自動化控制系統(tǒng)在萬家寨引黃工程輸水運行中的應用

王吉生

（山西省萬家寨引黃工程管理局偏關分局 偏關 036400）

1 萬家寨引黃工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)概述

山西省萬家寨引黃工程是一項跨流域引水工程，是維系國家能源重化工基地發(fā)展的生命工程，由于該工程所處地形非常復雜，沿線建筑物眾多，這種大流量、長隧洞、高揚程、級間串聯(lián)、級梯泵站與封閉式輸水隧洞相連接、泵站內(nèi)多臺機組并聯(lián)的復雜系統(tǒng)在國內(nèi)是唯一的。2002年10月，引黃工程實現(xiàn)了全線試通水，2003年10月26日，一期工程向太原市供水，開始發(fā)揮工程效益。為了保證安全可靠運行，引黃工程引入世界先進技術計算機自動控制系統(tǒng)，于2004年7月21日至23日，自動化監(jiān)控系統(tǒng)成功完成了72 h試運行，工程全線實現(xiàn)了遙控、遙測、遙調(diào)、遙信功能，取得了世人矚目的科技成績，主要科技創(chuàng)新點達到了國際領先水平。

引黃工程的自動化監(jiān)控范圍包括五座大型泵站、450多km沿線的所有輸水設施、兩個調(diào)節(jié)水庫和三個流量調(diào)節(jié)閥等，其控制規(guī)模之宏大、運行工況之復雜，在國內(nèi)外大型工程自動化控制領域里是極其罕見的，它所具有的挑戰(zhàn)性和艱巨性為世人所矚目。

2 自動化系統(tǒng)的組成

萬家寨引黃工程自動化系統(tǒng)由計算機監(jiān)控系統(tǒng)(CSCS)、工業(yè)電視系統(tǒng)（ITVS）、水力量測系統(tǒng)（HMS）以及外圍的通信系統(tǒng)組成。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)又由太原調(diào)度控制中心、總干三級泵站、總干一/二級泵站、南干線一級泵站、南干線二級泵站、聯(lián)接段六個單元工程以及站控級以下的31個現(xiàn)地控制單元組成，每個子系統(tǒng)均為開放式分層分布結構，各子系統(tǒng)的計算機設備采用局域網(wǎng)將各節(jié)點相接，各子系統(tǒng)之間采用廣域網(wǎng)相連；主干通信系統(tǒng)采用SDH光纖，由總干一級站、總干二級站、總干三級站、南干一級泵站、南干二級泵站、下土寨分水閘等站點構成了一個完整系統(tǒng)的核心環(huán)網(wǎng)，傳輸速率為155.520 Mbit/s，通信環(huán)網(wǎng)的保護模式采用二纖單向通道保護環(huán)。光纖線路采用架空電纜和無金屬自承式光纜（ADSS）。核心環(huán)網(wǎng)至聯(lián)接段和太原調(diào)度中心采用155.520 Mbit/s數(shù)字微波系統(tǒng)，并配有備用通信通道。聯(lián)接段各個RTU為一個單獨的一個多址的微波系統(tǒng)，通信速率64Kbit/s。水力量測系統(tǒng)的6個站點為800MHz無線通信系統(tǒng)，無線通信終端為MCU的提供RS-232，RS-485通信接口。為與通信系統(tǒng)接口，計算機監(jiān)控系統(tǒng)設置了多個2 Mbit/s的通信接口，聯(lián)接段RTU為64Kbit/s的通信接口；為與通信系統(tǒng)接口，工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)也設置了多個2 Mbit/s的通信接口。

工業(yè)電視系統(tǒng)是電視技術在安全技術防范領域的新應用，該系統(tǒng)借助于光纖和微波對現(xiàn)地或遠方進行實時圖像監(jiān)控，及時真實的直接觀察廠房內(nèi)外各主要設備的運行狀態(tài)和工作環(huán)境，進行現(xiàn)場作業(yè)的指揮和重要操作的錄像，提高了對突發(fā)事件的反映能力，為實現(xiàn)將事故消滅在萌芽狀態(tài)提供了一個直接有力的手段。該系統(tǒng)由分布在沿線的七個子系統(tǒng)組成。

