延安黃河引水工程自動控制體系設(shè)計(jì)

白秦濤

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概述

延安黃河引水工程位于延安市東北部，是以黃河和清澗河為取水水源，多級加壓的長距離引水工程。2 個水源年取水規(guī)模8977 萬m3，供水對象為延安市城區(qū)、延長縣城等“一區(qū)四縣一鎮(zhèn)六工業(yè)園”。工程為Ⅲ等中型供水工程，由2 個取水樞紐、9 座泵站、4 條輸水管線（含9條隧洞）、2 座水庫、1 個泥沙處理站、2 個水廠等組成。工程引水線路穿越延安市寶塔區(qū)、延川縣、延長縣、子長縣境內(nèi)，總長度145.78km。

由于延安黃河引水工程點(diǎn)多、線長、面廣，工程復(fù)雜，巡視檢查、檢修的難度較大，加之水工建筑物多，引水工程運(yùn)行復(fù)雜，因此工程需要配套建設(shè)功能完備的管理調(diào)度系統(tǒng)，通過高標(biāo)準(zhǔn)的信息化數(shù)據(jù)采集手段及控制設(shè)施，對整個工程進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全線集中自動化調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度，及時掌握工程運(yùn)行中的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)并及時分析、處理，實(shí)現(xiàn)引水工程的數(shù)字化、現(xiàn)代化管理，提高水資源利用效率，確保引水工程安全高效運(yùn)行。

2 自動控制體系總體結(jié)構(gòu)

延安黃河引水工程自動控制體系是工程管理調(diào)度系統(tǒng)的重要組成部分。在管理調(diào)度中心統(tǒng)一調(diào)度的原則下，根據(jù)工程泵站、水廠和水庫等的地理位置分布，同時結(jié)合工程管理特點(diǎn)，各站控層管理站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分別上傳匯聚在延水關(guān)管理分中心、高家灣管理分中心、永坪管理分中心和延安管理調(diào)度中心，并最終納入工程自動控制體系。

管理調(diào)度中心層可實(shí)現(xiàn)工程的遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、管理，管理分中心層可實(shí)現(xiàn)管理區(qū)域數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、整合、轉(zhuǎn)發(fā)及工程運(yùn)行監(jiān)控。管理中心與分中心、現(xiàn)地站采用本工程的冗余光纖控制專網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制指令的下傳。各泵站、水廠等現(xiàn)地站主要負(fù)責(zé)接收管理調(diào)度中心下達(dá)的控制指令，并進(jìn)一步確認(rèn)是否執(zhí)行或者修正執(zhí)行，同時采集所有下屬PLC、儀器儀表等的實(shí)時監(jiān)測、監(jiān)視數(shù)據(jù)。

3 功能要求

（1）整體控制

管理調(diào)度中心通過對現(xiàn)地站控層下達(dá)控制指令，對工程全線所有引水調(diào)度控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程多級聯(lián)動啟閉控制，包括泵組轉(zhuǎn)速（流量）控制、閘閥門控制等。

（2）數(shù)據(jù)采集

能夠?qū)崟r采集各個現(xiàn)地站的所有數(shù)據(jù)信息，并且在畫面中實(shí)時展示。

（3）數(shù)據(jù)存儲

需要存儲各級泵站、重要控制建筑物的監(jiān)測參數(shù)，主要包括電氣量參數(shù)、狀態(tài)量參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、統(tǒng)計(jì)參數(shù)等，包括完整的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

（4）畫面展示和監(jiān)控

以類似3D 的立體效果及半剖面展示畫面，顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)等。通過監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面，可以直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對設(shè)備的操控功能。

（5）報(bào)警事件

可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、短信報(bào)警、郵件報(bào)警等功能，記錄報(bào)警事件的數(shù)據(jù)信息，同時把所有與該報(bào)警事件所有相關(guān)的數(shù)據(jù)、條件記錄到數(shù)據(jù)庫。

（6）報(bào)表

自動生成各類日、月、年報(bào)表，操作人員可以在遠(yuǎn)程瀏覽查看全部的報(bào)表數(shù)據(jù)。主要包括：生產(chǎn)日報(bào)、水量監(jiān)測報(bào)表、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)報(bào)表、設(shè)備運(yùn)行操作記錄報(bào)表、水質(zhì)分析報(bào)表等。

（7）趨勢曲線

提供多種曲線功能，用戶可以方便的選擇實(shí)時曲線、歷史曲線，可以查看水位、水量、電壓、電流的變化趨勢。

（8）身份驗(yàn)證

可進(jìn)行系統(tǒng)服務(wù)配置、工控畫面操作的授權(quán)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)工程控制操作安全管理與事故追責(zé)，提供權(quán)限屬性用來限制用戶的操作范圍。

（9）系統(tǒng)管理

具有參數(shù)配置、界面風(fēng)格配置、報(bào)警界限配置、數(shù)據(jù)庫配置、采集配置等管理功能，具有相應(yīng)管理權(quán)限的用戶登錄后，可以進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)管理設(shè)置功能。

（10）應(yīng)用接口

支持通用的數(shù)據(jù)庫接口，便于日后其他系統(tǒng)調(diào)用實(shí)時數(shù)據(jù)，監(jiān)控組態(tài)軟件可將實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)存貯于數(shù)據(jù)庫。

4 調(diào)度設(shè)計(jì)

根據(jù)日常調(diào)度、供水追蹤、報(bào)警和預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度的要求，調(diào)度工作包括：

