拦河闸坝是水利枢纽工程中必不可少的主体建筑物之一，它担负着水电厂的发电、流域的防洪、水库的灌溉等重要的任务。随着我国水利水电行业的迅猛发展，以及水电厂“无人值班、少人值守”工作的不断深入，愈来愈多的工程项目采用了大坝自动化监控系统。这对于提高闸坝的运行管理水平和组建流域水文调度系统无疑是个重要的手段。
长期以来，我国中小型水电厂的拦河闸坝大都靠人工观测收集数据、报告运行情况、根据调度命令进行现地操作。数据受人为因素影响误差较大，而且运行维护劳动强度大，数据采集周期长，难以全面、适时地了解闸坝工况。上世纪80年代初期以来，借鉴大型水利枢纽的自动化系统经验，中小型闸坝的自动化建设经历了单片机的采用、PLC(可变成逻辑控制器)和总线方式的引入等几个阶段，逐步形成了今天基于全开放、分层分布式水电厂自动化监控系统下的闸坝远方监控系统。本文主要结合四川雅安电力股份有限公司所属几个骨干水电站在闸坝自动化方面的运用和实践，讨论闸坝远方监控系统的技术条件和技术措施。
一、闸坝自动化监控系统的技术条件
一套比较完善的闸门自动化监控系统，是基于在线自动测量技术、自动控制技术、计算机技术、图像监控技术，以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测、统计、处理、控制系统。它按“无人值班、有人看护”要求进行系统设计，基本不需要运行管理人员，因此它应该具备以下几个条件：
1．具有独立的监控功能。在分层分布式水电厂自动化监控系统中，按照控制对象的分布设置，闸坝监控部分仅作为其中的一个设备单元，利用通信通道连接到资源共享的网络上实现分散控制。根据IEEE对分布式系统的要求，各现地单元应具备自治性、模块性和并行性。
也就是说，闸坝的监控系统作为一个独立的现地监控模块，在不依靠其他系统的支持下，能够自行完成数据采集、现地集中操作和控制功能。在系统结构组成上应以此为前提。
2．具有远程控制、调节能力。要实现“无人值班”，闸坝监控系统不仅应该具备现地的各种监视、操作、控制功能，更主要必须保证与远方控制系统数据交换，上送有关信息，同时接收主控系统的命令，实现远程控制和调节。
3．具有大坝安全检测系统。大坝的安全关系到水库的正常运行及下游城乡人民的生命财产安全，系统的功能设计应该遵照原电力工业部《水电站大坝安全管理办法》，并结合水电厂实际情况，可以采用一个或几个大坝安全自动监测子系统，如大坝渗流、变形(位移)、扬压力、强震自动监测系统和图象监控等，以便及时发现隐患，为水库的安全运行提供有力的保障。
二、自动监控系统
1．主体结构。在全开放、分层分布式水电站监控系统中，闸坝监控作为一个现地控制子系统，目前主要采用集中式和分散式两种结构形式。
(1)集中式监控系统的结构配置图见图1。
图1 集中式监控系统配置图
在集中式闸坝监控系统中，PLC是整个系统的控制核心，所有开关量、模拟量、主控系统的下发指令，以及用总线方式连接的智能仪表的相关数据，由PLC直接采集，再通过数据处理和逻辑判断后，一方面按照设计流程输出开出量控制，另一方面由通讯模块上送信息至电厂级监控系统，进一步的显示和汇总处理由后台监控系统完成。
(2)分散式监控系统的结构配置见图2。
图2 分散式监控系统配置图
分散式监控系统的工作原理与集中式监控系统类似，不同的是，在分散式控制系统中增加了一层现地控制终端，一般以每孔闸门为单元，将与该单元有关的数据采集和控制集中到一起。这对于闸门数量较多，每孔闸门的输入、输出控制信号要求较多的闸坝，是一种优先选择的工作模式，但投资也较大。
