沁水縣張峰水庫水源工程數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

龐宇林

（晉城市水利勘測設(shè)計(jì)院 山西晉城 048026）

能量管理系統(tǒng)EMS(energy management system)包括四個(gè)系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制系統(tǒng)（EDC）、安全分析系統(tǒng)（SA）和高級設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）。

水網(wǎng)調(diào)度的能量管理系統(tǒng)包括：拓?fù)浞治?、狀態(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算、靜態(tài)安全、最優(yōu)潮流、設(shè)備管理等系統(tǒng)。

建設(shè)水源管理系統(tǒng)的目的是為了水資源合理調(diào)配，達(dá)到水網(wǎng)平衡、系統(tǒng)安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)配方管理和配方運(yùn)行的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

系統(tǒng)的建設(shè)中使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的冗余功能才能為今后“數(shù)字化水務(wù)”系統(tǒng)建設(shè)中減少設(shè)備的重復(fù)投資，合理利用資源做好基礎(chǔ)工作。

1 水源管理調(diào)控平臺基本組成

水源管理調(diào)度平臺主要包括：監(jiān)控調(diào)度信息系統(tǒng)、水源監(jiān)控系統(tǒng)、泵站監(jiān)控系統(tǒng)、AMS設(shè)備管理系統(tǒng)、管網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)、數(shù)據(jù)災(zāi)備中心、數(shù)據(jù)共享及發(fā)布系統(tǒng)、數(shù)據(jù)報(bào)表分析系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、授時(shí)中心、管網(wǎng)地理位置信息系統(tǒng)、遠(yuǎn)程調(diào)度VOIP系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)、管線巡檢單兵等多個(gè)系統(tǒng)組成。

SCADA/EMS系統(tǒng)是建立在一個(gè)集成多業(yè)務(wù)多功能平臺上的管控中心。沁水縣張峰水庫水源工程SCADA/EMS系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)在一個(gè)多業(yè)務(wù)、多功能的屬于整個(gè)晉城市水網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺框架基礎(chǔ)上建立。在不同時(shí)期根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)完成相應(yīng)的功能模塊，系統(tǒng)建設(shè)遵循SCADA/EMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及通訊規(guī)約，為今后城市“數(shù)字化水務(wù)”奠定良好的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

沁水縣張峰水庫水源工程SCADA/EMS系統(tǒng)建設(shè)將為今后“數(shù)字化水務(wù)”項(xiàng)目中的一個(gè)子項(xiàng)目建設(shè)方式。系統(tǒng)遵循：安全性、先進(jìn)性、實(shí)用性、通用性及可冗余性的原則作為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，為整個(gè)張峰水庫水源SCADA/EMS系統(tǒng)工程搭建一個(gè)能安全、合理、經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化運(yùn)行管理平臺。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由張峰水庫水源監(jiān)測系統(tǒng)、一二級泵站監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)節(jié)水池以及縣末端水廠蓄水池監(jiān)測系統(tǒng)、AMS設(shè)備管理系統(tǒng)以及報(bào)表數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。

4 分系統(tǒng)功能描述

1）張峰水庫水源監(jiān)測系統(tǒng)主要由在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、水庫水位以及淤積監(jiān)測組成。

（1）在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是為了用水安全建立的，按照國家頒布的標(biāo)準(zhǔn)測定方法對水溫、pH、三態(tài)氮（硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮）、總磷、COD、BOD5、TOC、TN、金屬離子（銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、鉻（六價(jià)）、鉛）等項(xiàng)目實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。由于在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的投資較大，根據(jù)該項(xiàng)目的投資預(yù)算，在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)可以使用常規(guī)定時(shí)人工方式的水質(zhì)監(jiān)測方法對水源做水質(zhì)監(jiān)測工作，但是在系統(tǒng)中預(yù)留在線水質(zhì)監(jiān)測端口，具有人工水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入及分析功能。

（2）水庫水位監(jiān)測以及淤積監(jiān)測使用多點(diǎn)位多個(gè)傳感器完成測量工作，保證泵站進(jìn)水口不出現(xiàn)淤積堵塞，保證減少進(jìn)水泥沙含量。

2）一二級泵站監(jiān)控系統(tǒng)主要是：水泵電機(jī)運(yùn)行電參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、主備泵自動切換系統(tǒng)、水泵運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)、工藝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水泵及閥門控制系統(tǒng)、變電站監(jiān)測系統(tǒng)。其中除了變電站由變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)提供檢測功能外，其余的系統(tǒng)由一個(gè)SCADA系統(tǒng)組成。

（1）水泵電機(jī)運(yùn)行電參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是通過電機(jī)綜合保護(hù)器對電機(jī)實(shí)現(xiàn)過載、過流、欠壓、過壓、欠流、短路、缺相、漏電、相位等綜合保護(hù)的同時(shí)為泵站系統(tǒng)提供電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）水泵運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是通過在泵組上建立一套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與跟蹤分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對泵組(包括水泵和電動機(jī))的在線監(jiān)測、分析與診斷功能，并將數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上與AMS設(shè)備高級管理維護(hù)系統(tǒng)連接，能使運(yùn)行管理部門、設(shè)備管理及維護(hù)工作部門在網(wǎng)絡(luò)上都可有效地對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析，讀取相應(yīng)的自動診斷狀態(tài)報(bào)告，以盡早發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，提出預(yù)警，避免發(fā)生嚴(yán)重事故，保證機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時(shí)促進(jìn)實(shí)施泵站“無人值班(少人值守)”的管理模式。

