jié)合，然后在Internet網(wǎng)絡發(fā)布子系統(tǒng)設置相關(guān)的參數(shù)得到歷史數(shù)據(jù)查詢功能，有利于指揮中心和管理部門快速查詢之前的數(shù)據(jù)，并且進行工程下一階段發(fā)展預測。

4.3 閘體原型觀測自動化控制系統(tǒng)

因為閘門受到水壓力、環(huán)境等因素的影響，所以在進行閘體原型觀測工作前，必須要設計好相關(guān)的機器設備和參數(shù)。一是采用閘體原型觀測自動化系統(tǒng)，需要運用64只GKD型鋼弦式隙水壓力儀和萊卡TCA—2003型的全站儀，可以測量閘門因為水壓力、環(huán)境等因素的影響而造成的水平位移和沉降的數(shù)值。二是做好觀測點，有利于后期進行觀測監(jiān)督，提升觀測效率。運用系統(tǒng)為Visval Basic 6.0自動化系統(tǒng)，操作更加簡便，容易上手；而且該系統(tǒng)采取維護和擴展工作的難度也更加簡單，具有大型的數(shù)據(jù)庫，可提供豐富的數(shù)據(jù)信息。

4.4 一張圖管理

基于“一張圖”實現(xiàn)信息展示方式多樣化、展示效果動態(tài)化、展示內(nèi)容豐富化，宏觀上把握工程整體分布，微觀上了解工程全面信息；主要包括三維建模、全景瀏覽、三維展示等。建立水庫三維模型，針對水庫主壩、副壩、溢洪道閘門、取水塔進行精細建模，利用可視化技術(shù)及基于互聯(lián)網(wǎng)的三維空間引擎服務，可清晰展示七一水庫主壩、副壩、溢洪道閘門以及取水塔等工程的三維外部面貌。三維建?？偡秶s為10.0 km2，具體范圍如圖2所示。

圖2 一張圖管理

本次項目三維建模分為傾斜攝影測量建模和三維激光掃描建模兩類。其中，傾斜攝影測量建模主要實現(xiàn)對七一水庫庫區(qū)約10.0 km2片區(qū)進行傾斜攝影測量，并建立水庫仿真三維模型；三維激光掃描建模主要是對七一水庫主壩、副壩、溢洪道閘門、取水塔等工程主體進行整體精細建模，其中閘門以及取水塔建模主要為表面建模。

模型要求精度達到5 cm或者精度更高，且能夠與三維GIS平臺無縫拼接，用戶直接通過瀏覽器可以對工程進行 360°全方位的場景預覽。系統(tǒng)支持自動漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)、移動、快速導航定位等功能，初步擬在26處位置進行全景圖的制作和展示，具體點位如表1所示。

表1 全景圖拍攝位置及數(shù)量

結(jié)合水庫精細模型，在三維界面上展示實時水情數(shù)據(jù)、雨情數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、閘門監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，實現(xiàn)水利工程各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析和圖表展示。

5 結(jié) 語

綜上所述，隨著水利水電工程功能的不斷擴大，其涉及到的機器設備也越來越多，因此在管理管控上具有巨大的難度；應用電氣自動化技術(shù)可為工作人員提供更加方便的管理管控系統(tǒng)。因此，相關(guān)部門必須重視電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，不斷改革創(chuàng)新，有效提升水利水電工程的服務質(zhì)量，促使工程向智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。