蘇春榮

（海委引灤局大黑汀水庫(kù)管理處，河北 遷西 064300）

0 引言

灤河發(fā)源于河北省豐寧縣西北部巴顏圖古爾山麓，流經(jīng)沽源縣，內(nèi)蒙古多倫縣，河北省承德、唐山兩市，于樂亭縣匯入渤海。全長(zhǎng)888 km，總面積 46 600 km2。大黑汀水庫(kù)樞紐工程建在灤河干流上，壩址在河北省遷西縣大黑汀村，距上游的潘家口水庫(kù)30 km，水庫(kù)控制流域面積35 100 km2，占灤河總流域面積的79%,區(qū)間有支流灑河匯入。是開發(fā)灤河，跨流域向天津、唐山兩市引水的大型骨干工程之一，其作用是承接上游潘家口水庫(kù)來水，調(diào)節(jié)水量，抬高水位，為跨領(lǐng)域引水創(chuàng)造條件。水庫(kù)下接引灤入津，引灤入唐渠道，為天津、唐山兩市及下游工農(nóng)業(yè)及城市提供水源，并用輸水進(jìn)行發(fā)電。大黑汀水庫(kù)和潘家口水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，以發(fā)揮防洪、供水、發(fā)電等作用。

水庫(kù)為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，最大壩高52.8 m，壩頂長(zhǎng)1 354.5 m，總庫(kù)容3.37 億m3。該工程1973 年10 月開工，1979 年4 月開始為灤河下游調(diào)節(jié)供水，1983年6 月主體工程完工，1986 年全部竣工，該工程由河北省根治海河指揮部勘測(cè)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，河北省水利廳工程局施工。水庫(kù)經(jīng)過30 多年蓄水運(yùn)行，發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

灤河流域地處副熱帶大陸季風(fēng)區(qū)，夏季炎熱而多雨，冬季寒冷而干燥，多年平均氣溫10℃，絕對(duì)最高氣溫39.4℃，最低氣溫-25℃。流域內(nèi)無霜期較短（90～180 d），冰凍期較長(zhǎng)（120～200 d），庫(kù)區(qū)由每年12 月上旬封凍，至次年3 月上旬解凍。河心最大冰厚(0.4～0.6 m)，河邊冰厚可達(dá)1 m 以上，冬季盛行偏北風(fēng)，風(fēng)速可達(dá)七、八級(jí)，瞬時(shí)可達(dá)九級(jí)，屬于嚴(yán)寒地區(qū)。

由于水庫(kù)工程處于嚴(yán)寒地區(qū)，水庫(kù)大壩28 孔溢洪道弧形閘門（數(shù)量：28 扇，閘門型式：露頂式弧形工作門，材料：A3 鋼，尺寸：15×12.1 m,水封型式：側(cè)水封L 型、底水封H 型。操作方式：動(dòng)水啟閉。啟閉機(jī)型式：卷揚(yáng)式）。因冬季庫(kù)面結(jié)冰可能被擠壓破壞，必須采取措施進(jìn)行防護(hù)。嚴(yán)寒地區(qū)壩前防止結(jié)冰，大多采用空氣壓縮機(jī)吹氣防止結(jié)冰，風(fēng)泵吹冰，潛水泵破冰和人工破冰等辦法，根據(jù)該工程具體情況，及對(duì)同類處于嚴(yán)寒地區(qū)已完工程的防凍成功經(jīng)驗(yàn)的了解，目前我們采用潛水泵破冰方式，將潛水泵懸吊在破冰地區(qū)，每次開動(dòng)時(shí)間通過試驗(yàn)來確定。通過多年來運(yùn)行實(shí)踐，破冰效果良好，確保了水庫(kù)工程安全運(yùn)行。

1 目前采取的破冰措施

選擇匹配的小型潛水泵，每孔閘門前放置一臺(tái)（見圖1），用纜繩放在弧形門前水面以下2～3 m，潛水泵出水口連接一段直管，管口距水面4～50 cm，抽取下層溫度較高水至水面，使閘門前表面水體循環(huán)，保持整個(gè)門前不結(jié)冰。

圖1 單孔單泵破冰示意圖

2 單孔單泵破冰存在的缺陷

單孔單泵破冰始于2004 年，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件及成本等，水泵的電氣控制采用了刀閘開關(guān)控制方式。如圖2 為水泵起?？刂茍D。電源引自啟閉機(jī)室內(nèi)的啟閉機(jī)用電配電柜，沿啟閉機(jī)室內(nèi)的電纜溝引至閘墩附近后向下敷設(shè)至壩面下游防護(hù)欄的刀閘開關(guān)電源進(jìn)線端。刀閘開關(guān)事先用綁線捆扎在防護(hù)欄上，刀閘出線端經(jīng)由電纜給潛水泵供電。潛水泵用繩索捆扎在下游防護(hù)欄上。

