長(zhǎng)距離輸水工程監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

孔斌,李志安

（南瑞集團(tuán)公司,江蘇省南京市 211000）

長(zhǎng)距離輸水工程監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

孔斌,李志安

（南瑞集團(tuán)公司,江蘇省南京市 211000）

介紹了大伙房輸水工程的概況，給出了該工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能，詳細(xì)地闡述了監(jiān)控系統(tǒng)向業(yè)務(wù)網(wǎng)寫數(shù)據(jù)功能、雙通道功能、調(diào)流閥開(kāi)度設(shè)值控制功能、累計(jì)流量計(jì)算功能、語(yǔ)音報(bào)警功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)，為該工程運(yùn)行管理提供安全可靠的技術(shù)保障。

輸水工程；監(jiān)控系統(tǒng)；NC2000

0 引言

大伙房水庫(kù)輸水工程是遼寧省“十五”期間重點(diǎn)工程項(xiàng)目，該輸水一期工程是將渾江上桓仁水庫(kù)的發(fā)電尾水，利用西江、鳳鳴兩座水電站作為調(diào)節(jié)池，由輸水隧洞自流引水至蘇子河匯入大伙房水庫(kù)。輸水二期工程是由大伙房水庫(kù)引水，通過(guò)隧洞和管道，采取封閉供水方式，為撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤錦等6個(gè)城市提供生活及工業(yè)用水。二期工程輸水管線總長(zhǎng)259.13 km，沿途設(shè)取水頭部、撫順、沈陽(yáng)一、沈陽(yáng)二、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)盤共7座配水站。

輸水二期工程具有線路長(zhǎng)、覆蓋范圍大、地域分布廣、系統(tǒng)龐大、工程水力過(guò)程復(fù)雜、對(duì)自動(dòng)化控制要求高等特點(diǎn)，為保證全線輸水的安全可靠與高效運(yùn)行，充分發(fā)揮其巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)。在沿線7座配水站設(shè)置控制分中心，在沈陽(yáng)設(shè)調(diào)度中心和備調(diào)中心，采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全線輸水的自動(dòng)控制及統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大伙房水庫(kù)輸水二期工程監(jiān)控系統(tǒng)按照“無(wú)人值班，少人值守”的方式設(shè)計(jì)，采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式分層、分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。調(diào)度中心及各分中心采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)星形連接，現(xiàn)地級(jí)采用總線連接方式。該工程采用成熟、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和漢化系統(tǒng)，確保響應(yīng)速度快，可靠性和可利用率高，可維護(hù)性好，先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、靈活和便于擴(kuò)充。根據(jù)大伙房水庫(kù)輸水工程的運(yùn)行管理特點(diǎn)，SCADA系統(tǒng)分為調(diào)度中心控制級(jí)、分中心控制級(jí)和現(xiàn)地控制單元三級(jí)，見(jiàn)圖1。

調(diào)度中心控制級(jí)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、磁盤陣列、操作員工作站、維護(hù)工作站、報(bào)警工作站、網(wǎng)關(guān)機(jī)等計(jì)算機(jī)設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)外部通信等功能。

各分中心控制級(jí)主要由操作員工作站、通信工作站、報(bào)警工作站、歷史工作站等計(jì)算機(jī)設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理、控制命令下發(fā)、圖形顯示、系統(tǒng)外部通信、歷史數(shù)據(jù)管理等功能。

現(xiàn)地控制單元由CCU、LCU及RTU組成。主要完成數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備控制與調(diào)節(jié)、與主控級(jí)及現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備數(shù)據(jù)通信等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

大伙房輸水二期工程監(jiān)控系統(tǒng)主要具備以下功能：數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、控制權(quán)限設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)查詢、GPS時(shí)鐘同步等。

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理。

數(shù)據(jù)采集與處理包括：模擬量、開(kāi)關(guān)量的采集與處理、脈沖量的累計(jì)與處理。通過(guò)PLC采集將壓力、流量等主要的運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過(guò)必要的預(yù)處理后上送至分中心控制級(jí)操作員工作站，再由操作員工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)廣播至分中心控制級(jí)工作站，在通信機(jī)接收到數(shù)據(jù)后又通過(guò)電力系統(tǒng)IEC 60870-5-104通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至調(diào)度中心控制級(jí)。在數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程中，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)防抖處理、硬件及軟件濾波、數(shù)據(jù)有效性及合理性判斷等處理，保證數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性。

