運行安全決策系統(tǒng)在大型供水工程中的應用

馬傳波

(遼寧省水利水電勘測設計研究院， 遼寧 沈陽　110003)

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運行安全決策系統(tǒng)在大型供水工程中的應用

馬傳波

(遼寧省水利水電勘測設計研究院， 遼寧 沈陽110003)

本文結合國內已建工程運行安全決策系統(tǒng)的實際運行情況，總結運行中的經驗、分析系統(tǒng)建設中需注意的幾個問題并提出優(yōu)化建議，供相關設計、研發(fā)及運行管理人員參考。

運行安全決策系統(tǒng)； 輸水工程； 應用

1　供水工程運行安全決策系統(tǒng)現(xiàn)狀

國內大型供水工程(如：南水北調工程、大伙房輸水二期工程、磨盤山水庫供水工程、萬家寨引水工程等)都具有供水距離長、供水流量大、工作壓力高、分水口多、控制設備種類繁多、配水工藝復雜的特點。任何設備出現(xiàn)異常均會導致系統(tǒng)出現(xiàn)運行安全問題。為保證系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行，需要建立完善的運行安全決策系統(tǒng)。運行安全決策系統(tǒng)項目設計的目的是通過充排水、正常工況、事故工況運行模擬分析計算，提供安全、合理的運行操作方案以及在運行中可能出現(xiàn)事故的處理預案；建立智能的決策系統(tǒng)，運行中實時對輸水系統(tǒng)安全進行跟蹤評估；能快速準確判定事故類型、地點及事故等級并發(fā)出事故報警信息；當發(fā)生極端事故工況時，調取預案庫中相應的事故處理預案，形成事故處理方案的操作指令，并具有自動下達指令的功能。最大程度保證供水安全，實現(xiàn)科學化、智能化管理。

在運行安全決策系統(tǒng)建設方面，大伙房輸水二期工程、磨盤山水庫供水工程、南水北調工程、萬家寨引水工程都有相關方面的嘗試。

1.1大伙房輸水二期工程

大伙房供水工程擁有比較完善的自動化、信息化系統(tǒng)，主要包括供水監(jiān)測與控制系統(tǒng)、供水模擬仿真培訓系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、智能腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)以及運行決策系統(tǒng)等。

為保證全線輸水安全，各支線用戶提供年用水計劃，每月召開供水調度例會，確定各用戶用水量。在通水前，編制事故處理應急預案，備調中心采用熱備用方式，當主調發(fā)生事故時，備調中心立即啟用。安全監(jiān)測系統(tǒng)對歷史采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和管理。管理單位現(xiàn)階段采用遠程控制系統(tǒng)對各配水站閥門進行操作，在遠程集中控制調度過程中，配合現(xiàn)地站實時視頻監(jiān)控信息以防出現(xiàn)機械和電氣故障?？傉{中心通過語音通話要求現(xiàn)場工作人員進行現(xiàn)地控制。通過工作過程中不斷總結、摸索，積累了豐富的運行經驗后，總調中心逐漸進入遠程控制與現(xiàn)地控制聯(lián)合操作階段。

1.2磨盤山水庫供水工程

磨盤山水庫供水工程2003年開工建設，2006年12月供水。磨盤山供水工程為單用戶供水，并且是哈爾濱市唯一水源，無其他調節(jié)水源，因此需滿足日調節(jié)要求，對調節(jié)精度要求較高，調節(jié)頻繁。

磨盤山供水工程自動化系統(tǒng)分為水庫、長距離輸水管線、水廠、調度中心四個部分。水庫有水文監(jiān)測、大壩監(jiān)測、閘門控制，其中閘門控制支持遠程操作。長輸管線沿途設置3個管理站，管理站設置流量調節(jié)閥和超聲波流量計，在調流閥后設穩(wěn)壓水池。另外沿線設置64個測壓點，包括閥門前后壓力、水位等，各測點數(shù)據(jù)通過GPRS上傳至調度中心和一個管理站做數(shù)據(jù)備份。通過測點采集的數(shù)據(jù)，能夠精確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)，為調度提供完善的數(shù)據(jù)基礎。

工程采用自動監(jiān)控系統(tǒng)，可進行遠程控制。流量調度要求4～5d調節(jié)一次，由調度中心通過語音通訊下達調節(jié)指令，現(xiàn)場進行操作。

在通水前，進行不同流量、不同水位組合的穩(wěn)態(tài)工況水力計算、檢修閥啟閉過程中瞬態(tài)工況的計算，得出閥門安全操作時間的建議值、管線事故處理預案、管網(wǎng)風險評估以及薄弱段分析。制訂詳細的事故預案，包括材料準備、人員組織、搶險隊伍、管件、設備等多方面內容。管理單位自建搶險隊伍，在搶修過程中，搶修時間主要為充放水時間。由于磨盤山水庫供水工程沒有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理處需有人值守。

1.3南水北調中線干線工程

南水北調工程運行調度系統(tǒng)在設計時屬于科研項目，委托長江勘測規(guī)劃設計研究院牽頭進行研究，研究內容包括調水模型、水力模擬計算等多方面，從2006年開始研究立項，2010年試運行，2014年正式通水運行，目前處于磨合階段。