A、水泵安全運(yùn)行主要的監(jiān)測項(xiàng)目有：水泵和電機(jī)的軸XY向擺度、水泵軸承座XY向振動、水泵水導(dǎo)端蓋處振動、泵殼振動、電機(jī)軸承座處振動、液控蝶閥出口壓力、水泵進(jìn)口壓力、水泵出口壓力、水泵出口流量、水泵及電機(jī)的軸承溫度、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向、電機(jī)轉(zhuǎn)子及定子溫度等數(shù)據(jù)。

B、在系統(tǒng)運(yùn)行中，為了防止水錘發(fā)生，系統(tǒng)中使用了液控逆止閥。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或主備水泵切換時(shí)，為了防止液控逆止閥失效，整個(gè)系統(tǒng)的軟件中必須具有ESD功能的緊急故障處理程序，由于系統(tǒng)中使用的閥門開關(guān)速度沒有液控逆止閥快，但緊急停車模塊作為二次保護(hù)功能模塊會增加系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

C、水泵運(yùn)行安全系統(tǒng)其中有一部分為泵房安全，泵房安全常規(guī)安全措施是消防安全。消防安全的重點(diǎn)主要應(yīng)具備火災(zāi)監(jiān)測和控火滅火設(shè)備。對于有人值守的泵房應(yīng)當(dāng)具有泵房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。主要用來監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的有害氣體、空氣中的氧氣及二氧化碳含量、環(huán)境溫濕度等威脅人身及設(shè)備安全的環(huán)境數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代化的泵房大部分為無人值守方式，由于該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的泵房高度低于取水的水平面，在出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)破壞、設(shè)備破損和維修泄漏時(shí)很容易將水倒灌至泵房，會對泵房的工作人員及設(shè)備造成安全隱患，所以泵房應(yīng)當(dāng)具有自動排污系統(tǒng)，在泵房的最低處設(shè)置污水池以及兩臺以上高效排污泵，在SCADA系統(tǒng)中能實(shí)時(shí)監(jiān)測排污泵及污水池水位狀態(tài)，通過對排污泵及污水池的數(shù)據(jù)監(jiān)測能及時(shí)預(yù)知泵房結(jié)構(gòu)及設(shè)備的安全運(yùn)行情況。

（3）工藝數(shù)據(jù)采集主要是：進(jìn)出口壓力、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、溫度等數(shù)據(jù)的采集，其中流量計(jì)盡量采用智能流量計(jì)，一臺設(shè)備能同時(shí)采集多個(gè)值，即使在系統(tǒng)故障時(shí)也能單獨(dú)運(yùn)行，為今后計(jì)量計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)做有力保障。

（4）水泵和閥門的控制系統(tǒng)屬于整個(gè)SCADA系統(tǒng)中末端的執(zhí)行子系統(tǒng)，它依據(jù)現(xiàn)場的工藝數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)以及操作人員的指令和配方操作指令系統(tǒng)對水泵電器、閥門和電源的手動及自動操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)操作系統(tǒng)基本操作程序必須具有互鎖、連鎖防止誤操作的功能，比如一鍵啟動、緊急停車和主備快速切換功能。

（5）變電站的監(jiān)控系統(tǒng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)由變電站綜合保護(hù)裝置完成，其中的電參數(shù)由變電站綜合保護(hù)裝置采集，為SCADA系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)變電站的遠(yuǎn)動功能。后備電源主要由直流屏、監(jiān)控機(jī)房UPS和后備發(fā)電機(jī)組成，設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和電源的遠(yuǎn)程監(jiān)測及快速切換統(tǒng)一由SCADA系統(tǒng)完成。備用發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)具有快速自啟動的功能，并且備用發(fā)電機(jī)的功率應(yīng)滿足自動排污系統(tǒng)的功率需求。

3）調(diào)節(jié)水池和末端水廠蓄水池檢測系統(tǒng)主要檢測水池的水位以及淤積數(shù)據(jù)，用來監(jiān)測庫容量，為水網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)做基礎(chǔ)。

4）系統(tǒng)的報(bào)表及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是能源管理系統(tǒng)中最為重要的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)分析功能模塊，其中報(bào)表和數(shù)據(jù)分析的格式應(yīng)當(dāng)為開放的自由編輯方式，以便于根據(jù)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做出不同的分析結(jié)果。所有的報(bào)表應(yīng)當(dāng)能兼容Microsoft Excel，以Excel Report的形式直接設(shè)計(jì)一種功能強(qiáng)大的報(bào)表生成器。在Excel中，可以簡單、方便地直接創(chuàng)建模板。若針對某個(gè)確定的時(shí)段創(chuàng)建報(bào)表，則系統(tǒng)可以訪問相應(yīng)模板，并使用過程數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)自動填寫該模板。另外，也可以根據(jù)時(shí)間對報(bào)表的創(chuàng)建、打印和存儲工作進(jìn)行控制，無需任何用戶干擾。

5）設(shè)備高級維護(hù)套件(AMS)是一種進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的便捷工具，可高效地規(guī)劃、管理、執(zhí)行和控制維護(hù)工作以及故障補(bǔ)救。它不但可以節(jié)省成本，提高系統(tǒng)質(zhì)量，而且還可使用SCADA進(jìn)行擴(kuò)展。其具體功能如下：

（1）獲得所有事件的概述（事件概述）。

（2）自動生成作業(yè)指令（作業(yè)指令）。

（3）記錄每個(gè)應(yīng)用程序的工藝路線（操作規(guī)劃）。

（4）定義正常情況下將執(zhí)行的操作（升級方式）。

（5）優(yōu)化備件庫存（備件優(yōu)化）。

（6）確保系統(tǒng)質(zhì)量的穩(wěn)定（質(zhì)量保證）。

（7）通過單擊按鈕檢索知識（知識庫）。

（8）更高效地控制維護(hù)任務(wù)（維護(hù)管理）。