無(wú)人值守型水庫(kù)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行模式探討

周佳銘，倪 健

（南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

無(wú)人值守型水庫(kù)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行模式探討

周佳銘，倪 健

（南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

某水利樞紐是城市供水渠道中重要的中心樞紐，擔(dān)負(fù)著向城市供水的重要任務(wù)。從該水利樞紐的工程背景及運(yùn)行模式出發(fā)，提出該水利樞紐監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，著重對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)進(jìn)行分析與總結(jié)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng) 5種運(yùn)行模式之間的切換實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)流的功能，為今后聯(lián)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

無(wú)人值守；水庫(kù)；監(jiān)控系統(tǒng)；聯(lián)動(dòng)；運(yùn)行模式

0 引言

某水利樞紐工程為大二型二等工程，水庫(kù)總庫(kù)容 2.82 億m3。由水庫(kù)、總干進(jìn)水閘、0 + 227 節(jié)制閘、0 + 160 退水閘、水電站等建筑物組成。最大壩高 70.6 m，壩長(zhǎng) 1 900.0 m，壩頂高程 650.00 m，正常蓄水位 645.00 m，水電站總裝機(jī) 32 MW。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)按百年一遇設(shè)計(jì)，二千年一遇校核。

該水利樞紐監(jiān)控系統(tǒng)按“無(wú)人值班，少人值守”的原則設(shè)計(jì)，主要完成對(duì)水庫(kù)、水電站及渠道的聯(lián)動(dòng)控制，保證閘門(mén)及水電站更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。聯(lián)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)單控、小水電、水位、流量等模式及故障模式之間的切換保證運(yùn)行人員的管理，根據(jù)調(diào)度流量需求的不同，自動(dòng)切換對(duì)應(yīng)的模式運(yùn)行，具有高度的可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、實(shí)用性、創(chuàng)新性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)傳感器、現(xiàn)地控制單元和主控級(jí)上位機(jī) 3 部分組成，主要節(jié)點(diǎn)包括總干進(jìn)水閘、0 + 227 節(jié)制閘、0 + 160 退水閘及水電站，其中總干進(jìn)水閘（共 2 孔）和水電站負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)渠道和水庫(kù)的流量。監(jiān)控系統(tǒng)主控級(jí)上位機(jī)與現(xiàn)地控制單元之間采用 100 Mbit/s 光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1]，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

總干進(jìn)水閘、0 + 227 節(jié)制閘、0 + 160 退水閘能自動(dòng)采集被控對(duì)象的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括閘門(mén)開(kāi)度、消力塘和渠道水位、過(guò)機(jī)流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，接收來(lái)自調(diào)度中心的命令信息和數(shù)據(jù)，處理調(diào)度中心下發(fā)的渠道流量指令，并在事故或故障時(shí)自動(dòng)采集事故或故障發(fā)生時(shí)刻的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)警。

2.2 控制方式

閘門(mén)的控制方式分為現(xiàn)地手動(dòng)、自動(dòng)，遠(yuǎn)方自動(dòng)、聯(lián)動(dòng) 4 級(jí)控制，其中：現(xiàn)地手動(dòng)控制指運(yùn)行操作人員通過(guò)閘門(mén)動(dòng)力控制柜上的按鈕、把手等電氣元件，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行啟動(dòng)、關(guān)閉和停止的控制；現(xiàn)地和遠(yuǎn)方自動(dòng)控制分別是運(yùn)行操作人員通過(guò)現(xiàn)地控制單元柜觸摸屏的操作界面和主控機(jī)上位機(jī)的操作軟件，進(jìn)行閘門(mén)啟動(dòng)、關(guān)閉、停止和設(shè)值啟動(dòng)的控制；遠(yuǎn)方聯(lián)動(dòng)控制指操作人員輸入調(diào)度流量，選擇操作模式以后，閘門(mén)可以根據(jù)水電站流量和運(yùn)行狀態(tài)、渠道和水庫(kù)水位等數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷調(diào)節(jié)閘門(mén)的開(kāi)度，讓渠道的流量滿足調(diào)度流量，以達(dá)到無(wú)人值守的目的。遠(yuǎn)方聯(lián)動(dòng)控制包含以下5種模式：

1）單控模式。當(dāng)調(diào)度流量較小時(shí)，總干進(jìn)水閘可以滿足調(diào)度流量，水電站無(wú)需運(yùn)行機(jī)組，總干進(jìn)水閘會(huì)根據(jù)調(diào)度流量自動(dòng)選擇閘門(mén)進(jìn)行開(kāi)啟，根據(jù)閘門(mén)狀態(tài)自動(dòng)判斷開(kāi)啟順序和開(kāi)度?？刂品绞饺鐖D2所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 單控模式流程圖

2）水電站模式。當(dāng)調(diào)度流量較大時(shí)，總干進(jìn)水閘不能滿足調(diào)度流量，水電站需要將機(jī)組運(yùn)行起來(lái)，總干進(jìn)水閘會(huì)根據(jù)調(diào)度和水電站提供的流量自動(dòng)選擇閘門(mén)進(jìn)行開(kāi)啟，根據(jù)閘門(mén)狀態(tài)自動(dòng)判斷開(kāi)啟順序和開(kāi)度。控制方式如圖3所示。

圖3 水電站模式流程圖

3）流量模式。當(dāng)渠道水位平穩(wěn)后，現(xiàn)地控制單元 PLC 會(huì)采集水電站的流量，每隔 5 min 將采集的數(shù)據(jù)取平均值，并啟動(dòng)流量計(jì)算公式 Q閘門(mén)+ Q水電站= Q調(diào)度，判斷是否滿足調(diào)度流量，若不滿足，則自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)算程序 Q調(diào)度- Q水電站= Q閘門(mén)，將計(jì)算出的 Q閘門(mén)換算成閘門(mén)所需開(kāi)度[2]，流程則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到水電站模式流程對(duì)閘門(mén)再次判斷啟動(dòng)。若水電站發(fā)生故障停機(jī)，則將 5 min 判斷時(shí)間置位，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到水電站模式流程再次啟動(dòng)。