水力量測系統(tǒng)由分布在沿線的水位計、流量計、含沙量測量儀以及測量控制單元組成，主要完成數(shù)據(jù)在線采集和傳送。

系統(tǒng)正常運行時，由太原調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)對全線各泵站、變電站、水庫、取水口、南北干線分水閘、聯(lián)接段各閘門和閥門進行遠方監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、自動實時控制、輸水調(diào)度及運行管理。當太原調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)由于通信通道中斷或故障而失去監(jiān)控功能后，備用調(diào)度控制中心---總干三級泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)將執(zhí)行對總干一、二、三級泵站，南干一、二級泵站，北干大梁泵站所有設備的自動控制，但不包括聯(lián)接段設備。計算機監(jiān)控系統(tǒng)(CSCS)為分層系統(tǒng)，包括六個計算機系統(tǒng)，分別為太原調(diào)度中心系統(tǒng)（TCS），總干一、二級泵站控制系統(tǒng)（GM12CS），總干三級泵站控制系統(tǒng)（GM3CS），南干一級泵站控制系統(tǒng)（SM1CS），南干二級泵站控制系統(tǒng)（SM2CS），聯(lián)接段控制系統(tǒng)（CWCS）。六個控制系統(tǒng)都配有現(xiàn)地控制單元（LCU），遠方控制單元（RCU）和接口裝置。

3 系統(tǒng)的先進性和作用

自動化系統(tǒng)的先進性主要是將計算機監(jiān)控技術、網(wǎng)絡技術以及仿真技術應用于引黃工程這個極其復雜的被監(jiān)控對象中，以實現(xiàn)遙測、遙控、遙調(diào)和遙信功能，同時保證系統(tǒng)在安全可靠的前提下達到經(jīng)濟運行，

輸水系統(tǒng)內(nèi)引起流量不平衡的因素主要是萬家寨水庫水位的變化及申同嘴水庫的水位變化、申同嘴水庫的下泄流量和總干三級泵站流量因制造原因和正常磨損以及泥沙的磨蝕等因素造成機組的運行特性不一致，同一泵站中各臺水泵的運行方式不同造成的流量變化、系統(tǒng)啟/停過程中的流量變化、電力系統(tǒng)及其它設備出現(xiàn)故障而引起水力過流過程的變化、閘閥的控制精度造成的流量不平衡等，同時由于引黃工程的地形結構、水工建筑物以及機電設備的局限性，造成全系統(tǒng)運行工況復雜、運行難度大。為了解決流量平衡以及系統(tǒng)設備安全性等問題，引黃工程先后邀請有關科研單位對該系統(tǒng)進行模擬仿真計算，但是所能完成的只是該系統(tǒng)分段的水力學過渡過程計算。為此項目組對該問題高度重視，應用先進的仿真平臺軟件并與承包商一起研究開發(fā)，終于完成了此項國內(nèi)國際自動控制領域及仿真技術中難度最大的又極具挑戰(zhàn)性的科技成果。

該仿真系統(tǒng)將水力量測系統(tǒng)采集到的沿線水位、流量等數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡上傳到太原調(diào)度中心，按照需水要求進行計算機仿真，水力學仿真、水力學過渡過程計算等程序計算，形成一個經(jīng)濟安全的運行計劃并下達到調(diào)度臺，調(diào)度臺將按照該計劃進行全系統(tǒng)自動執(zhí)行輸水運行方案、自動啟停和切換泵組設備、自動完成流量平衡調(diào)節(jié)等，可實現(xiàn)不棄水或盡量少棄水，為系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟運行提供了有力的手段。

為了保證全系統(tǒng)設備和沿線的水工建筑物的安全可靠運行，報警系統(tǒng)采用了工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、畫面報警顯示、語音報警提醒以及手機短消息系統(tǒng)，將出現(xiàn)的各種報警和現(xiàn)場運行情況及時傳遞給值班人員和值守的維護人員，以便在短時間內(nèi)解決問題。同時，先進的網(wǎng)絡結構和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)有序性保證了系統(tǒng)的正常運行，自動化系統(tǒng)提供了目前國內(nèi)最為先進的軟硬件設備。