圖2 潛水泵起?？刂茍D

單孔單泵破冰方式存在如下弊端：（1）潛水泵的起?？咳斯ぐ釀?dòng)刀閘開關(guān)實(shí)現(xiàn)，合閘瞬間存在弧光放電，非電工操作存在安全隱患，容易觸電；（2）北方冬季降雪較多，氣溫較低，刀閘開關(guān)經(jīng)常被雪覆蓋，合閘時(shí)必須要除掉刀閘開關(guān)表面的積雪，但是仍會(huì)有積雪滲入到刀閘開關(guān)內(nèi)部，極易導(dǎo)致合閘過程中觸電，尤其是積雪融化后，刀閘開關(guān)經(jīng)常被積雪凍住，不但合閘不易，更加重合閘的危險(xiǎn)性，存在極大的安全隱患。

3 改進(jìn)措施

3.1 控制方式改進(jìn)

鑒于以上情況，我們進(jìn)行了控制方式改進(jìn)。如圖3 所示，在每孔的閘墩交通廊道內(nèi)設(shè)置一個(gè)破冰控制箱，控制箱安裝在交通廊道的側(cè)壁上，避免了外界惡劣氣候的影響，同時(shí)為便于管理，控制箱以上電源電纜采用永久式敷設(shè)，穿304 不銹鋼管安裝，控制箱也采用304 不銹鋼材質(zhì)，可長(zhǎng)期經(jīng)受外界復(fù)雜氣候條件的侵蝕。同時(shí)，控制箱內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)起停控制回路，每年冬季結(jié)冰后，只需組織一次潛水泵就位，水泵的起停就不必人工干預(yù)了，大大減少了巡視人員的工作量。巡視人員的重心轉(zhuǎn)為根據(jù)庫(kù)水位變化及時(shí)調(diào)整潛水泵的入水深度及及時(shí)更換故障泵。

圖3 改進(jìn)后的潛水泵起?？刂茍D

3.2 電氣控制改進(jìn)

下面對(duì)控制箱自動(dòng)起停回路進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。如圖4。左半部分為主回路，右半部分為控制回路。冬季破冰開始后，將QF1 與QF2 合上，圖中T 為定時(shí)器，型號(hào)：KG316T。人工設(shè)置好定時(shí)器的起停時(shí)間后，定時(shí)器將會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)閉合或斷開T 接點(diǎn)，導(dǎo)致KM 接觸器動(dòng)作，當(dāng)KM 動(dòng)作后繼而會(huì)使?jié)撍霉ぷ骰蛲Ｖ?。?dāng)發(fā)生水泵堵轉(zhuǎn)、水下電纜線路斷線或者短路等故障后，還將引發(fā)QF1 跳閘，起到保護(hù)水泵或故障預(yù)警的作用。

圖4 控制箱內(nèi)部電氣控制原理圖

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的精髓就是將“物”和“互聯(lián)網(wǎng)”全面融合，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、物聯(lián)化、互聯(lián)化、自動(dòng)化、感知化和智慧化的基礎(chǔ)設(shè)施。通過智能化的解決方案，就可以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，從而達(dá)到“智能”狀態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示，物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)可直接與物聯(lián)網(wǎng)相連，也可以延伸經(jīng)過接入網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)核心，其中主要的通信網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)網(wǎng)、電信通信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)。多網(wǎng)絡(luò)相互融合，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐平臺(tái)為上層應(yīng)用提供技術(shù)支撐，它包括云計(jì)算與高性能計(jì)算技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、地理信息系統(tǒng)與定位技術(shù)和微電子與通信技術(shù)。應(yīng)用層直接支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行，它包括信息共享交互平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

3.3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能斷路器技術(shù)進(jìn)展

智能斷路器在傳統(tǒng)斷路器控制用電線路、保護(hù)安全用電的基礎(chǔ)上，引入電磁技術(shù)和芯片技術(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和微機(jī)處理器，斷路器逐漸開始具備智能化，依托各種傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)和各種信息傳輸技術(shù)，將控制、計(jì)量及通信等功能融于一體，可以更好的完成開斷任務(wù)和提高開斷的可靠性，實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化操作。

伴隨微電子、單片機(jī)及計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，斷路器結(jié)構(gòu)也在不斷地演進(jìn)，智能型斷路器在傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器基礎(chǔ)上引入了智能控制單元，不僅具有傳統(tǒng)斷路器的基本功能，還配有新型的電子設(shè)備，與傳感器和數(shù)字化控制裝置相配合，實(shí)現(xiàn)了斷路的電子操作，變機(jī)械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高了機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。

