夹岩水利工程升鱼机系统供电及自动控制概述

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳，550002)

1 引言

贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程位于贵州省西北地区，夹岩水库坝址位于毕节地区纳雍县和毕节市界河六冲河中游河段。

为了减少大坝对河流生态系统尤其是鱼类种群的干扰，通过修建过鱼设施从而改善河流连通性，使鱼类能顺利过坝。鱼类过坝设施对维持河流生态系统的连通性、保护珍稀鱼类、提高河流的渔获物产量、维持河流的遗传及生物多样性具有重要的意义。

2 夹岩水利工程升鱼机系统运行流程

夹岩水利枢纽工程过鱼方案及设施根据国家环保部批复要求，采用升鱼机方式。升鱼机过鱼流程大致分为： 诱鱼→集鱼→提升→转运→分选→运输→放流七大步骤，升鱼机建筑如图1所示。

图1 夹岩升鱼机三维模型

(1)诱鱼系统，把鱼类诱引到集鱼廊道中，其主要诱鱼方式设计为水流集诱鱼，根据前期的鱼类游泳能力测试和鱼类对感应流速的试验，在补水廊道上设置1套工作闸门来控制补水廊道水量，把补水廊道水引进集鱼廊道，通过集鱼廊道进鱼口人字闸门来控制鱼类需要的水的流速，流速由设置在集鱼廊道中的四声路超声波流量计来检测，根据检测情况提供强化水流，以达到诱鱼流速要求，并设置一道DN300mm供水管从厂房压力钢管引水到集鱼池进鱼口，以强化水流，增加诱鱼效果。同时采用辅助集鱼手段，在集鱼廊道旁设置一道拦鱼电栅，以阻挡鱼类通往尾水渠的通道，只留出集鱼池唯一鱼类通道。利用物理及电场形成的屏障起到引导作用，鱼类对声、光等环境因素的趋向性等特殊的诱鱼手段，将鱼类引导至集鱼廊道进口。

(2)集鱼系统，在集鱼廊道进口设置1套鱼类监测系统和一套赶鱼栅，通过鱼类监测系统可以看到集鱼通道中的鱼类数量，当鱼达到一定数量后，自动启动集鱼廊道进鱼口的赶鱼栅(电源为超级电容)，将赶鱼栅由下游进鱼口向上游集鱼斗缓慢移动，将鱼类赶到集鱼箱。鱼进入集鱼斗后，驱动赶鱼栅回到下游集鱼池进口，进行下一次赶鱼，如此往复进行。

(3)提升、分选及放流系统，当集鱼斗的鱼积累到一定数量即可暂停赶鱼操作，采用集鱼斗启闭台车把集鱼斗提升到鱼类分选暂养平台，然后把集鱼斗转运至分选车间，将鱼类进行分选，鱼类进入分选池后即可把集鱼斗运回集鱼池，进行下一次集鱼。鱼类通过分选后进入运鱼专车，然后运鱼专车通过公路把鱼类运到上游库尾旅游点进行放游。

3 供电系统

3.1 接入电力系统

升鱼机系统的用电设备主要有赶鱼栅、集鱼斗启闭台车、横拉闸门、补水工作闸门、补水拦污栅、进口工作闸门等，设备装机容量共148kW，在这些负荷中，赶鱼栅、集鱼斗启闭台车、横拉闸门、补水工作闸门、补水拦污栅可能同时运行，最大负荷115.5kW。根据工程的实际情况，故负荷等级按Ⅲ类负荷考虑，只要1回供电电源即可满足供电要求。集鱼及转运系统附近有1条毕大泵站——流量阀室的10kV线路，相距1km，供电电源“T”接于该10kV线路上。

3.2 电气主接线

配电系统主接线初定为10kV电源进线1回，设置一台油浸式变压器，容量为200kVA，接线组别为Dyn11。将10kV降压到0.4kV后向所有用电负荷供电，主变高压侧采用变压器线路组接线，低压侧采用单母线接线。

3.3 过电压保护及接地

配电变压器的防雷接地采取高压侧接避雷器，然后将避雷器的接地引下线与配电变压器外壳及低压中性点相连，共用一个接地装置的做法，要求高低压配电系统接地装置的接地电阻小于等于4Ω，人工接地装置做成环形，环形的大小，一般以5m为直径，以便发挥水平接地极和垂直接地极的散流效果，减少相互屏蔽，降低接地电阻。