4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制的難點和實現(xiàn)的功能

引黃工程由于沿線的水工建筑物和機電設備的調(diào)節(jié)能力非常有限，該工程輸水要做到安全、可靠、經(jīng)濟運行，五座泵站梯級引水要實現(xiàn)等流量控制以達到流量平衡，對其自動化計算機監(jiān)控系統(tǒng)提出了很高的要求。它將對6座大型水泵站（包括泵站內(nèi)所有開關設備）、7座大型取水分水閘、3座大型調(diào)節(jié)閥站、70多座大型閥室的設備進行監(jiān)視控制和調(diào)節(jié)，對4座水庫、450多km的隧洞、管道、渡槽等水工建筑物進行監(jiān)測，并對以上設備、設施進行有效統(tǒng)一的調(diào)度和管理。

4.1 控制難點

通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)和實施，攻克了以下難點：

（1）解決了全線等流量控制并實現(xiàn)流量平衡。

（2）使總干一、二級泵站之間和南干一、二級泵站之間保持串聯(lián)方式運行，不向外分水。

（3）由于工程以封閉隧洞輸水為主，引水隧洞多為無壓隧洞，隧洞凈空一般控制在橫斷面面積的20%，調(diào)節(jié)能力很小，沿線很少有其它調(diào)節(jié)水庫，系統(tǒng)要求等流量控制運行，運行時解決了萬家寨水庫水位變化而導致的申同嘴水庫下泄流量和總干三級泵站出水流量不一致問題；解決了同一型號機組因制造原因和運行后磨蝕等因素造成出水流量不一致問題。

（4）解決了由于各級泵站管道并聯(lián)運行方式不同所造成泵站級間流量不平衡問題。

（6）在正常運行時整個輸水系統(tǒng)中的泵站、水庫和多個調(diào)節(jié)控制閘閥之間必須協(xié)調(diào)一致地進行工作，才能使輸水建筑物水位不超過最高運行水位，以保持各級泵站之間的流量平衡，與此同時要盡量解決棄水問題，達到不棄水，系統(tǒng)解決了該復雜問題。

（7）在事故情況下，要解決由于任一泵站中的全部或部分機組跳閘而引起其它泵站的機組相應停機的問題，否則因各泵站的抽水流量不同，水在輸水建筑物中可能被抽空或出現(xiàn)封頂，使無壓洞變成有壓洞，從而使工程遭到破壞，系統(tǒng)解決了該復雜問題。

（8）解決泵站前池可能發(fā)生的棄水，或因水位不斷下降以致被抽干，造成水泵產(chǎn)生氣蝕、機組損壞的問題，控制策略采取了國內(nèi)外還未曾應用的“水位控制和小流量控制”相結合的方式。

（9）由于聯(lián)接段部分為多級有壓輸水管線，基本無緩沖水工建筑物，而且需要連續(xù)對呼延水廠保持不間斷等流量供水，采用“高壓力淹沒式套筒閥”對聯(lián)接段285 km沿線進行控制和調(diào)節(jié)，解決聯(lián)接段流量調(diào)節(jié)閥與其它閥室之間的精確控制問題，。

（10）解決各種復雜工況之間的相互轉化。

（11）解決452 km沿線的水力學仿真計算和水力學數(shù)學模型的建立，并能指導運行；

（12）實現(xiàn)“無人值班，少人值班”的運行原則。

4.2 主要功能

（1）數(shù)據(jù)采集與控制：采集全線各監(jiān)控站上傳送來的所有機電設備和水力學的模擬量、開關量、肪沖量等數(shù)據(jù)，對全線所有機電設備和水力學的運行情況進行全面監(jiān)視，包括沿線輸水隧洞的水位、流量和泄漏情況的監(jiān)視，以及輸水系統(tǒng)的實時仿真；對全線主機電設備的運行進行控制和調(diào)節(jié)（包括各水泵電機的開/停機操作，變速機組的轉速調(diào)節(jié)，各斷路器、隔離開關和接地刀閘的跳/合操作，萬家寨取水閘門的的開/關操作，申同嘴水庫弧形閘門的開/關操作和開度調(diào)節(jié)，申同嘴流量調(diào)節(jié)閥的開/關操作和流量調(diào)節(jié)，聯(lián)接段進水塔放水閘門的開/關操作，聯(lián)接段各流量調(diào)節(jié)閥的開/關操作和流量調(diào)節(jié)，聯(lián)接段各檢修閥、輸水閥、旁通閥的開/關操作等）；