(2) 控制與調(diào)節(jié)。

控制與調(diào)節(jié)的主要對(duì)象和內(nèi)容有:調(diào)流閥、電動(dòng)蝶閥的全開(kāi)、全關(guān)、停止及開(kāi)度設(shè)值控制，斷路器的合閘、分閘控制。在控制時(shí)，操作員利用鼠標(biāo)、鍵盤，打開(kāi)相應(yīng)畫面，點(diǎn)擊需要控制設(shè)備的圖形，系統(tǒng)將自動(dòng)實(shí)施操作流程。

(3) 控制權(quán)限設(shè)定。

該工程控制權(quán)限分為現(xiàn)地級(jí)、廠站級(jí)、調(diào)度級(jí)?？刂苾?yōu)先級(jí)為現(xiàn)地級(jí)＞廠站級(jí)＞調(diào)度級(jí)。通過(guò)LCU柜上把手進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)處于現(xiàn)地控制權(quán)時(shí)，廠站級(jí)及調(diào)度級(jí)下發(fā)的控制令會(huì)被屏蔽。當(dāng)處于遠(yuǎn)方控制權(quán)時(shí)，廠站控制級(jí)才能下發(fā)控制令，而調(diào)度級(jí)要實(shí)現(xiàn)控制命令下發(fā)，還需廠站級(jí)通過(guò)軟開(kāi)關(guān)將控制權(quán)限切換至調(diào)度級(jí)。

(4) 歷史數(shù)據(jù)查詢。

在監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)一些重要數(shù)據(jù)的保存，有利于泵站運(yùn)行管理人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，有助于提高工程的管理水平。上位機(jī)NC2000監(jiān)控軟件提供了報(bào)表查詢、曲線查詢、一覽表查詢等多種查詢手段。

(5) GPS時(shí)鐘同步。

GPS衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度級(jí)、廠站級(jí)計(jì)算機(jī)及現(xiàn)地控制級(jí)PLC進(jìn)行時(shí)鐘同步，確保全線時(shí)鐘統(tǒng)一，便于全線輸水系統(tǒng)的運(yùn)行管理[2]。

3 關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

3.1 向業(yè)務(wù)網(wǎng)寫數(shù)據(jù)功能

根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》，整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為生產(chǎn)控制和管理信息兩個(gè)大區(qū)，在這兩個(gè)大區(qū)之間，必須設(shè)置經(jīng)國(guó)家指定部門檢測(cè)認(rèn)證的電力專用橫向單向安全隔離裝置。監(jiān)控系統(tǒng)安全等級(jí)最高，屬生產(chǎn)控制區(qū)；業(yè)務(wù)網(wǎng)直接與辦公網(wǎng)及Internet相連，屬管理信息區(qū)。從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性考慮，必須在這兩系統(tǒng)之間加一橫向單向隔離裝置[3]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

業(yè)務(wù)網(wǎng)歷史服務(wù)器安裝AIX操作系統(tǒng)，歷史庫(kù)采用oracle10g。監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入業(yè)務(wù)網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是監(jiān)控系統(tǒng)用面向非連接UDP協(xié)議，通過(guò)廣播的方式將數(shù)據(jù)通過(guò)隔離裝置傳送至網(wǎng)關(guān)機(jī)，由網(wǎng)關(guān)機(jī)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)按照一定的格式要求(具體格式見(jiàn)表1)寫入業(yè)務(wù)網(wǎng)歷史服務(wù)器中，業(yè)務(wù)網(wǎng)再?gòu)闹袑?shù)據(jù)查詢處理，以畫面、表格等形式進(jìn)行展示供生產(chǎn)管理人員進(jìn)行分析、決策。

