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投入式液位变送器在坪堑电站水位信号采集系统中的应用
 1.引言
       当前,我国的水利行业正在大力进行信息化建设,并以共享和开发信息资源为重点。水电调度管理是水利枢纽的重要业务,水电调度管理系统的信息集成问题是在水利信息化建设的背景下提出的,具有很强的行业特征,以解决领域内的信息集成需求为目标。水位信号作为数据仓库概念中的重要的参数,在流域发点调度中心处于主要地位,对水位信号系统应用的研究是整个流域电网配置的重要课题。近年来, 信息技术已成为当今世界先进的生产力,信息化水平成为衡量一个国家、地区或行业现代化程度的重要标志,各种无线通信技术得到了迅猛发展,使人们能从各种电缆束缚中解放出来,从而极大地提高了人们的工作效率和生活质量。数据仓库技术是近年来在信息领域中迅速发展并已相对成熟的一种计算机技术,从本质上讲它是一种信息集成技术,它的目标是达到快速有效的决策支持,在众多领域已得到应用。本文通过坪堑水电站的水电调度管理中的水位自动采集系统的案例分析,让读者对于水位采集系统中的水位测量单元:投入式液位变送器和PLC控制单元,以及报警装置等系统控制单元有初步的了解。
  2.对系统的研究
  2.1实施背景
  沿渡河流域位于湖北省西部,流经神农架林区及恩施自治州巴东县,系长江北岸的一条一级小支流,位于长江干流巫峡与西陵峡之间,发源于神农架林区小界岭,经麻线坪、石柱河、四方寨、沿渡河镇至巴东县城西襄口汇入长江,全长60km,流域面积1031.5km2,其中巴东县境内长约45km,流域面积909km2。流域内地形北高南低,干流河谷狭窄,纵坡陡,为典型的山溪性河流。主要支流有马家沟、石柱河、三道河等,流域内植被覆盖较好。
  沿渡河流域内拟建坪堑调水水库和麻线坪水库二座,电站按“五级”开发,即:坪堑水电站、麻线坪水电站、石柱河水电站、四方寨水电站,石板坪水电站。现已投产电站为坪堑水电站、石柱河水电站、四方寨水电站。分别装机容量为30MW,45MW,45MW,25MW,25MW。在以往的流域电站梯度的研究中,以流域总的多发电量为基础,确定梯级各电站对系统的补偿权重,根据补偿权重来对多发电量和多发效益进行重新分配,使得流域不同发电主体的电站将发电目标从价格竞争集中到提高流域总体效益上来,梯级发电效益接近大化。同时还探讨了对补偿后电站的时数补偿问题,从而使补偿功能更趋合理。[3]
  2.2实施必要性
  坪堑水电站是沿渡河流域梯级水电站的首先级水电站,位于神农架林区下谷坪板桥村。梯级水电站之间有密切的水流联系,一级水电站水库的调节作用,可使其下游的所有梯级水电站受益;上下游水库联合调度,可协调解决发电和其他用水要求的矛盾等。一级水电站水库在汛期蓄水,所蓄水量转移到枯水期利用,下游各级水电站也相应减少汛期通过水量,增加枯水期通过水量,减少汛期弃水,增加枯水期发电量。一级水电站制定合理的发电计划,可增大下游所有梯级水电站的保证出力和年发电量。制定合理发电计划的前提,需及时撑握准确的一级水库水位信号。
  坪堑水库与电站距离相距较远,坪堑水库现场原未安装水位计,只是在大坝坡面上画有水位标尺,由大坝值班人员定时目测水位标尺获取库区水位值,以电话方式向电站值班室汇报。这样的水位采集方式,不利于及时了解水库水位信号,特别汛期水位暴涨时,不利于电站及时撑握库区水位变化过程,制定合理的汛期发电计划。增加坪堑电站水库的水位自动采集系统,迫在眉睫。
  2.3实施可行性
坪堑电站进水口平台在建造时,已在进水口侧面设计安装了水位井,用于安水位计。进水口平台的管理房安装有电源控制箱,方便给水位计提供电源,这为坝区水位现地采集提供了保障。进水口平台与坝区管理房之间,隔着库区,需坐船才能到达进水口平台。进水口平台建在山腰处,附近无村落,租用电信光纤网络将库区水位传回中控室可能性不大,拉光纤专网成本太高,安装也很不方便。但进水口平台处已覆盖了中国移动、中国联系通信网络,可利用无线通讯网络,将库区水位以短信的方式传回坪堑电站中控室。