選取樁徑為500 mm，樁長為24 m的CFG樁進行沉降計算。計算場地平面長度27 m，寬度14 m，計算荷載為滿堂450 kPa，計算簡圖見圖2所示，基底應力計算結果如表3所示。

（2）水量和流量平衡控制：計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)輸水調(diào)度計劃要求的輸水量，在維持整個輸水線路的輸水量和前池水位基本不變的情況下，并考慮沿線水工建筑物的水位和凈空等相關限制條件，自動確定各泵站開/停機的臺數(shù)以及變速機組的轉速；

（3）無功功率控制：通過控制各泵站變壓器的抽頭位置、調(diào)節(jié)水泵電動機的功率因數(shù)或無功功率來滿足系統(tǒng)對各泵站的無功要求，并維持10kV母線電壓的穩(wěn)定，確保泵站的供電質(zhì)量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；

（4）優(yōu)化調(diào)度：太原調(diào)度中心系統(tǒng)（TCS）計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)終端用水量，汾河水庫近期和遠期天然來水量，并結合當前汾河水庫蓄水狀況以及汾河水庫的調(diào)節(jié)能力，制定出總干和南干的輸水調(diào)度計劃表，通過自動、半自動或手動方式執(zhí)行該計劃表。該部分的實施需要靠水力學控制軟件的參與才能完成；

（5）經(jīng)濟運行：在滿足輸水量的前提下，保證整個輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在此情況下，使整個系統(tǒng)棄水量最少，能耗最?。?/p>

（6）事故分析和處理：當輸水線路中任何一處或多處發(fā)生事故時，如水泵事故停機、變壓器設備或輸電線路出現(xiàn)故障而被迫停機、輸水線路事故等，太原調(diào)度中心計算機系統(tǒng)將根據(jù)可能出現(xiàn)的故障情況制定出處理措施，自動實現(xiàn)相應泵站水泵的啟/停程序，以保證水工建筑物的安全；

（7）安全分析：調(diào)度員可通過安全分析功能來分析與整個輸水系統(tǒng)有關的流量、水位、閘門、閥門、水泵、電力設備等是否存在故障隱患。對于存有安全隱患的設備，提前告警調(diào)度員，以便采取措施使其處于良好的狀態(tài)。計算機系統(tǒng)包括靜態(tài)安全分析和動態(tài)安全分析功能；

（8）與其他系統(tǒng)的通信：通過太原調(diào)度中心通信服務器完成與忻州電力調(diào)度系統(tǒng)、水資源調(diào)度系統(tǒng)、水情測報系統(tǒng)、呼延水廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)、全線水工建筑物監(jiān)測系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)以及太原調(diào)度中心系統(tǒng)（TCS）的UPS電源的通信。通過總干三級泵站通信服務器完成與水力量測系統(tǒng)各獨立測站的通信，采集沿線輸水隧洞的水位、流量、流速等信號；

（9）遠方告警功能：當系統(tǒng)產(chǎn)生報警時，直接撥號告警前置處理計算機以文本形式將報警信息發(fā)送給程控交換機（PABX）和無線尋呼系統(tǒng)，通過電話、手機將報警信息傳遞給有關人員；

（10）培訓仿真器功能：培訓臺和試驗LCU作為離線培訓用，用于培訓運行操作人員和系統(tǒng)維護人員；數(shù)據(jù)接口管理系統(tǒng)(DIMS)和MOUSE軟件仿真計算機用于水力學仿真和水力學計算，模擬整個輸水線路及其設備運行能力，仿真預想某種狀態(tài)和運行工況；

