南水北調(diào)中線干線工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)初探

吳少華，薛 偉

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北直管項(xiàng)目建設(shè)管理部，050035，石家莊）

南水北調(diào)中線干線工程是緩解京、津、冀、豫等北方地區(qū)水資源短缺狀況，優(yōu)化我國(guó)水資源配置的一項(xiàng)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施工程。中線干線工程全長(zhǎng)1 431.945 km，輸水干渠包括總干渠和天津干渠兩部分?？偢汕蕴詹砬字帘本﹫F(tuán)城湖長(zhǎng)1 276.414 km，其中河南段長(zhǎng)731.722 km，河北段長(zhǎng)464.640 km，北京段長(zhǎng)80.052 km。天津干渠起于河北省徐水縣西黑山村北的分水閘，終止于天津外環(huán)河，全長(zhǎng)155.531 km?？偢汕斔问揭悦髑橹?，自陶岔渠首至河北段為明渠，北京段和天津干渠采用管涵方案。渠道運(yùn)行控制采用節(jié)制閘閘前常水位的實(shí)時(shí)閉環(huán)自動(dòng)控制方式，主要利用地勢(shì)條件，基本實(shí)現(xiàn)自流輸水。

南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)期項(xiàng)目法人為南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，建設(shè)完成后將采用公司管理的運(yùn)營(yíng)模式，分為1個(gè)總公司和5個(gè)分公司。為了對(duì)南水北調(diào)中線干線工程進(jìn)行全面、系統(tǒng)的管理，按統(tǒng)一調(diào)度層、管理執(zhí)行層和現(xiàn)地操作層設(shè)立三級(jí)管理機(jī)構(gòu)。

一、輸水模式

南水北調(diào)中線干線工程從丹江口水庫(kù)陶岔引水閘至北京惠南莊泵站約1 200 km，采用明渠輸水，沿線無(wú)調(diào)蓄設(shè)施。水量調(diào)度與輸水控制通過(guò)沿線分水口門、節(jié)制閘、退水閘、排水閘及惠南莊泵站等控制類工程實(shí)現(xiàn)，因此，根據(jù)水量調(diào)度需求及工程實(shí)際，對(duì)沿渠各類閘站實(shí)現(xiàn)全線閉環(huán)自動(dòng)控制是安全可靠輸水的基本需求，也是閘站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的核心任務(wù)。

當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)水源來(lái)水和沿程需水申請(qǐng)，確定實(shí)時(shí)調(diào)度方案后，閘站聯(lián)合控制模型根據(jù)調(diào)度方案指標(biāo)和當(dāng)前渠道供水狀況，給出各個(gè)閘的開(kāi)度控制指令，閘站控制系統(tǒng)將閘站開(kāi)度控制指令自動(dòng)下達(dá)到相應(yīng)的閘孔,控制閘門啟閉，同時(shí)，將閘門啟閉后渠道輸水狀態(tài)反饋給閘站聯(lián)合控制模型，提出新的閘站開(kāi)度控制修正指令，直至平衡實(shí)現(xiàn)調(diào)度指標(biāo)，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制。

二、需求分析

為實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化統(tǒng)一調(diào)水過(guò)程，系統(tǒng)采用全線水量調(diào)度和閘站監(jiān)控一體化調(diào)度控制作業(yè)，對(duì)全線實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度，所有閘站實(shí)行統(tǒng)一控制，保證全線渠道水位保持在一個(gè)目標(biāo)水位下。

1.控制功能需求

根據(jù)管理處和現(xiàn)地站所具有的業(yè)務(wù)，均需要閘站監(jiān)測(cè)功能。具體功能需求如表1。

①身份驗(yàn)證：要求通過(guò)用戶輸入用戶名和密碼，能夠?qū)τ脩羯矸葸M(jìn)行確認(rèn)，并賦予用戶相應(yīng)權(quán)限，能夠進(jìn)行相應(yīng)操作。

②控制：要求能夠根據(jù)用戶下達(dá)的各種控制指令，向PLC發(fā)送閘門啟閉命令。

③運(yùn)行狀態(tài)：要求能夠根據(jù)用戶的監(jiān)控范圍，以圖表的方式顯示所有閘站的運(yùn)行狀況。

④實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：要求能夠按照用戶選擇，顯示單一閘站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

⑤告警：要求能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)用戶管轄閘站的告警信息，并以表格的形式顯示。

⑥查詢統(tǒng)計(jì)：要求能夠根據(jù)用戶的選擇，查詢閘站的基本情況、最新情況、歷史數(shù)據(jù)、控制記錄，以圖表形式統(tǒng)計(jì)水量和運(yùn)行情況。