  3.系统实施
  3.1设计要求
  为制定合理的发电计划,集控中心、坪堑电站都需要及时撑握准确的坪堑电站水库水位值,这必须选择合适的水位计。在选型上结构精巧、便于安装、操作方便、稳定可靠、准确度高、组网简易,具有强抗干扰能力,应充分考虑设备安装环境条件、可靠性、准确度等因素,避免造成重复投资造成不必要的浪费。且在特殊环境下,高精度的设备往往要求高维护的人力和维护,这是必须要避免的误区。经过现场的实际勘察和专家讨论:
  (1)现场水位井管径偏小,只适合安装投入式液位变送器。
  (2)现场水位采集系统应具备定时短信发送功能,根据需要可选择1小时、30分钟、10分钟定时发送。
  (3)选择稳定可靠的短信发送模块。
  3.2系统结构
  坪堑水库水位信号采集系统由四部分组成:现地测量单元、可编程逻辑控制器、短信收发模块和后台显示单元。
  根据现场安装环境的条件,库区水位计决定采用投入式液位变送器。投入式液位变送器是一款零点和满量程输出可以调校的压阻式压力变送器,它选用高稳定性和高可靠性的压阻式压力传感器和高性能的变送器专用电路,整体性能稳定可靠,可输出4-20mADC电信号,方便接入现地可编程逻辑控制器。为方便现场对水位值的监视,增加了二次显示与监控仪表,通过二次表的可实现越限报警功能。现地可编程逻辑控制器选用西门子公司S7-20 0PLC,包括一块CPU模块(CPU226),一块4点模拟量模块(EM231)。利用PLC的数据处理功能,将4-20mADC电信号转换为十进制数,存放在PLC寄存器里。CPU226模块有二个RS485通讯口,这二个通讯口均可根据需要设为自由口,PLC流程定时通过自由口与短信收发模块进行通讯。
  投入式液位变送器送出4~20mA电信号,接入PLC模拟量模块。利用PLC的计算功能,将PLC模拟量模块采集到的水位电信号转换为十进制数,存储在PLC寄存器里。利用PLC的数据处理功能,将十进制水位值转换成字符串,按短信发送模块要求的短信字符串格式进行排列。利用PLC的编程功能,进行逻辑编程,实现1小时、30分钟、10分钟三种模式通过PLC自由口发送短信。
  采用JAVA编程语言开发短信接收程序,将接收到的水位短信信号写入数据库。后台监控系统周期性访问数据库,及时将水位值写入公用PLC,若判断出该水位值长时间未刷新发出语音报警,以示提醒。短信收发模块选用MOXA公司的NPortZ2151,这是一款1口RS-232/422/485串口设备ZigBee联网服务器,为串口设备连接ZigBee网络提供了可靠的无线联网解决方案。现地短信发送模块收到S7-200PLC的水位信号,以短信方式进行发送。坪堑中控室短信接收模块收到水位短信,将其保存在后台的数据库。
  与短信接收模块连接的后台显示单元周期性访问数据库,将水位信号写入电站公用PLC,保存在PLC寄存器里,供电站所有后台显示单元及集控中心后台显示单元显示用。
后台监控系统周期性访问公用PLC读取水位值,并把水位值显示在后台监控画面里,供电站运行人员实时监视;当水位越限时,监控系统及时发出报警信息,提醒运行人员注意;同时将水位值保存到后台数据库,用于日后水位分析。
  4.结束语
  坪堑水电站水位自动采集系统投入运行以来,水位测量数据准确,及时反映库区水位的变化,有利于沿渡河集控中心制定合理的发电计划。台监控系统自动及时记录了坪堑电站库区水位,历史趋势图可显示水位的变化过程,用于日后水位分析,为梯级电站实现联合调度提供水位依据,提高梯级电站的保证出力和年发电量,在监控时间及时发出报警信息,提醒运行人员及时调整机组负荷。总结选型、安装经验、建议工程设计、实施诸多过程的经验,选择对应的可靠的测量单元,结合先进的无线通讯技术,是自动化应用的发展方向,传统和先进技术的结合使得系统应用有了新的积累和进步。
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