2．库区水情监控。库区水情监控是大坝运行管理工作的主要环节。自动监控系统应该能够实时监测库区水位、拦污栅前后水位差、水位上升速率、闸坝上下游流量等重要水情资料。一方面为调度系统或者具有AGC、AVC功能的自动化厂站提供经济运行的基础数据；另一方面当所采集的数据超过相应警戒线，现地控制单元应该按照相关流程，自动向闸坝看护人员、厂区中控室、调度室逐级报警，甚至紧急情况下有自动泄洪功能。其中流量的测量比较复杂，要达到长期自动测量河道流量的目的，一般采用超声波时差法测流和超声波多普勒横向测流两种方式，目前国内使用极少，可综合考虑投资进行取舍。当然也可以通过经验公式由后台粗略计算闸门泄水流量。
3．闸门群控制。库区水位的调整是由闸门的控制来实现的。要实现远方监控，大坝闸门控制就必须可靠、安全、迅速和准确。为此，系统对每孔工作闸门工况应实时监测，同时在安全保障和输出控制方面应该有一定的保护措施。以下提供在流程设计过程中的一些保护手段：
(1)利用机械位置接点和开度仪预置值，实现机械和电气双重闭锁，避免闸门在全开和全关过程中过限；
(2)对液压启闭机应考虑下滑回升或自平衡同步纠偏功能；
(3)通过荷重传感器监测闸门荷重的电压或电流信号，当闸门荷重大于预警值(额定荷重的90%)时向中控室报警，当大于超载值(额定荷重的110%)时报警并切断相关回路；
(4)在常规大坝运行中，容易出现闸门升、降接触器烧结的现象，这对于无人值班闸坝是比较严重的事故，所以不仅要在PLC流程中加入动作时限，而且应充分重视对接触器和其他二次元件的设备选型。
4．其他重要设施、设备监控。闸坝监控系统必须有可靠的电源作保障，对于无人值班闸坝，系统应适时监测大坝配电柜的电压、电流(可通过电压变送器和电流变送器以4-20mA的信号采集)以及负荷开关状态。同时可以考虑双电源的备用自投系统。
廊道集水井的抽水在常规闸坝的运行中靠人工完成，监控系统应该实现集水井的自动抽水功能。
5．坝体安全监测系统。渗水是大坝安全的一大隐患。可以在大坝各断面测压管中安装压力传感器，数据采用巡回检测方式采集。后台主控系统可以保存检测数据，对数据进行分析处理，并可生成各种变化过程曲线，这有利于大坝安全数据分析，及时发现并消除隐患，为水库的安全运行提供有力的保障。
大坝安全自动监测系统也可以包括其他子系统，如大坝扬压力、变形(位移)、强震等等，可结合实际情况，在设计中综合考虑工程规模、投资进行取舍。
6．遥视系统。有条件的可增设遥视系统，用于监视缆道测流、闸后的风暴潮、闸门的大致开度。视频信号通过有线传输至主控室视频服务器，由视频服务器内对视频信号进行采样、压缩、存入硬盘中。水文站计算机则可通过专用光纤调用视频服务器内的视频数据在大屏幕或投影仪上显示，以后还可通过光纤等传输手段把图像信号传至市水文水资源中心。
7．数据共享及通讯。闸坝远方监控系统的传输体制主要包括自报式、招测式、混合式三种形式。通道介质可以采用光纤、载波、双绞线、PSTN、卫星、GSM、短波、超短波等。为保障通道的可靠性，建议采用双通道互为备用。
8．系统防雷措施。处于雷电多发地区的闸坝，为避免监控系统遭受雷电的破坏，可以采取以下防雷保护措施：
(1)环境防雷：完善闸坝避雷针、避雷带以及地网系统，防止直击雷的破坏；
(2)动力电源防雷：在电源总入口处的三相动力线上，安装大电流“电源防浪涌保护器”，防止直击雷或感应雷经动力电源线串入监控系统；
(3)数据网络防雷：在数据线接口处加装“数据网络避雷器”，裸露于室外的设备外壳加屏蔽罩并可靠接地。
本文所提及的闸坝自动化监控系统，在雅安电力股份有限公司所属骨干水电站进行了应用，但目前只部分实现了闸坝自动化监控功能。通过两个以上汛期的考验，证明该系统能够大大提高水资源利用率，降低了运行人员的工作强度，同时也提高了防汛减灾的综合能力。公司将继续完善其功能，使其发挥更大效益。
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