⑦模擬：要求能夠根據(jù)用戶的選擇，模擬顯示單個(gè)閘站水位變化或一段渠道的水面線變化。

⑧趨勢(shì)：要求能夠根據(jù)用戶的選擇，顯示單個(gè)閘站在一段時(shí)間內(nèi)水位、流量、電壓、電流的變化趨勢(shì)。

⑨管理：要求能夠?qū)ο到y(tǒng)用戶、運(yùn)行參數(shù)、代碼等進(jìn)行管理，對(duì)PLC和遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

⑩PLC測(cè)控：要求PLC系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與處理、閘門控制、安全保護(hù)等功能。

2.數(shù)據(jù)需求

干渠上參與控制的閘站有：節(jié)制閘、分水閘、退水閘、工作閘、倒虹吸和泵站，每個(gè)采集站點(diǎn)采集的信息內(nèi)容和具體要求如下：

（1）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

每個(gè)采集站點(diǎn)要采集的監(jiān)控信息主要包括：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)或液壓機(jī)狀態(tài)、開(kāi)啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護(hù)、荷重保護(hù)、相序故障、PLC狀態(tài)等。

（2）具體要求

①閘（泵）站信息采集應(yīng)能以秒級(jí)粒度完成閘（泵）站實(shí)時(shí)運(yùn)行信息采集、控制信息采集。

②要求實(shí)時(shí)采集閘（泵）站運(yùn)行及其相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯集、處理、存儲(chǔ)。

③要求有完善的安全機(jī)制，保證對(duì)閘門(泵機(jī))控制的安全。

④要求有完善的訪問(wèn)機(jī)制、訪問(wèn)接口和信息流程，應(yīng)對(duì)上級(jí)系統(tǒng)訪問(wèn)。

三、設(shè)計(jì)方案

閘站監(jiān)控系統(tǒng)是“南水北調(diào)中線干線自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)”關(guān)鍵系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著全線所有閘站的生產(chǎn)運(yùn)行任務(wù)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)本著安全輸水、精確量水的思想，結(jié)合工程條件、機(jī)構(gòu)設(shè)置和管理要求，制定出完善的控制策略和存儲(chǔ)機(jī)制；運(yùn)用先進(jìn)的三層架構(gòu)，構(gòu)造高效、快捷的監(jiān)控服務(wù)體系；將閘站抽象為監(jiān)控對(duì)象，作為監(jiān)控服務(wù)的基本單元，既便于運(yùn)行維護(hù)，又便于系統(tǒng)集成；根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際需要，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余和安全；根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)友好簡(jiǎn)潔的用戶界面，做到操作方便快捷。

表1 各級(jí)管理機(jī)構(gòu)功能需求表

圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.監(jiān)控機(jī)制

按照總控制方式，閘門控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)方式下，只有在現(xiàn)地通過(guò)手動(dòng)裝置才能夠進(jìn)行閘門控制。自動(dòng)方式又分為遠(yuǎn)程和現(xiàn)地，現(xiàn)地方式下，只能通過(guò)現(xiàn)地工控機(jī)或現(xiàn)地手動(dòng)裝置進(jìn)行閘門控制；遠(yuǎn)程方式下，總公司、分公司、現(xiàn)地站均可進(jìn)行閘門控制。

系統(tǒng)在正常情況下，控制方式應(yīng)該為遠(yuǎn)程方式。根據(jù)調(diào)水業(yè)務(wù)需要，正常情況下，只有總公司、分公司和現(xiàn)地站有控制權(quán)，且現(xiàn)地站級(jí)別最高，總公司次之，分公司最低。一般情況下，閘站按照總公司或分公司下發(fā)的調(diào)度指令 （日流量曲線）對(duì)閘門（泵）進(jìn)行啟閉操作，以滿足沿線分水和等水位控制要求。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，閘站可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)本閘站進(jìn)行啟閉操作，并發(fā)出告警信息，報(bào)告緊急情況和處理操作。

2.系統(tǒng)總體構(gòu)成

閘站監(jiān)控系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)又分為總公司、分公司、管理處三級(jí)遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控子系統(tǒng)和監(jiān)控服務(wù)共四部分。

遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架于統(tǒng)一監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)之上，監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)是總公司、分公司和管理處三級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它分布于總公司、分公司和管理處三級(jí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，是分布式監(jiān)控平臺(tái)，各監(jiān)控平臺(tái)節(jié)點(diǎn)按照統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行通信和交互，為閘站對(duì)象和各級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

①現(xiàn)地閘站監(jiān)控子系統(tǒng)

現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)共有監(jiān)控站點(diǎn)261個(gè)。每個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)配置一臺(tái)工控機(jī)（退水和排冰站除外）和一套PLC，各監(jiān)控站點(diǎn)的采集設(shè)備，通過(guò)各自電纜線連接 PLC，PLC和工控機(jī)均接入通信機(jī)房交換機(jī)，構(gòu)成現(xiàn)地站局域網(wǎng)，組成現(xiàn)地閘站監(jiān)控子系統(tǒng)。