南水北調的自動化系統(tǒng)建設包括閘站監(jiān)控、安全監(jiān)測、決策支持三大模塊。含有視頻監(jiān)視、水質監(jiān)測、工程防洪、三維仿真、安全決策等主要功能。其中閘站監(jiān)控是建立在密布于工程沿線的水位計、流量計之上的。安全監(jiān)測系統(tǒng)包含信息采集、查詢、分析、報警等功能。南水北調已經實現(xiàn)遠程集中控制，在北京南水北調局控制中心可以實現(xiàn)全部遠程操作，通過控制閘門開度，來控制供水流量、水位。

在現(xiàn)地站設置了較多高清視頻監(jiān)視點，在主調中心可以直接監(jiān)視分水口、閘室運行狀態(tài)和周邊情況。水量調度系統(tǒng)生成控制指令，閘站監(jiān)控系統(tǒng)接收并執(zhí)行。安全監(jiān)測系統(tǒng)部分傳感器需要為水量調度系統(tǒng)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

南水北調工程建設了完備的水質自動監(jiān)測系統(tǒng)、移動車載實驗室。水質自動監(jiān)測系統(tǒng)與閘控系統(tǒng)進行聯(lián)動，以防止污染物擴散。建設了三維仿真系統(tǒng)，涵蓋了整個工程的空間地理信息數(shù)據(jù)，為其他信息化系統(tǒng)提供地理信息數(shù)據(jù)支持。建立了完善的預案庫，編制了完整的應急和常態(tài)化調度措施。

南水北調工程十分重視數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析工作。采取自動采集與視頻監(jiān)視相結合，人工判斷、校核數(shù)據(jù)準確性。對安全監(jiān)測信息進行委托咨詢分析，以月為單位進行月報分析，以保證數(shù)據(jù)的可靠、準確。

1.4萬家寨引黃工程

萬家寨引黃工程1992年開工建設，2009年完工。工程的監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構，由太原總調、泵站、現(xiàn)地組成。工程有20000多個數(shù)據(jù)采集點。其中包括66套流量計、44套水位計，以及沿線布置的500多個攝像頭提供系統(tǒng)的水力基礎數(shù)據(jù)。

引黃工程包括6座調蓄水庫，調節(jié)容積大，水庫水位變幅較小，且用戶直接從調蓄水庫取水。經過多年摸索，并判定保證調蓄水庫的水位穩(wěn)定便可滿足調度要求，因此，引黃工程的控制采用以水位控制為主、流量控制為輔的運行模式。

引黃工程目前采用的是遠程集中控制，現(xiàn)地監(jiān)視，數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)完全的自動化。主要通訊線路采用自建光纜，自建線路沿管渠、隧洞鋪設，采取了完善的維護管理措施，有專職人員進行維護管理，現(xiàn)運行良好。

2　運行安全決策系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及總結

2.1簡單易行的決策系統(tǒng)為運行管理創(chuàng)造了方便

從調度運行方面來講，國內的主要工程都盡量采用工程措施以簡化運行調度方案，滿足運行需求，保證運行安全。大型引水工程需要需水用戶提前做出以月為單位的供水需求，運行過程中嚴禁輸水量頻繁變化。

大伙房供水工程以配水站為運行調節(jié)核心，通過調流閥控制各支線水量。磨盤山引水工程用戶只有哈爾濱市，工程一對一供水，通過兩條干線的調流閥按需調節(jié)水量。南水北調中線工程用戶多，調度復雜，但工程大部分是明渠供水，而且有退水措施，通過閘站的閘門開度控制整個系統(tǒng)的水位、流量。萬家寨引黃工程利用調蓄水庫，將整個工程人為地分開，用戶直接從調蓄水庫取水，引水泵站的運行只需根據(jù)水庫水位情況確定機組運行臺數(shù)。通過各個機組的啟停來調節(jié)供水流量，流量分級供給調蓄水庫。

2.2監(jiān)測信息全面、準確是安全調度的前提

為了能夠保證遠程操作、安全決策的準確性，必須進行全面、準確的信息采集與監(jiān)測。

磨盤山供水工程長輸管線沿途設置3個管理站，上百個測點監(jiān)測閥門前后壓力、水位、流量等實時信息；南水北調中線工程為保證數(shù)據(jù)準確性，專門進行安全監(jiān)測數(shù)據(jù)咨詢工作，進行數(shù)據(jù)分析月報，數(shù)據(jù)采集頻率為毫秒級(每毫秒采集4個)，并且計劃沿線每500m設置一個高清攝像頭對工程進行全面監(jiān)視。萬家寨引黃工程擁有20000多個數(shù)據(jù)采集點。其中包括66套流量計、44套水位計提供系統(tǒng)水力基礎數(shù)據(jù)，以及沿線布置的500多個攝像頭，為總調人員提供了工程運行調度所需的全面信息。

