燕山水庫工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

□王千飛（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

一、工程概況

燕山水庫在沙潁河主要支流澧河上游干江河上，是歷次淮河流域規(guī)劃中為提高沙、澧河防洪標(biāo)準(zhǔn)和綜合利用澧河水資源而選定的大型綜合利用水庫，是19項(xiàng)治淮重點(diǎn)工程之一，亦是河南省"十五"計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目。本工程以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用效益，主要永久建筑物有水電站、溢洪道、泄洪洞、輸水洞和大壩組成。水電站安裝3臺單機(jī)容量為630kW的立式水輪發(fā)電機(jī)組，電氣主接線采用三機(jī)二變擴(kuò)大單元接線方式，并以一回35kV出線接入電力系統(tǒng)。溢洪道設(shè)有6孔弧形鋼結(jié)構(gòu)閘門，采用液壓啟閉方式。泄洪洞進(jìn)口、輸水洞出口各工作閘門均設(shè)有1孔弧形鋼結(jié)構(gòu)閘門，均采用液壓啟閉方式。

燕山水庫工程于2008年6月通過蓄水階段驗(yàn)收并正式下閘蓄水，水電站3臺機(jī)組于2008年12月通過機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收。燕山水庫主體工程現(xiàn)在已經(jīng)完工，工程已進(jìn)入掃尾階段。

二、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

燕山水庫工程水電站、閘門兩部分具有相對獨(dú)立的功能，且布置在不同的位置。為適應(yīng)本工程的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按兩個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)工程運(yùn)行和管理的實(shí)際需要，以及我國水利水電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平，確定計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

一是本著技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，按計(jì)算機(jī)為主、常規(guī)設(shè)備為輔的監(jiān)控方式進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置。系統(tǒng)投運(yùn)后能滿足“無人值班”（少人值守）的要求；二是采用技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行成熟的全分布開放式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)的軟硬件安全可靠，能在工程現(xiàn)場的惡劣環(huán)境下長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；三是系統(tǒng)配置和設(shè)備選型能適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，既便于功能和硬件設(shè)備的擴(kuò)充，又能充分節(jié)省用戶投資；四是軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，使監(jiān)控系統(tǒng)更適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充；五是人機(jī)接口功能強(qiáng)，操作方便，全漢化界面，顯示的畫面和打印的文件清晰醒目；六是實(shí)時(shí)性好，防雷擊、抗干擾能力強(qiáng)等。

除滿足上述要求外，對于水電站監(jiān)控系統(tǒng)，要按照綜合自動(dòng)化的要求，能夠穩(wěn)定、可靠的與調(diào)度中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)的功能。對于閘門監(jiān)控系統(tǒng)，要與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，傳輸閘門監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與水情測報(bào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，傳輸水情測報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)及控制指令。

三、水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)絡(luò)的開放式環(huán)境下全分布計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，分為主控級和現(xiàn)地控制級，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控級布置在電站中央控制室，設(shè)有1臺操作員工作站，1臺工程師工作站，1臺通信工作站，1套在線式UPS電源，1臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等設(shè)備?，F(xiàn)地控制級共設(shè)4套控制單元（LCU），其中3套用于機(jī)組，1套用于開關(guān)站及公用設(shè)備。系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1套，主控級與現(xiàn)地控制級間用10/100Mbps光纖以太網(wǎng)連接。

操作員工作站采用CPU為64位的Sun Ultra5工作站，配置21吋顯示器，完成全站設(shè)備的監(jiān)控，取代了常規(guī)設(shè)備的所有功能。工程師工作站采用1臺CPU為64位的Sun Ultra5工作站，用于培訓(xùn)仿真，系統(tǒng)維護(hù)，兼具操作員工作站的全部功能，可作為操作員工作站的備用機(jī)。通信服務(wù)器采用1臺ICA2000工控機(jī)，配有Modem用于與調(diào)度中心通信，同時(shí)還與GPS衛(wèi)星時(shí)鐘通信。

現(xiàn)地控制級LCU主要由數(shù)據(jù)采集單元（Modicon PLC）、液晶觸摸屏、電量采集裝置、溫度巡檢裝置以及微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置組成。現(xiàn)地控制級LCU采用PLC直接上以太網(wǎng)的通訊方式，可實(shí)現(xiàn)高速通訊和資源共享。

（二）系統(tǒng)功能

1.數(shù)據(jù)采集與處理

信號類型分為模擬量、開關(guān)輸入量、脈沖量、開關(guān)輸出量，以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)量。

2.控制和調(diào)節(jié)

對電站自動(dòng)化設(shè)備，包括機(jī)組及其附屬設(shè)備、油壓裝置、高低壓空壓機(jī)、滲漏排水泵、檢修排水泵、高低壓斷路器等都通過順控流程進(jìn)行控制。對機(jī)組有功、無功進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)及AGC/AVC控制調(diào)節(jié)。

3.通信管理

與外部設(shè)備通信獲取信息，如GPS時(shí)鐘系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、電量采集裝置、溫度巡檢裝置、微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)勵(lì)磁裝置、微機(jī)直流裝置、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、電力調(diào)度系統(tǒng)等。

4.畫面顯示

畫面調(diào)用允許自動(dòng)及召喚方式實(shí)現(xiàn)。整個(gè)畫面顯示清晰穩(wěn)定、畫面構(gòu)圖合理、刷新速度快且操作簡單。