圖2 向業(yè)務(wù)網(wǎng)寫數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表1 監(jiān)控系統(tǒng)向業(yè)務(wù)網(wǎng)寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Oracle10g歷史庫(kù)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)管理功能及磁盤備份與恢復(fù)功能、支持更多的安全協(xié)議、支持超大數(shù)據(jù)庫(kù)、SQL分析能力強(qiáng)、對(duì)JDBC有更好的支持等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控軟件采用Java技術(shù)開(kāi)發(fā)，通過(guò)JDBC的thin模式與Oralce10g相連，一旦連上，會(huì)自動(dòng)建表，并將接收到的數(shù)據(jù)按照表的結(jié)構(gòu)寫入業(yè)務(wù)網(wǎng)歷史庫(kù)Oralce10g。具體連接方式如下：

jdbc.password=password

jdbc.url=jdbc:oracle:thin:@歷史服務(wù)器IP地址:1521:數(shù)據(jù)庫(kù)的SID

jdbc.username=username

建立連接之后，網(wǎng)關(guān)機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況每隔一定的周期按照約定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往業(yè)務(wù)網(wǎng)歷史服務(wù)器中寫數(shù)據(jù)，供業(yè)務(wù)網(wǎng)查詢[4]。

3.2 雙通道功能

正常情況下，現(xiàn)地控制單元上傳的數(shù)據(jù)首先送至各分中心，再由分中心通信機(jī)通過(guò)IEC 60870-5-104通信協(xié)議上送至調(diào)度中心；調(diào)度中心下達(dá)的控制指令先到達(dá)分中心控制級(jí)，再下達(dá)各現(xiàn)地控制單元。遇到特殊情況時(shí)，調(diào)度中心可啟用備用通道，調(diào)度中心直接與各現(xiàn)地控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)采集及控制指令的下發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

具體實(shí)現(xiàn)是在調(diào)度中心側(cè)設(shè)置控制通道切換點(diǎn)，該控制通道切換點(diǎn)用于檢測(cè)分中心與調(diào)度中心的通信狀態(tài)，一旦檢測(cè)到分中心與調(diào)度中心IEC 60870-5-104通信故障，則將該值置“1”，通信程序自動(dòng)切換至備用通道。待主通道設(shè)備恢復(fù)正常后，程序自動(dòng)將控制通道切換點(diǎn)置“0”，恢復(fù)至主通道進(jìn)行通信。

3.3 調(diào)流閥開(kāi)度設(shè)值控制功能

該工程全線共計(jì)21臺(tái)調(diào)流閥，分布在沿線200多公里的管線上，輸水線路長(zhǎng)，水力過(guò)程復(fù)雜，對(duì)流量調(diào)節(jié)的精度要求很高，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)調(diào)流閥開(kāi)度能進(jìn)行精確控制。本文參考文獻(xiàn)[5]中對(duì)調(diào)流閥開(kāi)度的精度控制給出了三種控制方案，并分析了每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選擇了三種控制方案里最優(yōu)的控制方案二，但該方案受到調(diào)流閥控制箱PLC的制約，通信也有一定的延時(shí)，同時(shí)對(duì)調(diào)流閥開(kāi)度控制也有一定的誤差。為了解決此種方案存在的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)流閥控制方案進(jìn)行了改進(jìn)，采用I/O信號(hào)線直接采集開(kāi)度控制，具體控制方案結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 基于I/O信號(hào)線采集開(kāi)度的控制

在進(jìn)行調(diào)流閥開(kāi)度設(shè)值控制時(shí)，此種方案是AB PLC通過(guò)硬結(jié)線直接采集調(diào)流閥的實(shí)際開(kāi)度，與設(shè)定的目標(biāo)開(kāi)度進(jìn)行比較，若實(shí)際開(kāi)度＞目標(biāo)開(kāi)度，則進(jìn)行關(guān)閥操作，若實(shí)際開(kāi)度＜目標(biāo)開(kāi)度，則進(jìn)行開(kāi)閥操作，當(dāng)實(shí)際開(kāi)度與目標(biāo)開(kāi)度誤差在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，則進(jìn)行停閥操作。此種控制方案對(duì)調(diào)流閥的開(kāi)度采集、開(kāi)閥控制、關(guān)閥控制、停閥控制都是通過(guò)AB PLC與調(diào)流閥電動(dòng)頭相連的I/O信號(hào)線完成，擺脫了本文參考文獻(xiàn)[5]中的調(diào)流閥控制箱PLC的制約，在時(shí)間響應(yīng)、控制精度上都有很大的提高，而且依然保留了本文參考文獻(xiàn)[5]中的基于脈沖開(kāi)出對(duì)調(diào)流閥開(kāi)度進(jìn)行微調(diào)的功能，大大提高了調(diào)流閥控制的安全可靠性及控制精度。