4 监控系统

4.1 设计原则

升鱼机监控系统的任务是对进入鱼道的鱼类进行监测，并将鱼通过集鱼系统和升鱼系统提升到鱼类转运平台；为保证本系统运行安全、可靠，提高系统经济运行和管理的自动化水平，本系统自动控制设计遵循以下原则：

(1)本系统按“无人值班、少人值守”原则设计；

(2)升鱼机自动化系统满足夹岩水利工程调度自动化的要求，可实现调度总控制中心能对升鱼机进行调度；

(3)升鱼机采用全计算机监视控制系统对集鱼系统和升鱼系统进行监视和控制，其结构为分层分布式；

(4)升鱼机主控级设有其监视范围内完整的实时数据和历史数据，系统LCU设有其监控范围内完整的实时数据。

4.2 监控系统的任务

(1)升鱼机监控系统的任务是按照整个升鱼机系统运行的要求，根据设备运行状况和条件，完成对系统内设备的监视和控制，并实现升鱼机计算机监控系统与系统调度之间远程数据传输和信息的通信。

(2)准确、实时地对所有闸门的设备运行参数、信息进行采集和处理，实现管理自动化。

(3)根据系统调度和闸门运行特性要求，对升鱼机系统进行最佳控制。

(4)通过鱼类观测计数系统对进入鱼道的鱼进行观测、统计并将数据实时上传至上位机。

4.3 监控系统功能

(1)对升鱼机系统设备，包括闸门、提升装置、鱼道进鱼情况等运行数据进行采集、处理和安全监视，包括变化趋势监视。

(2)按规定的控制方式和约束条件，实现工况转换及设备在正常和异常状况下的自动顺序控制和调节，在执行过程受阻时将设备转换到安全工况。

(3)系统数据通信功能，包括各现地控制单元与各现场控制设备，主控制与各现地控制单元之间的实时通信和数据交换，监控系统与继电保护装置等之间的信息交换，监控系统与系统调度计算机系统之间的远程数据通信。

(4)控制与调节功能。计算机监控系统有多种调控方式，以满足运行需要。

①现地控制方式：运行人员通过现地控制屏上的彩色触摸屏或控制开关、按钮，实现闸门等设备运行。

②主控级控制方式：通过计算机监控系统对升鱼机设备实现监视控制。

③运行人员工作站控制：通过操作员工作站将控制命令作用到LCU，实现实时控制、安全监视。

为保证控制和调节的正确、可靠，计算机监控系统以手动优先，下层优先的方式选择对设备的控制权，现地控制单元有较高的优先权，不因控制权的设置而被闭锁。

4.4 监控系统总体结构及配置

4.4.1 系统结构

计算机监控系统由主控层和现地单元两层构成，两层之间采用光纤以太网通讯。主控级设备按功能设置，现地监控单元设备按监控对象设置。主机、LCU屏、鱼类观测计数控制柜等控制设备均设置在升鱼机控制室内，各闸门控制箱放在现地，以方便进行控制。

具体的结构是：

(1)负责对全厂机电设备进行集中监控的主控级；

(2)对全厂设备进行监控的现地监控LCU。

4.4.2 网络结构及设备配置

为保证网络通信的可靠性，现地控制级设备之间采用单星形光纤以太网，传输速率为100Mbps，现地控制单元与各闸门控制箱之间采用现场控制总线，确保实时性、可靠性，以提高抗干扰性能，保证网络的传输速度和吞吐量。

4.4.3 控制系统结构及配置

控制系统按功能分布的原则配备以下计算机节点：

4.4.3.1 主控级设备配置

数据服务器兼操作员工作站1台，调度通信工作站1台。

数据服务器主要用于监控系统数据采集、处理及系统管理，形成系统实时数据库及历史数据库。同时完成系统人机接口功能，供运行人员从事升鱼机所有设备的工况监视和发布运行操作指令。同时实现对计算机监控系统的管理，在线及离线计算功能，各图表、曲线的生成，事故故障信号的分析处理等。

数据服务器兼操作员工作站供运行值班人员使用，具有图形显示、全站运行监视、操作控制、升鱼机的自动运行控制、定值设定与变更工作方式等功能。全站所有的操作控制都可以通过鼠标器及键盘实现；通过彩色显示器可以对电站的生产、设备运行作实时监控，并取得所需的各种信息。