各泵站及聯(lián)接段計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要完成其監(jiān)控范圍內(nèi)主要機電設備的運行控制和調(diào)節(jié)，對監(jiān)控范圍內(nèi)所有機電設備和水工建筑物的運行情況進行全面監(jiān)視，并接收站內(nèi)其他設備傳來的信息，同時與調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，傳送調(diào)度中心需要的信息，接收調(diào)度中心下達的調(diào)控命令。

5 安全、可靠和經(jīng)濟運行

計算機監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）主要是監(jiān)視和控制整個輸水線路的所有設備，對正常或異常的設備進行自動控制，實現(xiàn)遙控、遙信、遙測、遙調(diào)以保證系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行。安全和可靠運行所關注的是達到和維持輸水線路的流量平衡，經(jīng)濟運行關注的是設置運行目標（例如：輸水調(diào)度目標的最優(yōu)計劃），即經(jīng)濟運行關心的是計劃從一個輸水流量到另一個輸水流量的轉變。

安全運行的原則：當輸水線路中任何一處或多處發(fā)生故障或緊急情況時，如機組變壓器設備、輸電線路或輸水線路水工結構事故等，太原調(diào)度中心計算機系統(tǒng)即根據(jù)事故情況自動實現(xiàn)相應的啟/停程序，以保證整個水工建筑物的安全，為此太原調(diào)度中心使用數(shù)學模型、水力學計算和過渡過程計算來分析情況，以確定相應的處理措施。

可靠運行的原則：當監(jiān)視控制功能或通信線路由于故障或因某種原因不能工作時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)能夠獨立對輸水系統(tǒng)進行自動控制。

經(jīng)濟運行的原則：提高申同嘴水庫流量閥門的控制精度，以便在水庫水位變化的情況下維持一個穩(wěn)定的流量并與GM3的流量相匹配；申同嘴水庫應運行在低水位范圍內(nèi)；盡可能減少GM1和GM2水泵的啟/停次數(shù)；GM1和GM2應該有相同臺數(shù)的水泵運行在高效區(qū)內(nèi)；當GM1/GM2的抽水流量小于GM3的抽水流量時，申同嘴水庫不進行調(diào)蓄，閥門全開運行；變速水泵在正常運行情況下執(zhí)行流量調(diào)節(jié)，并執(zhí)行整個輸水系統(tǒng)的啟動和停止。出水池的出水閘門全開為宜；當泵站啟動時，前池水位應高于設計水位低于溢流水位；正常運行時GM3有2-3臺變速泵，SM1、SM2有1臺變速泵參與運行并進行流量調(diào)節(jié)，變速泵投入臺數(shù)少，可節(jié)省電能；盡量減小前池棄水，消除水的波動；變速機組轉速調(diào)節(jié)范圍在94%～100%之間較經(jīng)濟；遠期運行時GM3的擴大前池允許水位變幅為1218.19～1219.19，可以滿足±1 m3/s不平衡流量調(diào)節(jié)的需要；全系統(tǒng)按等流量控制運行；出現(xiàn)站間流量不平衡時，盡量利用隧洞空間進行調(diào)蓄，以減少棄水；研究變速機組在設計工況下按額定轉速97%運行的可行性，以通過變速泵進行流量調(diào)節(jié)；泵站機組正常開機和停機時，控制出口閥的運行，以防止水的倒泄或減小倒泄流量。

由于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的投入運行，在工程實際運行中有效的避免了從GM1到SM2之間在啟動及機組投切過程中的棄水現(xiàn)象，特別是GM3到SM2之間將現(xiàn)場各泵站及MCU站點的實時數(shù)據(jù)及時采集到各級CSCS系統(tǒng)上，對各種工況進行分析，采取最快捷方式保證輸水計劃的實施。并且可以通過數(shù)據(jù)采集，不斷優(yōu)化各類邊界條件，使水力學應用的各類軟件及邊界條件公式更加符合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，保證更加有效的服務，也使工程中的仿真系統(tǒng)更加準確。從調(diào)度運行數(shù)據(jù)和多年運行情況來看，該系統(tǒng)達到了建設的目的，保證了引黃工程的安全、可靠運行，同時也保證了按需不間斷的向太原供水,獲得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。