智能操作要求斷路器具有機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間上的可控性，目前斷路器常用的氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、液壓操作機(jī)構(gòu)和彈簧操作機(jī)構(gòu)由于中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)等因素，控制時(shí)間離散性大，其運(yùn)動(dòng)特性很難達(dá)到理想的可控狀態(tài)。采取電磁操作機(jī)構(gòu)的斷路器利用電容儲(chǔ)能、永磁保持、電磁驅(qū)動(dòng)、電子控制等技術(shù)，當(dāng)機(jī)構(gòu)確定后運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，沒有中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)，分合閘特性僅與線圈參數(shù)相關(guān)，可以通過微電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微妙級(jí)的控制，通過對(duì)于速度特性控制實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化操作。

隨著技術(shù)進(jìn)步，智能斷路器還配有了數(shù)字化各類通信接口，可以將位置、狀態(tài)、分合閘指令信息通過各種通信接口協(xié)議進(jìn)行傳輸，還可根據(jù)需要加裝顯示模塊、各種通信模塊以及各種檢測(cè)模塊，以擴(kuò)大智能操作斷路器的智能化功能。

最新一代智能型斷路器已經(jīng)集合過欠壓保護(hù)、漏電、電表、浪涌保護(hù)、定時(shí)器、多功能儀表等功能于一身，且可以多種線路開關(guān)+智能網(wǎng)關(guān)組合控制，而且可以通過PC、APP 端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)智能斷路器改造實(shí)踐

基于物聯(lián)網(wǎng)智能型斷路器可方便地用于改造控制系統(tǒng)或控制設(shè)備，可以在不新增和改造現(xiàn)有設(shè)備、充分利用舊設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過智能開關(guān)和線路改造來有效提升智能化管理手段?；诖丝紤]我們應(yīng)用了帶有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能斷路器再次對(duì)水泵的控制回路進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了比較滿意的效果。

如圖6，在接觸器的出線端增設(shè)一個(gè)具備物聯(lián)網(wǎng)功能的智能型斷路器。型號(hào)：ZJSB9-125Z。該斷路器內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)芯片，通過手機(jī)信號(hào)就可以控制斷路器，并且無距離限制，手機(jī)上只要安裝一個(gè)app 程序，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)視與控制斷路器，多達(dá)1 000 個(gè)以上用戶可以同時(shí)監(jiān)視一路斷路器，一個(gè)用戶可以監(jiān)控多達(dá)200 路智能斷路器，完全滿足工程管理的需要。如圖7 為改進(jìn)后采用的手機(jī)端斷路器的監(jiān)控狀態(tài)情況。

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制回路改進(jìn)原理

圖7 手機(jī)端狀態(tài)監(jiān)控圖

當(dāng)潛水泵故障后將觸發(fā)智能斷路器跳閘，我們?cè)谑謾C(jī)端就能隨時(shí)查看到，及時(shí)到場(chǎng)處理問題，提高了冬季破冰故障處置的效率。

3.4 進(jìn)一步思考

考慮到智能斷路器的安全性、可靠性、控制與監(jiān)視的便捷性，經(jīng)過幾年的試運(yùn)行后，我們打算對(duì)冬季破冰的控制系統(tǒng)逐步進(jìn)行升級(jí)改造。由于基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能斷路器本身就具備定時(shí)控制功能，我們擬考慮簡(jiǎn)化控制線路，控制箱內(nèi)僅保留一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)斷路器就可以實(shí)現(xiàn)潛水泵的控制了。控制箱內(nèi)部線路簡(jiǎn)化后，可以考慮在控制箱內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)軌式插座，方便壩區(qū)施工期間小型負(fù)載的臨時(shí)用電需要。其次，如果在上游側(cè)每孔增設(shè)具備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能型攝像頭，達(dá)到控制與現(xiàn)場(chǎng)互相印證，就更加完美了。

4 應(yīng)用效果

優(yōu)點(diǎn)：①采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能型斷路器后，提高了故障的處置效率，保證了冬季破冰24 h 不間斷破冰無縫銜接；②減輕了巡視人員的巡視工作量，尤其風(fēng)雪惡劣低溫異常不便現(xiàn)場(chǎng)巡視的情況下，巡視人員通過手機(jī)端就能隨時(shí)掌握破冰設(shè)施運(yùn)行情況。

5 結(jié)語

經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進(jìn)后，大黑汀水庫(kù)冬季破冰實(shí)現(xiàn)了智能化，極大提高了工程管理的現(xiàn)代化水平，減輕了運(yùn)行管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工程應(yīng)急處置的效率與能力，特別是保證了壩區(qū)冬季破冰工作始終處于可控狀態(tài)，確保了24 h 不間斷破冰，保證了溢流閘段閘門的安全越冬。