泉河李墳節(jié)制閘除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化設(shè)計(jì)

□王卓然 □張大鵬 □張亞輝 □張浩東

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

0 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展,為充分發(fā)揮水利水電工程的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)各應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行集中統(tǒng)一管理的需求逐步增加，需要建立開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)、通用、滿(mǎn)足電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)要求的自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行系統(tǒng),此系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性,采用面向?qū)ο蟮奶幚砟Ｊ胶屯ㄓ玫囊?guī)則引擎,定義了標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范以支持靈活接入多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)充當(dāng)了自動(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行檢測(cè)、監(jiān)視、監(jiān)控等角色,提升了自動(dòng)化信息質(zhì)量和運(yùn)行指標(biāo),縮短了故障處理時(shí)間,減輕了運(yùn)行值班壓力和勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 泉河李墳節(jié)制閘項(xiàng)目概況

李墳節(jié)制閘位于李墳截灣段上，其下游距安徽省界13.00km，是泉河上一座大型節(jié)制工程。李墳節(jié)制閘于1974年冬動(dòng)工，1975年7月竣工并投入運(yùn)行，電氣設(shè)備均為20世紀(jì)70年代產(chǎn)品，功能已經(jīng)不完善，現(xiàn)已超期服役，由于管理控制閘門(mén)數(shù)量較多且運(yùn)行方式較為復(fù)雜，為了方便運(yùn)行管理，提高工程運(yùn)行管理水平，充分發(fā)揮工程效益，確保工程長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少事故發(fā)生，需要設(shè)備更新和增設(shè)一套完整的集計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一體的自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行系統(tǒng)。

2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，利用計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面及時(shí)地采集所需數(shù)據(jù)，對(duì)閘門(mén)及其它監(jiān)控信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高信息的傳輸效率與管理決策水平。在設(shè)計(jì)中結(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)的分層架構(gòu)，構(gòu)造高效、快捷的監(jiān)控服務(wù)體系，對(duì)閘門(mén)整個(gè)啟閉過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具有現(xiàn)地手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，達(dá)到“無(wú)人值班，少人值守”的目標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象主要包含以下內(nèi)容：閘門(mén)的開(kāi)度、荷重；閘門(mén)啟閉機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及其轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)；主電源狀態(tài)及其電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)。上、下游水位及其它需監(jiān)測(cè)的量。

采用分層分布開(kāi)放式快速以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并具有冗余功能。設(shè)置主控層和現(xiàn)地站層。根據(jù)各監(jiān)控對(duì)象重要性的不同，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主干通信信道采用具有冗余功能的單光纖環(huán)形快速以太網(wǎng)，啟閉機(jī)房各LCU 接入主干環(huán)網(wǎng)上的交換機(jī)，閘門(mén)啟閉機(jī)電機(jī)各狀態(tài)參數(shù)經(jīng)LCU 上傳至主控級(jí)，配電柜內(nèi)各進(jìn)、出回路的電氣參數(shù)由具通信功能的智能表計(jì)直接接入環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，柴油發(fā)電機(jī)組各參數(shù)經(jīng)傳感器和具通信接口的智能表計(jì)直接接入環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。主控級(jí)各工作站直接接入環(huán)網(wǎng)上的交換機(jī)。

2.3 系統(tǒng)功能應(yīng)用

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以定期采集和處理閘門(mén)開(kāi)度、荷重、閘門(mén)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)等模擬量和控制閘門(mén)的接觸器狀態(tài)、行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量，出現(xiàn)異常情況時(shí)同時(shí)啟動(dòng)現(xiàn)地和中控室內(nèi)的音響報(bào)警裝置，并明示出故障設(shè)備和故障類(lèi)型；具有限制非法操作者的軟、硬件多重閉鎖功能；可在現(xiàn)地LCU柜上實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的切換，并及時(shí)將前述的各項(xiàng)數(shù)據(jù)上傳至主控級(jí)，并接受主控級(jí)發(fā)出的指令作出相應(yīng)的動(dòng)作（現(xiàn)地LCU 優(yōu)先與主控級(jí)），實(shí)現(xiàn)自診斷和自恢復(fù)。