配置声卡、音箱和语音软件，设置语音报警系统作为全站监控系统的一部分，对全站故障和事故发语音报警，提醒运行人员。具有报警、测试等功能。

设置汉字激光打印机一台，完成计算机监控系统的打印服务功能，打印方式以召换打印为主，定时打印为辅。

配一套UPS电源(6kVA带逆变器)，用于计算机监控系统供电。

通信工作站可实现与调度总控制中心通信。

本站主控级的所有工作站硬件应选用进口高性能计算机，配置按当前主流选型，主控级计算机兼操作员工作站应为高性能、多任务、多用户、通用型工作站，配有通信接口，支持UNIX、WindowsXP、Windows 2000、Windows NT操作系统。各种存储器应带保护装置，防止和避免因电源或不正确操作造成信息丢失和改变。

4.4.3.2 现地控级设备配置

设置一套LCU、一套鱼类监测系统，同时赶鱼栅、补水渠工作闸门、自动控制集鱼箱、补水渠检修闸门、集鱼廊道进口工作闸门、补水管工作闸阀等均配置PLC控制箱进行控制。

(1)LCU屏

LCU共1套，主要完成被监控设备就地数据的采集及数据预处理功能，同时也具有控制操作和监视功能，实现对生产对象的监控。LCU采用以CPU为核心可编程控制器PLC，并配有人机界面装置和足够的I/O模板。

LCU屏主要配置包括：1套智能PLC(含CPU模块，100M以太网接口及其I/O模件、开出继电器等)、TFT彩色触摸屏、电源装置等组成，以满足现场设备的数据采集处理及自动控制要求。

LCU的设计能保证它与主机系统脱离后仍能在当地实现对有关操作进行必要的监视和控制功能，这些功能包括设备的开、停机操作；设备运行状态及参数的监视，当其与主机恢复联系后又能自动地服从上位机系统的控制和管理。

(2)鱼类监测系统

鱼类监测系统主要任务是在鱼道入口处完成对鱼的数量、水的流速、水质等进行实时监测；同时将监测到的数据进行分析处理，并可通过计算通过鱼类监测器的鱼的数量，给出升鱼机运行信号，同时上传信号给上位机启动升鱼机系统运行，完成对整个升鱼机系统的自动运行控制。

表1鱼类监测系统主要配置

(3)辅助设备

赶鱼栅、补水渠工作闸门、自动控制集鱼箱、补水渠检修闸门、集鱼廊道进口工作闸门、补水管工作闸阀等均单独设置PLC进行控制，可实现远方控制操作，由监控单元(LCU)完成。在就地设置的PLC控制箱上，完成对这些设备的现场手动和自动控制操作。PLC控制箱均设有RS485接口。

4.4.3.3 控制电源

为确保电站的安全运行，便于维护，选用一套直流220V阀控式密封铅酸蓄电池组，作为全厂控制、操作、事故照明、自动装置、逆变电源装置等的电源。蓄电池电压采用直流220V，初选容量为80Ah，单体蓄电池浮冲电压为43V。其阀控式密封铅酸蓄电池组容量按事故负荷持续1h计算。

220V直流系统充电浮充电装置选用一套微机型高频开关电源装置。

本电站设备所需的交流控制操作电源取自厂用电380/220V系统。

4.5 工业电视监控

为了满足升鱼机的安全和更好的运行管理，设置一套工业电视系统。对升鱼机系统的重要设施及部位进行实时监视，初步拟定11个监视点，摄像头分为枪式、球形式、水下摄像头等合理分布在集鱼鱼道、补水廊道、升鱼机提升平台、控制室、交通桥、筛分室、鱼类投放码头等位置。工业电视监控系统配1套视频处理监控主机设置在升鱼机控制室内。利用纯数字化技术，通过监控主机可方便地对图像进行任意加工、处理和传输，并可利用光纤延伸传输距离。

5 结语

据调查，目前全国绝大多数大坝、电站等水利工程很少有设置过鱼设施的，而夹岩水利工程的升鱼机是目前贵州省第一座高坝过鱼设施项目，随着环境生态保护要求的不断提搞，以后会建设更多不同形式的过鱼设施，也将会对过鱼设施系统的控制提出更高的要求。该工程升鱼机系统供电及自动控制的实践经验，可对其他类似工程升鱼机系统的建设提供借鉴和参考。