（1）用水量預(yù)測

以用水單位、泵站、管網(wǎng)的大量實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)為基本依據(jù)，結(jié)合季節(jié)、氣候、節(jié)假日，以及當(dāng)天的實(shí)際輸水量等約束條件，計(jì)算出下一個班次或次日24 小時或者更長時間內(nèi)供水區(qū)域內(nèi)可能的用水量。該用水量將作為供水計(jì)劃制定的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）日常調(diào)度

日常調(diào)度主要負(fù)責(zé)在指定的時刻，根據(jù)預(yù)測的用水量以及調(diào)度人員設(shè)置的約束條件制定出下一個班次的水量計(jì)劃以及水泵機(jī)組開停及調(diào)頻計(jì)劃，并提交審批及提醒。當(dāng)調(diào)度計(jì)劃進(jìn)入到執(zhí)行階段，日常調(diào)度將對計(jì)劃的執(zhí)行情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以便對調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。同時，對下達(dá)的計(jì)劃、調(diào)度方案和控制指令進(jìn)行存儲備案。

（3）供水追蹤

當(dāng)各類供水計(jì)劃下發(fā)執(zhí)行后，對計(jì)劃的執(zhí)行情況進(jìn)行一系列的追蹤，主要包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)追蹤、供水狀況追蹤、調(diào)度方案追蹤。這些數(shù)據(jù)有的可以直接進(jìn)行采集，有一部分需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算生成。

（4）生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)警及預(yù)警

當(dāng)追蹤的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，調(diào)度系統(tǒng)將立刻出發(fā)報(bào)警或預(yù)警。包括供水事件預(yù)警的級別、類別、起始時間、可能影響范圍、危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢、警示事項(xiàng)以及應(yīng)采取的相關(guān)措施等。

（5）調(diào)度指令執(zhí)行

當(dāng)供水計(jì)劃制定后，調(diào)度系統(tǒng)將水泵機(jī)組開停及調(diào)頻計(jì)劃或閘閥門開啟計(jì)劃等分解為具體的調(diào)度控制指令，并直接下發(fā)給泵站等現(xiàn)地站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行。

對于現(xiàn)場的實(shí)際情況，總中心調(diào)度人員并不比現(xiàn)場工作人員更清楚（如總中心調(diào)度人員無法聞到設(shè)備的異味，而現(xiàn)場工作人員在巡檢的時候能及時發(fā)現(xiàn)），出于安全的考慮，總中心的調(diào)度系統(tǒng)也可以選擇將調(diào)度指令或要求下發(fā)給泵站等現(xiàn)地站的調(diào)度客戶端上，現(xiàn)地工作人員看到調(diào)度指令或要求后，如果該指令可行，那么確認(rèn)并在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上操作并執(zhí)行控制，如果該指令不可行，那么工作人員反饋不執(zhí)行的理由。這樣可以保證調(diào)度的安全性、豐富調(diào)度經(jīng)驗(yàn)庫，提高調(diào)度管理水平。

（6）調(diào)度評價

調(diào)度評價的角度包括：輸水效率的評價、調(diào)度效果的評價、運(yùn)行費(fèi)用的評價等。

（7）優(yōu)化調(diào)度

1）科學(xué)選擇各供水泵站的水泵型號和開啟臺數(shù)的最優(yōu)組合方案；

2）合理確定變頻泵的最佳運(yùn)行頻率；

3）合理制訂水池、水庫的貯水策略；

4）合理利用不同時段不同電費(fèi)的價格政策；

5）科學(xué)制訂各種調(diào)控設(shè)備(流量控制閥、壓力控制閥，止回閥、開關(guān)閘門等)的控制策略。

5 權(quán)限管理

工程由管理調(diào)度中心統(tǒng)一調(diào)度，遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)地站控兩級控制。管理調(diào)度中心的權(quán)限管理平臺負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理用戶與權(quán)限，為每個用戶配置相應(yīng)的角色、權(quán)限和區(qū)域。用戶權(quán)限分為數(shù)據(jù)瀏覽、中心級別設(shè)置、現(xiàn)場設(shè)備控制、用戶管理等不同類型。添加、刪除、修改的所有操作均被記錄成日志信息。

在中心權(quán)限管理界面中，設(shè)置“現(xiàn)場/遠(yuǎn)程”方式切換選項(xiàng)，當(dāng)設(shè)置為“現(xiàn)場”時，操作人員可在現(xiàn)場廠站控制室的監(jiān)控站上對設(shè)備進(jìn)行控制；當(dāng)設(shè)置為“遠(yuǎn)程”時，泵組或閘門設(shè)備由監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理及控制，場站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)僅是執(zhí)行中心的調(diào)度指令，沒有獨(dú)立的控制權(quán)限。出于對控制安全性的考慮，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷，現(xiàn)場控制站無法與管理調(diào)度中心建立連接時，權(quán)限控制模塊會立即恢復(fù)現(xiàn)場監(jiān)控站的控制權(quán)限，避免出現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控站無人可控的情況。

為了保證控制的安全，分清各控制層的責(zé)任，同一時間只允許唯一的對象進(jìn)行控制。所有的控制及控制權(quán)限切換均記錄到日志中，以便日后的分析追蹤。

6 總結(jié)

自動控制體系是工程管理調(diào)度系統(tǒng)的重點(diǎn)及難點(diǎn)，鑒于本工程的特殊性和復(fù)雜性，需要認(rèn)真研究梯級泵站聯(lián)合調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度的相關(guān)問題，確保工程優(yōu)化運(yùn)行的可實(shí)施性。