3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

3.1 視頻監(jiān)視系統(tǒng)概述

視頻監(jiān)視系統(tǒng)為采集閘門(mén)、閘室、上、下游水面、柴油發(fā)電機(jī)房、組合箱式變電站等設(shè)備的運(yùn)行狀況、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等圖像信息，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)視閘門(mén)設(shè)備運(yùn)行情況，便于對(duì)閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、突發(fā)事件取證、圖像保存管理等應(yīng)用提供視頻監(jiān)控手段。

3.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備組成

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要包括視頻同軸電纜、控制（信號(hào)）電纜、電源線(xiàn)、視頻光端機(jī)、光纖、接口設(shè)備等，負(fù)責(zé)將視頻和控制信號(hào)傳輸?shù)剿璧牡攸c(diǎn)。同時(shí)系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)也可經(jīng)過(guò)壓縮處理，通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式傳輸?shù)剿枰牡攸c(diǎn)，控制、錄像及顯示設(shè)備主要包括硬盤(pán)錄像機(jī)、視頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器等。

攝像前端設(shè)備主要包括一體化球型攝像機(jī)、定焦攝像機(jī)、通訊接口、云臺(tái)、支架、防盜傳感器等。視頻監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視對(duì)象主要有：7 孔閘門(mén)、閘室、上、下游水面、柴油發(fā)電機(jī)房、組合箱式變電站等主要觀測(cè)點(diǎn)。

3.3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)功能特征

在操作對(duì)應(yīng)閘門(mén)時(shí)可自動(dòng)切換到該閘門(mén)的畫(huà)面，以滿(mǎn)足監(jiān)控和管理的需求。同時(shí)系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)也可經(jīng)過(guò)壓縮處理，通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò)傳輸方式傳輸?shù)剿枰牡攸c(diǎn)。

圖像監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)視頻信號(hào)接入設(shè)備、視頻信號(hào)傳輸設(shè)備、視頻服務(wù)器將視頻圖像傳輸至視頻工作站上，并預(yù)留上傳接口，以供管理決策者監(jiān)視、決策。視頻數(shù)據(jù)采用MPEG-4 圖像壓縮編碼傳輸。

4 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

4.1 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要性

安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)論在施工期還是在投產(chǎn)期都發(fā)揮著重要的作用，李墳節(jié)制閘在施工期和運(yùn)行期的安全與否，將直接關(guān)系到工程安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。特別是在施工期間對(duì)變形、滲流情況以及后期的結(jié)構(gòu)安全等，都是設(shè)計(jì)、施工和管理部門(mén)十分關(guān)心的問(wèn)題，只有通過(guò)各種監(jiān)測(cè)設(shè)施來(lái)獲取工程的實(shí)測(cè)性態(tài)值，并對(duì)其進(jìn)行分析，才能監(jiān)視工程的運(yùn)行安全或安全運(yùn)行程度，并進(jìn)行預(yù)報(bào)，一旦發(fā)現(xiàn)異常跡象，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，防止事故發(fā)生，減少安全隱患。

4.2 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

監(jiān)測(cè)主機(jī)選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。主機(jī)通過(guò)傳輸接口與各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集單元（MCU）通訊，監(jiān)測(cè)主機(jī)的功能主要是對(duì)MCU采集的數(shù)據(jù)和由人工觀測(cè)后所輸入的資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，并對(duì)所取得的資料進(jìn)行整理分析，按期編寫(xiě)各建筑物工程監(jiān)測(cè)情況簡(jiǎn)報(bào)。