2.3理論計算與專業(yè)人員實踐經驗有機結合

安全決策系統(tǒng)建立在理論計算的基礎上，在研發(fā)過程中，需要設計、管理單位及最終用戶參與其中，提供具體的使用需求，以便系統(tǒng)使用起來能夠做到方便實用、操作簡單。但是，由于設備安裝誤差、通信中斷、人為誤操作、初期水力參數(shù)及設備參數(shù)率定等原因，在運行初期，還不能完全依靠系統(tǒng)指令進行操作，需要經驗豐富的專家和運行人員對系統(tǒng)所提供的決策進行人工判斷，確定其可行后再執(zhí)行相關操作，如果與實際情況不符，就需要開發(fā)人員繼續(xù)完善系統(tǒng)。因此，安全決策系統(tǒng)與實際運行對接需要長時間的經驗積累和磨合。

大伙房供水工程、南水北調工程的安全決策專家系統(tǒng)目前正處于磨合階段，尚未實現(xiàn)對接。引黃工程擬對設備進行改造以完善遠程控制系統(tǒng)。

2.4統(tǒng)一調度、集中控制、分級管理

采取統(tǒng)一調度、集中控制、分級管理等措施，制訂完備的事故響應措施及應急預案。對事故進行分級處置，分級設置相應的應急管理辦法、綜合預案、專項預案等。同時，每年有組織地進行搶險演習、預案演練。

2.5事故工況和極端事故工況還未接入控制系統(tǒng)

目前，雖然南水北調、引黃、磨盤山、大伙房輸水二期等工程都做了事故工況和極端事故工況分析及處理預案，但處理預案一直沒有自動接入控制系統(tǒng)。主要原因包括：

a.極端事故工況條件下，其安全危害不是特別嚴重，并允許有一定的響應時間。南水北調工程大部分為明渠，出現(xiàn)事故時，明渠有一定的自調節(jié)功能，明渠水位波動危害相對較??；引黃工程每一級泵站前后均有進出水池，自動消減停泵水錘，泵前閥門事故時自動關閉；磨盤山引水工程為有壓重力流引水，壓力低(最高靜壓105m)，流量小(單管最大流量5.2m3/s)，出現(xiàn)爆管工況時，安全危害相對較小。

b.對事故工況自動檢測及分析判定沒有把握，誤判風險高。判定事故采用的壓力、流量等數(shù)據(jù)信號，由于采用的設備質量差、性能不穩(wěn)定、測量誤差大等原因，造成采集的基礎數(shù)據(jù)不可靠，容易出現(xiàn)誤判。另外，在建設階段，未考慮電腦自動判斷事故，設置的基礎數(shù)據(jù)測點不全，分析數(shù)據(jù)不足，使事故分析可靠性降低。這也是沒有將事故判斷和事故自動控制接入控制系統(tǒng)的主要原因之一。

c.目前，各工程投入運行時間較短，管道設施還處在初始階段的良好服役狀態(tài)，沒進入老化、腐蝕損壞的運行狀態(tài)，各工程沒有出現(xiàn)危害較大的爆管工況，所以沒有把極端事故工況急于納入自動控制運行中，只是研究出預案，部分工程擬與控制接合調度。

3　建　議

安全決策系統(tǒng)是未來保證供水安全，實現(xiàn)科學化、智能化管理的關鍵環(huán)節(jié)。結合國內安全決策系統(tǒng)運行的實際情況，提出以下幾點建議：

a.安全決策系統(tǒng)必須不斷與運行實際相結合，不可能在初期就形成滿足全部調度工況的完善系統(tǒng)，軟件需要在工程運行期間根據(jù)實際運行情況進行優(yōu)化與完善。

b.由于輸(供)水工程線路長，制造承包商、安裝承包商眾多，可能會帶來相應制造、安裝誤差，影響設備運行。部分設備工作環(huán)境潮濕、惡劣，運行一定時間后可能會導致設備誤差增加、意外故障等情況，影響采集參數(shù)的準確性。建議流量、壓力、液位傳感器采用較成熟、可靠、先進的設備。

c.由于管道沿線人文條件復雜，空氣閥、排水閥有可能被人為惡意破壞，從而引發(fā)系統(tǒng)誤報警、誤操作。建議加強運行期間的巡視與監(jiān)測。

[1]關志誠,陳雷.引調水工程建設與應用技術[J].中國水利,2010(20)：32-35.

[2]楊剛.事故應急決策系統(tǒng)在北疆供水工程水庫中的應用[J].水利建設與管理,2013(7):71-73.

[3]張金承.長距離大落差重力流管道輸水技術[J].水利建設與管理,2011(4)：13-15.

Application of operation safe decision-making system in large water supply project

MA Chuanbo

(LiaoningWaterResourcesandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Shenyang110003,China)

In the paper, actual operation condition of operation safety decision-making system in domestic construction projects is combined for summarizing experience in operation, analyzing several problems that should be noted in system construction, and proposing optimization suggestion. The suggestions can be regarded as reference by related design, research development and operation management personnel.

operation safety decision-making system; water conveyance project; application

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.019

TV67

B

1005-4774(2016)09- 0075- 04