關于中小型水閘遠程控制安全措施的探討

葛海亮，邢述春，盧 興，陳雨晴，陳順平

(鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

在黨的十八大習近平總書記提出建設美麗中國的偉大目標后，水利部提出了“水利工程補短板、水利行業強監管”的水利改革發展總基調。全國各地按照“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水方針，按照“強水利、美生態、富百姓、建隊伍、保平安”的總體要求[1－2]，著力補信息化短板，全力推進水利工程泵站、閘站等水利樞紐的自動化、信息化、智能化建設。

在水利工程信息化、智能化建設中，建設工程遠程控制中心，配套工程集控管理系統，對水閘等水利工程設備實現集中監視和控制是其中一項重要建設內容。遠程控制系統，可以對水閘進行集中監視、集中控制、集中調度、集中管理，可以提高水閘運行管理的效率和效能，提升區域水利工程日常在線化管理和遠程調度控制能力。但是，在水閘實現遠程控制后，如果水閘安全措施設計不合理，保護功能不完善，會存在著重大的安全隱患，且由于水閘現地無人值班、無人值守，在出現故障、事故后，不能及時干預，時常出現水閘機械、電氣等設備的損壞，造成重大的經濟損失。

通過對多地水利工程信息化項目水閘遠程控制項目的調研以及水閘在遠程控制運行中的故障、事故分析，總結了中小型水閘遠程控制中的安全風險如下:

1.1 水閘運行中不能按照指令正確停止

水閘在收到遠程啟閉指令后，如果在啟閉運行過程中出現網絡斷網、通訊中斷等故障，水閘控制系統就不能接收遠程停止控制指令，就不能按照指令停止，如果此時水閘其他保護措施也失靈，就會出現更為嚴重的后果。

1.2 水閘運行中有異物卡阻

水閘在運行過程中，可能會出現如木棍、固體垃圾等較大的漂浮物、障礙物卡滯在水閘門槽等升降軌道內，在水閘開啟、關閉過程中，會阻礙閘門的正常升降，如不能及時正確感知，及時采取必要的措施，就會造成閘門過載。如果是卷揚機就會造成鋼絲繩因過載而拉斷；
如果是螺桿啟閉機，就會造成螺桿彎曲或閘門基座因過載而變形。

1.3 限位傳感器失靈

限位傳感器失靈是水閘在日常運行過程中常見的故障，限位傳感器也是保護水閘的最好一道保險。閘門起升過程中如果限位傳感器失靈，會造成超限拉斷閘門鋼絲繩或閘門沖頂損壞基座；
閘門下降過程中如果限位傳感器失靈，會造成鋼絲繩纏繞，螺桿頂彎等事故。

1.4 閘位儀失靈

閘位儀失靈也是水閘在日常運行過程中常見的故障，閘位儀失靈之后，會造成遠程集控系統無法監視閘門開度數據，容易引起誤判或引起閘門開關超限。

1.5 電氣故障

電氣故障也是水閘在日常運行中的常見故障，一般有電壓欠壓、過壓、相序錯誤、電流過載等。

電壓欠壓，會引起抱閘力矩不夠，卷揚機起升力矩不夠。

電壓過壓，會引起控制儀表設備超壓損壞。電源相序錯誤，會引起開閘與關閘指令與實際運行反向。

電流過載，會導致電機燒壞，嚴重的甚至會引發火災。

針對水閘在操作過程中可能出現的故障及非正常運行狀態，從現地控制系統的硬件、軟件等方面設計水閘的安全防護措施是非常必要的，通過一些安全措施可以盡量避免在遠程控制過程中出現的設備損壞，造成不必要的經濟損失。

2.1 限位雙重保護

閘門的上限位傳感器、下限位傳感器，系統各設計2套，分上上限開關信號、上限開關信號、下限開關信號、下下限開關信號。閘門正常工作行程設定在上限開關信號、下限開關信號之間，上上限開關信號、下下限開關信號為通容許工作限值。無論是通過自動化系統還是手動電控操作閘門啟閉，上升過程只要觸發上上限開關信號，上限開關信號系統聯鎖切斷上升動作；
下降過程只要觸發下下限開關信號，下限開關信號系統聯鎖切斷上升動作。