數(shù)據(jù)采集單元MCU 的基本功能是激勵(lì)和測(cè)讀現(xiàn)場(chǎng)傳感器、數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)處理、工程單位的轉(zhuǎn)換、以及所需的控制功能等。所有采集到的數(shù)據(jù)均存于MCU 的大容量存儲(chǔ)器內(nèi)直至該數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)焦こ瘫O(jiān)測(cè)站，所有MCU 數(shù)據(jù)的傳輸均應(yīng)經(jīng)過(guò)誤碼檢測(cè)及監(jiān)測(cè)站的確認(rèn)后才會(huì)清除。同時(shí)，MCU 采用“多任務(wù)”方式運(yùn)行，可以在MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)激勵(lì)、采集的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊、中繼等。

4.3 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)功能概述

MCU 一旦編程后，立即執(zhí)行相應(yīng)的有關(guān)任務(wù)，不再需要操作人員的干涉。所有測(cè)量、計(jì)算、控制、通訊等功能可以依據(jù)MCU 本身的精確真實(shí)時(shí)鐘根據(jù)編程設(shè)定的時(shí)間、間隔或特定的觸發(fā)控制條件進(jìn)行測(cè)量。MCU 的時(shí)鐘需要定期與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站的監(jiān)控主機(jī)時(shí)鐘自動(dòng)對(duì)時(shí)以確保時(shí)間的精確和一致性。MCU 的編程應(yīng)包括傳感器測(cè)量、工程單位轉(zhuǎn)換、各種工程數(shù)學(xué)公式計(jì)算、邏輯判斷及處理、發(fā)布警報(bào)及實(shí)施控制功能。所有擬傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站或其他MCU 的數(shù)據(jù)應(yīng)存放在存儲(chǔ)器里直至數(shù)據(jù)傳輸成功并獲得目的址的確認(rèn)。此外，MCU 還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，觸發(fā)各種預(yù)設(shè)警報(bào)并智能控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)MCU 的重要測(cè)值出現(xiàn)異常，經(jīng)自動(dòng)復(fù)測(cè)確認(rèn)這種異常后，可以由MCU 主動(dòng)發(fā)布命令通知網(wǎng)絡(luò)中其他的單元立即工作而不一定需要遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站的干涉。

MCU 要求根據(jù)所連接傳感器的重要程度或傳感器數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)、變化速率及是否接近警報(bào)值的程度，設(shè)定其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)別，一般的數(shù)據(jù)可以立刻傳輸或定時(shí)批量傳輸，在系統(tǒng)中，具有優(yōu)先級(jí)別的重要數(shù)據(jù)是優(yōu)先傳輸?shù)?，而警?bào)信號(hào)的傳輸總是在發(fā)生時(shí)立刻傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站。

5 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)處理與接口協(xié)議

電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是指直接為電網(wǎng)運(yùn)行服務(wù)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，包括在此系統(tǒng)中需要運(yùn)行的應(yīng)用軟件，與相關(guān)兼容軟件。其中工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件內(nèi)容包括：在線(xiàn)監(jiān)控、離線(xiàn)分析、安全管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)評(píng)估管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程輔助服務(wù)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要有在線(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、原始測(cè)值數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)和文件庫(kù)的生成、增補(bǔ)和維護(hù)，以及異種數(shù)據(jù)庫(kù)文件的共享和轉(zhuǎn)換等。

鑒于SQLServer2005 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、與WindowsXP系統(tǒng)鏈接接入?yún)f(xié)議較簡(jiǎn)便，軟件選擇SQLServer2005 數(shù)據(jù)庫(kù)，操作界面選用WindowsXP 系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化調(diào)度和運(yùn)行管理工作的好壞，將直接影響李墳節(jié)制閘的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，對(duì)電能安全性、穩(wěn)定性的需求也在不斷提高。目前泉河李墳節(jié)制閘除險(xiǎn)加固工程已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)且已經(jīng)投入運(yùn)行，集計(jì)算機(jī)監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)視一體化的自動(dòng)化調(diào)度和運(yùn)行管理系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移將會(huì)發(fā)揮更加重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉學(xué)軍.繼電保護(hù)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]谷水清主編.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3]馬福.雷擊變電所地電位干擾及防護(hù)措施研究[M].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.