3.4 累計(jì)流量計(jì)算功能

該工程累計(jì)流量是由流量計(jì)計(jì)算得到，而監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)與流量計(jì)進(jìn)行通信將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其拓?fù)鋱D見(jiàn)圖5。

圖5 流量計(jì)通信拓?fù)鋱D

圖中SJ-30B是南瑞自主研發(fā)的具有16路標(biāo)準(zhǔn)異步RS232串行接口，每個(gè)通信口都能夠擔(dān)當(dāng)聯(lián)入上級(jí)系統(tǒng)或下級(jí)設(shè)備通信的功能，各個(gè)通信接口均能獨(dú)立編程，通信組態(tài)方便，實(shí)際應(yīng)用靈活。SJ-30B通過(guò)串口將累計(jì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后送入AB PLC。由于累計(jì)流量是以IEEE754標(biāo)準(zhǔn)短浮點(diǎn)型表示，SJ-30B及PLC無(wú)法直接上傳。所以要在SJ-30B中進(jìn)行拆分上傳至PLC，再在PLC程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，然后上送至上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行畫面顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[6]。PLC處理的程序如下：

3.5 語(yǔ)音報(bào)警功能

壓力、流量是輸水管道的重要運(yùn)行參數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)全線管道的壓力、流量實(shí)時(shí)監(jiān)視，在全線管道上布置了很多壓力傳感器及流量計(jì)，但由于數(shù)量較多，而且輸水管線運(yùn)行工況復(fù)雜多變，壓力、流量會(huì)隨著運(yùn)行工況的不同而穩(wěn)定在不同的區(qū)間范圍內(nèi)，這就給值班人員的日常運(yùn)行管理帶來(lái)了很大的困難。為了減輕運(yùn)行管理人員的工作量，增強(qiáng)對(duì)壓力、流量運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視力度，開(kāi)發(fā)了語(yǔ)音報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)在壓力、流量運(yùn)行參數(shù)越限時(shí)能通過(guò)語(yǔ)音的方式告知運(yùn)行人員。

由于該工程工況較多，所以對(duì)壓力、流量運(yùn)行參數(shù)的高低限值不能固定，必須根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定高低限。為此在監(jiān)控軟件NC2000的畫面上布置高低限按鈕，運(yùn)行人員可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況人為輸入高低限值。通過(guò)高低限值與實(shí)際值進(jìn)行比較，一旦實(shí)際值越限，則會(huì)觸發(fā)一開(kāi)關(guān)量，然后通過(guò)語(yǔ)音的形式進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)NC2000監(jiān)控軟件的腳本如下：

if ($實(shí)際壓力$＞$壓力高限設(shè)值$ || $實(shí)際壓力$＜$壓力低限設(shè)值$ )

{$壓力越限報(bào)警$=1; }

else

{$壓力越限報(bào)警$=0; }

4 結(jié)束語(yǔ)

為了很好實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸水工程的運(yùn)行監(jiān)視及控制，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了很多功能的應(yīng)用。這些功能應(yīng)用，保障了輸水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。目前該工程已安全穩(wěn)定運(yùn)行3年，相信這些功能的成功應(yīng)用會(huì)給類似的工程提供有益的借鑒。

[1] 戴娜,羅招貴,周林虎,吳迪.大伙房長(zhǎng)距離輸水工程SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)[ J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2010，34(2):80-84.

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孔 斌（1986—），男，通信作者，助理工程師，主要從事水利水務(wù)自動(dòng)化工程方面的工作。Email：kongbin@sgepri.sgcc.com.cn

李 志安（1982—），男，工程師，主要從事水利水務(wù)自動(dòng)化工程方面的工作。Email：lizhian@sgepri.sgcc.com.cn

Key Functions Realization of Monitoring and Control System for the Long Distance Water Diversion Project

KONG Bin,LI Zhian
(NARI GROUP CORPORATION, Nanjing 210003,China)

This paper introduced the general situation of the Dahuofang Water Diversion Project. T System structure and function are given. This paper emphasized on elaboration the functions of writing data to service network; double-channel control; the opening of regulating valve control; calculation of cumulative flow; audio alarm. The realization of these functions can provide safe, reliable technique for the operation management of the Dahuofang water diversion project.

water diversion；monitoring and control system；NC2000