不同類型閘站，監(jiān)控內(nèi)容不盡相同，應(yīng)根據(jù)水量調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)行和閘站類型確定內(nèi)容。系統(tǒng)監(jiān)控的站點(diǎn)大部分為涵閘，涵閘監(jiān)控至少應(yīng)包含以下監(jiān)控內(nèi)容：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)、開(kāi)啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護(hù)、荷重保護(hù)、相序故障等信息。為了保證干渠水位測(cè)量的安全、準(zhǔn)確、可靠，在節(jié)制閘的閘前和閘后各設(shè)兩個(gè)水位測(cè)量點(diǎn)，分別測(cè)出兩個(gè)閘前水位和閘后水位，以消除橫比降并互相作為冗余配置；退水閘只測(cè)量一個(gè)閘上水位，不測(cè)閘下水位，其他類型的涵閘測(cè)量一個(gè)閘上水位和一個(gè)閘下水位；節(jié)制閘和分水閘測(cè)量流量，退水閘和倒虹吸工作閘不測(cè)流量；按照閘門個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量閘門開(kāi)啟高度。

節(jié)制閘和倒虹吸工作閘使用的是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)包括液壓系統(tǒng)運(yùn)行信息。分水閥監(jiān)控內(nèi)容較少，只監(jiān)控分水流量和閥門開(kāi)啟狀況。還需要監(jiān)測(cè)每個(gè)閘站0.4 kV系統(tǒng)的電流、電壓和運(yùn)行狀況以及中心開(kāi)關(guān)站電流、電壓和運(yùn)行狀況。

②遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控子系統(tǒng)

系統(tǒng)采用三層架構(gòu)模式。三層架構(gòu)分別為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)源層。其中，業(yè)務(wù)層又可分為兩個(gè)子層：監(jiān)測(cè)、控制邏輯子層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)子層。

表現(xiàn)層是系統(tǒng)的外觀，它調(diào)用業(yè)務(wù)層的各項(xiàng)功能，依賴于業(yè)務(wù)層。從直觀上來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)層負(fù)責(zé)用戶和系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，以及與調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)用接口。其中調(diào)度系統(tǒng)接口包括調(diào)度目標(biāo)接口、控制指令接口、告警設(shè)置接口、歷史數(shù)據(jù)接口和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口，閘站監(jiān)控系統(tǒng)界面包括身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與告警、閘門控制、告警設(shè)置、數(shù)據(jù)檢索和系統(tǒng)管理等功能。

業(yè)務(wù)層界于表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)源層之間，處理表現(xiàn)層所有需要的業(yè)務(wù)邏輯、計(jì)算與數(shù)據(jù)源交互的數(shù)據(jù)訪問(wèn)等系統(tǒng)核心內(nèi)容。

數(shù)據(jù)源層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的來(lái)源有兩類：數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和PLC及泵站接口數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口、身份驗(yàn)證、閘站信息采集與告警、閘站控制、信息存儲(chǔ)、信息查詢與檢索、系統(tǒng)管理等功能。

四、結(jié) 語(yǔ)

南水北調(diào)中線干線工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)在“南水北調(diào)中線干線自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)”中承擔(dān)著非常關(guān)鍵的作用，閘站監(jiān)控系統(tǒng)的成功與否關(guān)系到自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)能否成功運(yùn)行，因此，必須采用合理、科學(xué)、實(shí)用的設(shè)計(jì)思想，才能確保閘站監(jiān)控具有先進(jìn)性、實(shí)用性，才能滿足南水北調(diào)中線干線工程復(fù)雜的調(diào)水需要。

[1]楊開(kāi)林.關(guān)于“數(shù)字南水北調(diào)工程”的設(shè)想[J].中國(guó)水利，2003（5）.

[2]董延軍，蔣云鐘，韓亦方，等.南水北調(diào)中線供水調(diào)度特性淺析[J].中國(guó)水利，2007（4）.

[3]張瑜洪.統(tǒng)籌規(guī)劃 開(kāi)拓創(chuàng)新 推進(jìn)南水北調(diào)工作深入開(kāi)展——訪水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局局長(zhǎng)祝瑞祥[J].中國(guó)水利，2011（24）.

[4]李清林.科學(xué)統(tǒng)籌 全力攻堅(jiān) 努力實(shí)現(xiàn)水利發(fā)展改革新突破[J].河北水利，2010（3）.

[5]呂書(shū)廣，劉萍萍.南水北調(diào)建管單位質(zhì)量管理工作探討[J].河南水利與南水北調(diào)，2011（23）.