高揚程提灌工程泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的探討

沈建榮

（景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400）

高揚程（具有多梯級、多電力提水機組）提灌工程在全國應(yīng)用較多，正積極發(fā)揮著水利服務(wù)農(nóng)業(yè)、服務(wù)社會的作用，是當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活的命脈。隨著計算機、通信和控制等技術(shù)的日益成熟，多年來計算機監(jiān)控系統(tǒng)在高揚程、多梯級、多機組電力提灌工程泵站監(jiān)控中的應(yīng)用，高揚程提灌工程泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)逐步成熟，并逐步使泵站向少人值守或無人值守方向推進。按照這個發(fā)展方向，結(jié)合景泰川電力提灌（以下簡稱景電）一期工程泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用實際，以穩(wěn)定可靠、實用為目的，探討性地給出高揚程提灌工程泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進一步發(fā)展的結(jié)構(gòu)和重點監(jiān)控對象，以期結(jié)合相關(guān)技術(shù)，達到泵站少人或無人值守的目的。

1 泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特點及硬件結(jié)構(gòu)

高揚程提灌工程由多梯級提水泵站組成，每級提水泵站包含有多臺水泵機組。上級泵站提水量決定下級泵站提水量及其前面的支渠供水流量。通過一級一級的泵站提水，最終把水輸送到農(nóng)田。根據(jù)多年人工和計算機監(jiān)控的實際運行，監(jiān)控系統(tǒng)由中心調(diào)度、泵站運行、現(xiàn)場等 3 層監(jiān)視和控制結(jié)構(gòu)組成。中心調(diào)度人員掌握所有梯級泵站的現(xiàn)場信息，依據(jù)供水調(diào)度計劃決定每個提水泵站開、停水泵機組；泵站運行人員掌握本泵站現(xiàn)場實際信息，接受調(diào)度人員指令開、停水泵機組，并靈活處理其它事宜（如故障等）；當(dāng)調(diào)度和泵站運行層因故均無法完成機組監(jiān)控時，需要泵站運行人員在現(xiàn)場監(jiān)控單元直接開、停機組。高揚程提灌工程需要檢測的量均可在 1s（故障時幾秒）內(nèi)在監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度中心和泵站監(jiān)控機上顯示，控制量下發(fā)的數(shù)據(jù)量很少，對實時性要求不高；但是要求計算機監(jiān)控系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)要求分層（調(diào)度中心、泵站運行、泵站現(xiàn)場）、分布（所有梯級泵站）、分散（每個泵站的每組水泵機組獨立監(jiān)控），要求泵站各層信息交換可靠暢通，滿足數(shù)據(jù)交換的需要，以達到穩(wěn)定、可靠運行的目的。

景電一期泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)于 2002 年開始研制，2003 年陸續(xù)投入運行，采用分層、分布、分散式結(jié)構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

泵站現(xiàn)場每臺機組和檢測量都由 1 臺監(jiān)控單元負責(zé)現(xiàn)場檢測和控制，實現(xiàn)機組的分散監(jiān)控。所有現(xiàn)場監(jiān)控單元通過工業(yè) CAN 網(wǎng)[1]掛接通信管理機，實現(xiàn)與泵站后臺機和調(diào)度中心的聯(lián)接。泵站后臺機作為 1 層，通過通信管理機提供的以太網(wǎng)實現(xiàn)與現(xiàn)場監(jiān)控單元（監(jiān)控層）的通信，完成監(jiān)控功能；調(diào)度中心以雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成作為 1 層，通過泵站通信管理機提供的以太網(wǎng)實現(xiàn)與現(xiàn)場監(jiān)控單元的通信，完成監(jiān)控、歷史記錄等功能。

隨著計算機和通信等技術(shù)的發(fā)展，泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)逐漸完善，向可靠性更高、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。景電一期的分層、分布、分散型監(jiān)控，使得監(jiān)控獨立、分散，即使泵站有 1 臺機組的監(jiān)控單元發(fā)生故障，也不會影響其他機組正常工作。但是由于后臺機層和調(diào)度中心層均依賴于唯一的泵站通信管理機與泵站監(jiān)控單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，使得分散式結(jié)構(gòu)打了折扣。如果泵站通信管理機出現(xiàn)故障，上層監(jiān)控就不可能實現(xiàn)。因此，由于通信結(jié)構(gòu)脆弱，景電一期泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)無法很好地達到泵站少人或無人值守的目的。這里提出 2 點改進方案，以達到泵站少人或無人值守的目的，具體如下：（1）每臺泵站現(xiàn)場監(jiān)控單元直接提供工業(yè)以太網(wǎng)[2]接口或單獨掛接以太網(wǎng)接口，通過工業(yè)以太網(wǎng)直接掛接上層的后臺機和調(diào)度中心機網(wǎng)絡(luò)，有線通信全部用以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，減少通信環(huán)節(jié)，提高可靠性；（2）作為有線通信的補充，每臺泵站現(xiàn)場監(jiān)控單元提供加密的無線通信裝置，當(dāng)有線通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，上層后臺機或調(diào)度中心機可通過無線通信裝置與泵站監(jiān)控單元實現(xiàn)全部或局部數(shù)據(jù)的交換。改進的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 景電一期泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

一般來講，高揚程、多梯級泵站均處于移動通信或聯(lián)通公司的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，成熟的 3G 技術(shù)[3]能夠保證數(shù)據(jù)交換的可靠暢通。同時，有線通信中斷不可能在多個泵站同時發(fā)生，無線通信能夠保證泵站（最多 12 臺機組）臨時通信的需要。即使所有泵站的有線通信均發(fā)生故障，中心調(diào)度計算機也能分批完成應(yīng)急的臨時需要（景電二期泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)就是中心調(diào)度機與 13 級泵站監(jiān)控機通信完成數(shù)據(jù)交換的，這里不再贅述）。