2.2 閘門卡阻保護

系統設計閘門卡阻保護算法，閘門在運行時，系統按照設定的掃描周期掃描閘門的實時開度，并與上一周期的開度值進行比較，計算出開度差值；
如果連續3個掃描周期的開度差值都小于設定值，則系統判定閘門出現卡阻，系統自動聯鎖停止運行閘門，并發出報警提示運行人員現場檢查、排除故障。

閘門卡阻保護設計有投入/退出控制字，可根據實際情況選擇投入或退出，特別是在閘位傳感器出現故障需要緊急開關水閘時，可以退出該功能，解除保護閉鎖，緊急開關水閘。

閘門卡阻保護程序及卡阻保護邏輯如圖2所示。

圖1 閘門卡阻保護程序及保護邏輯

圖2 閘位信號斷線檢測判斷邏輯

2.3 閘位信號斷線檢測機制

閘門在運行過程中，如出現閘位儀故障、失靈或閘位信號線纜松動導致的閘位信號斷線故障時，現地自動控制系統設計有斷線監測算法程序，系統自動聯鎖立即停止閘門運行，并報警提示運行人員現場檢查、排除故障。

進行閘位信號模擬量值的判斷，如閘位值在正常值范圍內，判斷正常，將閘位通道值賦值給AI＿Value[]數組，同時將閘位通道品質(一個中間量)置位0；
如閘位通道異常，將0賦值給AI＿Value[]數組，同時將通道品質(一個中間量)置位1，用于通道故障報警，并終止閘門控制程序。閘位信號斷線檢測判斷邏輯如圖3所示。

2.4 運行超時保護

閘門啟閉過程中，設計運行超時保護。水閘在收到啟閉指令后，判斷至上限、下限或目標開度的行程，根據啟閉速度，保護系統自動計算運行時間。水閘運行時保護系統啟動計時，當運行時間超過系統計算的最大運行時間時，系統自動停止閘門運行，并發出報警信號，防止由于限位傳感器、閘位儀失靈導致的故障。

2.5 啟閉機電氣量保護

傳統常規啟閉機的電氣保護都是采用熱繼電器為主，熱繼電器動作靈敏度低、動作時間長，往往在真的發生水閘卡阻電機堵轉時，不能快速切斷電機回路，造成閘門沖頂事故。為了啟閉機電氣量保護有效，在啟閉機的電氣回路設計電氣量采集元件，對啟閉機運行時的三相電流、電壓進行采集監測，為了躲開電動機的啟動電流，啟閉機電氣量保護設置為二段式。閘門電機啟動階段投入電流高值保護(保護自動退出電流低值保護)，并開始計算電機工作時間t0，如果在啟動階段電流數值大于電流高值保護設定定值，判定閘門故障；
如果電機工作時間t0大于電機啟動時間定值t1后，自動退出電流高值保護，同時自動投入電流低值保護，如果電機工作電流I不大于低值速斷電流定值Il，則閘門進行正常啟閉、否則判定閘門故障，系統自動停止閘門運行，并發出報警信號。

針對水閘在操作過程中可能出現的故障及非正常運行狀態，筆者通過多個工程的總結分析，采用加裝雙重限位裝置、設計閘門卡阻保護、閘位信號斷線檢測、運行超時保護、電氣量保護等措施，實踐檢驗是可行的，對于其他水利工程中小型水閘的類似情況，有參考價值。

當今社會技術發展日新月異，大數據、物聯網、5G無線網絡、人工智能、信息化等技術突飛猛進，新一代的信息技術正加速與經濟社會各領域深入滲透融合。要推進新時代水利現代化發展，必須全方位推進智慧水利建設，提升水安全保障能力，為水利改革發展提供有力支撐[2]。在水利信息化系統設計建設中，特別在“無人值班，無人值守”的水閘，要把安全性放在首位，水閘的安全措施要設計合理、配置齊全、行之有效。在保證安全的前提下，遠程控制系統使水閘保持運行在全自動高效安全狀態，全面提升水閘運行管理的效率和效能，對改善區域水資源調度模式，具有非常重要的意義。