5.輔助運(yùn)行管理

具有事故記錄和追憶、操作票自動(dòng)生成功能。支持運(yùn)行日志、月報(bào)表、年報(bào)表。統(tǒng)計(jì)并記錄機(jī)組、輔助設(shè)備開停次數(shù)，斷路器合閘、跳閘次數(shù)以及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，為電站管理層提供合理安排運(yùn)行和檢修計(jì)劃的依據(jù)。

（三）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件基于UNIX/RISC技術(shù)，是一個(gè)開放的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件，其人機(jī)接口采用X窗口系統(tǒng)，Motif用戶界面，包括圖形顯示、報(bào)表和記錄的顯示打印、報(bào)警及信息顯示、功能鍵盤管理、應(yīng)用系統(tǒng)管理等功能。網(wǎng)絡(luò)通信使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并采用Client/Server模型。其數(shù)據(jù)庫是一個(gè)基于開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的面向?qū)嵤┍O(jiān)控的監(jiān)控對象的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫加載、運(yùn)行處理、備份及數(shù)據(jù)存取處理，各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)共享。軟件系統(tǒng)還配有AGC/AVC、交互式圖形編輯、報(bào)表編輯等模塊。

四、閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由閘門監(jiān)控主機(jī)、現(xiàn)地PLC站等組成，監(jiān)控主機(jī)布置在溢洪道右岸橋頭堡3層的信息管理中心內(nèi)。監(jiān)控主機(jī)采用研華IPC工控機(jī)，配置21吋顯示器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。溢洪道6孔工作閘門、泄洪洞和輸水洞各1孔工作閘門均配置一套現(xiàn)地PLC站，現(xiàn)地PLC站均布置在各自啟閉機(jī)旁。現(xiàn)地PLC站除配置ModiconPLC模塊外，還設(shè)有觸摸屏、閘門開度以及其他測控儀表等。閘門監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主控級計(jì)算機(jī)連接；通過以太網(wǎng)口與現(xiàn)地共8套PLC連接。閘門監(jiān)控主機(jī)可以接受遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的指令，并通過網(wǎng)絡(luò)上送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閘門計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（二）系統(tǒng)功能

1.手動(dòng)操作功能

通過設(shè)在閘門啟閉機(jī)附近的現(xiàn)地PLC站內(nèi)的常規(guī)設(shè)備對閘門進(jìn)行開啟、關(guān)閉及停止操作。現(xiàn)地PLC站上設(shè)有手動(dòng)/現(xiàn)地自動(dòng)/遠(yuǎn)程自動(dòng)選擇開關(guān)，手動(dòng)操作具有最高優(yōu)先權(quán)。

2.現(xiàn)地自動(dòng)控制功能

通過現(xiàn)地PLC站內(nèi)的PLC對閘門進(jìn)行單門開啟、關(guān)閉和停止操作，以及按人工設(shè)定單門開高對閘門進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.遠(yuǎn)方控制功能

閘門監(jiān)控主機(jī)接受遠(yuǎn)方調(diào)度指令，按人工設(shè)定閘門開高或按水情測報(bào)給定泄洪流量，自動(dòng)分配單門和合分組流量，對閘門進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)總流量閉環(huán)控制。

4.液壓系統(tǒng)控制功能

包括對油壓裝置油泵、比例閥組進(jìn)行自動(dòng)控制，以及根據(jù)需要對油缸和閘門進(jìn)行糾偏控制和持住控制等。

5.實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

對泄洪流量、閘門開度值、閘門上下限位置、液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，自動(dòng)打印運(yùn)行報(bào)表、操作記錄、故障報(bào)表等。

6.監(jiān)測報(bào)警功能

包括主機(jī)自檢、PLC故障檢測、閘門開度儀故障檢測、液壓啟閉系統(tǒng)設(shè)備故障檢測、閘門卡阻及越限、閘門下滑及油缸超差的檢測與報(bào)警等。

為確保閘門操作安全和可靠，閘門的3種控制方式的優(yōu)先權(quán)從高向低按手動(dòng)操作，現(xiàn)地自動(dòng)控制,遠(yuǎn)方自動(dòng)控制排序，各級之間互相閉鎖。

（三）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件基于Windows95/NT操作平臺，具有閘門運(yùn)行過程中的信息采集與處理、實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)、安全運(yùn)行監(jiān)視、故障診斷與報(bào)警、記錄和報(bào)表、屏幕顯示、操作指導(dǎo)等功能。具有單門泄洪量和總泄洪量統(tǒng)計(jì)功能，以及根據(jù)水情測報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，設(shè)定下泄總流量及對閘門進(jìn)行自動(dòng)控制等功能。

此外，系統(tǒng)軟件建立嚴(yán)格的用戶權(quán)限管理體系，即針對不同的用戶分配不同的權(quán)限，特別是對重要的操作，如閘門的控制，只有權(quán)限較高的用戶才能使用，確保系統(tǒng)具有較高的安全性。

五、結(jié)語

燕山水庫工程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各部分運(yùn)行情況表明該系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能滿足本工程對設(shè)產(chǎn)設(shè)備全面監(jiān)視和控制的要求，顯著提高了工程運(yùn)行的自動(dòng)化水平和現(xiàn)代化管理水平，方便了運(yùn)行維護(hù)人員的工作，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本，最大限度的保證了工程安全、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)，在防洪、發(fā)電、供水等綜合效益方面必將發(fā)揮重要作用。