圖2 泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)示意圖（虛框表示可選）

通過以上 2 條措施，加大了分層、分布、分散型監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。每臺泵站監(jiān)控單元直接通過以太網(wǎng)與上層后臺機和調(diào)度中心以有線方式進行數(shù)據(jù)交換，達到分層、分布、分散監(jiān)控的效果。同時，通信線路、部件等故障造成泵站監(jiān)控單元與泵站后臺機層或調(diào)度中心層失去有線數(shù)據(jù)交換后，后備的無線裝置將取得聯(lián)絡(luò)，完成全部或部分（重要）數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)監(jiān)控。這樣，通過與圖像監(jiān)控等措施相結(jié)合，能夠為泵站少人或無人值守提供保障。

2 泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的重點對象

2.1 泵站前池水位及水泵機組開停趨勢監(jiān)視

泵站前池水位及水泵機組開停趨勢，能夠有效地獲知各個梯級泵站前池水位高度的變化，及水泵機組開停的變化。在多梯級泵站，調(diào)度人員通過對這 2 種變化趨勢監(jiān)視，可以探索更好開停水泵機組的方法，較好完成上水任務(wù)的調(diào)度工作，使得各個泵站前池水位變化趨緩，水泵機組開停次數(shù)減少，達到節(jié)能、減少水泵機組維護次數(shù)、減輕調(diào)度人員勞動強度等目的。前池水位及水泵機組開停趨勢、歷史數(shù)據(jù)存貯和再現(xiàn)還能夠幫助調(diào)度人員總結(jié)調(diào)度經(jīng)驗，較好完成調(diào)度工作。

2.2 水泵機組溫度趨勢監(jiān)視

水泵機組需要監(jiān)視電機、水泵軸承和電機繞組等的溫度。運行溫度偏高，水泵機組就需要檢修。所以水泵機組溫度趨勢可以很好地監(jiān)視機組電機和水泵發(fā)熱情況，及時發(fā)現(xiàn)故障苗頭，及時解決問題，減少故障和不必要的損失。由于水泵機組數(shù)量龐大，檢測量過多，因此宜采用報警、重點和常規(guī)監(jiān)視相結(jié)合等方式實現(xiàn)。

2.3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)視

根據(jù)景電一、二期泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)多年運行經(jīng)驗，設(shè)立泵站一次電氣圖、單機流量圖、開關(guān)量圖和低壓系統(tǒng)圖，將相關(guān)內(nèi)容的開關(guān)量狀態(tài)、模擬量值顯示在同一幅監(jiān)視畫面中，增強監(jiān)視的直觀性、靈活性和方便性。通過部分或全部實時數(shù)據(jù)的重點監(jiān)視，幫助調(diào)度人員更好地監(jiān)控泵站現(xiàn)場。

2.4 報警監(jiān)視

水泵現(xiàn)場的重要開關(guān)量（包括機組開停等）和模擬量需要實時報警，以引起調(diào)度人員和泵站運行人員的關(guān)注。根據(jù)景電一、二期泵站多年監(jiān)控運行經(jīng)驗，各個報警均應(yīng)設(shè)立“報警暫?！惫δ?，便于暫停因現(xiàn)場等因素造成的一些不必要的頻繁報警，使得報警監(jiān)視有效、實用。

2.5 電力開關(guān)投退和水泵機組開停

高揚程提灌工程泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)需要控制的量主要有 2 種：一種是電力開關(guān)，根據(jù)需要投退，不需要復(fù)雜判斷，投退容易；另一種是水泵機組的開停，水泵機組開停要根據(jù)多個梯級泵站的前池水位變化、多個泵站水泵機組運行變化趨勢，以及灌區(qū)支渠、獨斗渠供水量，水泵機組提水流量等決定，非常復(fù)雜。目前大多采用調(diào)度人員自行判斷后，在計算機系統(tǒng)上發(fā)令進行一對一單機開停泵站水泵機組。筆者認為可以根據(jù)調(diào)度人員多年運行經(jīng)驗，編制高揚程提灌工程泵站各梯級水泵機組開停專家系統(tǒng)，先實行專家系統(tǒng)運算判斷，經(jīng)調(diào)度人員確認選擇后執(zhí)行的方案，逐步實現(xiàn)多個梯級泵站調(diào)度自動化專家系統(tǒng)。然后總結(jié)經(jīng)驗，逐步實現(xiàn)多個梯級泵站梯級調(diào)度自動化軟件編制，最終根據(jù)灌溉需要，實現(xiàn)調(diào)度（多個梯級泵站水泵機組開停）自動化。

3 結(jié)語

高揚程提灌工程泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)對提高梯級泵站設(shè)備運行效率和管理水平，經(jīng)濟合理供水，降低能耗，確保安全生產(chǎn)等方面能發(fā)揮重要作用。多年運行證明，計算機監(jiān)控系統(tǒng)明顯減輕了調(diào)度人員和泵站運行人員的勞動強度，同時配合圖像監(jiān)控等措施，使得泵站少人或無人值守變得可能。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，調(diào)度人員勞動強度能夠進一步減輕，泵站少人或無人值守必將實現(xiàn)。

[1]杜尚豐，曹曉鐘，徐津. CAN總線測控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007，1.

[2]汪晉寬，馬淑華，吳雨川，等. 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007，8.

[3]張智江，朱士鈞，張云勇，等. 3G核心網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006，1.