4）水位模式。當(dāng)渠道水位平穩(wěn)后，現(xiàn)地控制單元 PLC 會(huì)將渠道水位換算成對(duì)應(yīng)的流量[3]，判斷是否滿足調(diào)度流量，若不滿足，PLC 判斷兩孔閘門(mén)開(kāi)度，命令開(kāi)度較小的閘門(mén)上升 3 cm，每隔 10 min 自動(dòng)調(diào)用該模式對(duì)流量和閘門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)視。

5）故障模式。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生事故或者檢修不允許遠(yuǎn)方控制時(shí)，該模式會(huì)自動(dòng)切除遠(yuǎn)方聯(lián)動(dòng)和自動(dòng)模式，讓 PLC 無(wú)法控制閘門(mén)，確?，F(xiàn)場(chǎng)的安全。

2.3 控制優(yōu)先級(jí)

由于本監(jiān)控系統(tǒng)存在多種控制運(yùn)行方式，控制的優(yōu)先級(jí)排序從高到低依次如下：現(xiàn)地手動(dòng)控制，現(xiàn)地自動(dòng)控制，遠(yuǎn)方自動(dòng)控制，遠(yuǎn)方聯(lián)動(dòng)控制。

2.4 安全保護(hù)

通過(guò)閘門(mén)現(xiàn)地 PLC 控制系統(tǒng)及智能傳感器可實(shí)現(xiàn)以下多種安全防護(hù)，以保證閘門(mén)的運(yùn)行安全[4]：

1）閘門(mén)啟閉告警。在閘門(mén)啟閉機(jī)現(xiàn)場(chǎng)以聲音的形式提醒在現(xiàn)場(chǎng)的工作人員，以免發(fā)生事故。

2）電機(jī)過(guò)載保護(hù)。使閘門(mén)啟閉機(jī)避免出現(xiàn)由于工作電流過(guò)大而被燒毀的事故。

3）限位保護(hù)。保證閘門(mén)啟閉機(jī)在啟閉高度范圍內(nèi)運(yùn)行，避免超出工作范圍后發(fā)生事故。

4）過(guò)電壓保護(hù)。主要是指系統(tǒng)對(duì)電機(jī)三相供電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦某一相電壓超出正常工作范圍，系統(tǒng)將自動(dòng)切斷電機(jī)三相電源，以保證電機(jī)運(yùn)行的安全。

2.5 報(bào)警及事件處理

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)聲光、語(yǔ)音、畫(huà)面自動(dòng)推送等方式進(jìn)行報(bào)警，具體如下：

1）為保證系統(tǒng)工作安全，在總干進(jìn)水閘設(shè)置蜂鳴器聲光報(bào)警，用于閘門(mén)啟閉或故障時(shí)提醒工作人員。

2）在管理處中控室及調(diào)度中心計(jì)算機(jī)平臺(tái)配置語(yǔ)音報(bào)警。

3）在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生設(shè)備故障，閘門(mén)動(dòng)作失敗，電源或網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)分類報(bào)警，發(fā)生水位超限時(shí)自動(dòng)推出畫(huà)面報(bào)警，并進(jìn)行語(yǔ)音提示。一旦出現(xiàn)報(bào)警，工作人員需分析報(bào)警類型，采取果斷措施加以干預(yù)，保證渠道供水安全。

3 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度模式

根據(jù)調(diào)度流量可以選擇不同的模式進(jìn)行遠(yuǎn)方聯(lián)動(dòng)控制。

3.1 聯(lián)動(dòng)單控模式

聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)得到供水總量 ＜ 30 m3/s 的指令時(shí)，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)單控模式，開(kāi)啟單孔閘門(mén)運(yùn)行，開(kāi)啟優(yōu)先動(dòng)作 2# 閘門(mén)，關(guān)閉優(yōu)先動(dòng)作 1# 閘門(mén)：

1）當(dāng) 1# 閘門(mén)均處于全關(guān)位置時(shí)，開(kāi)啟 2# 閘門(mén)至目標(biāo)流量開(kāi)度，如 2# 閘門(mén)故障，開(kāi)啟 1# 閘門(mén)至目標(biāo)流量開(kāi)度。

2）當(dāng) 1# 閘門(mén)不處于全關(guān)位置，調(diào)度流量≥30 m3/s 時(shí)，關(guān)閉 1# 閘門(mén)，根據(jù) 1# 閘門(mén)停止后的閘門(mén)開(kāi)度，決定 2# 閘門(mén)需達(dá)到的開(kāi)度，如 2# 閘門(mén)故障，再啟閉 1# 閘門(mén)需達(dá)到的開(kāi)度。

3）當(dāng) 1# 閘門(mén)不處于全關(guān)位置，調(diào)度流量＜ 30 m3/s 時(shí)，開(kāi)啟 2# 閘門(mén)需達(dá)到的開(kāi)度，如 2# 閘門(mén)故障，再開(kāi)啟 1# 閘門(mén)需達(dá)到的開(kāi)度。

3.2 聯(lián)動(dòng)水電站模式

聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)得到供水總量 ≥ 30 m3/s 的指令時(shí)，判斷水電站是否在過(guò)水狀態(tài)。當(dāng)水電站在過(guò)水狀態(tài)，即為水電站供水模式。當(dāng)水電站不在過(guò)水狀態(tài)（導(dǎo)葉全關(guān)信號(hào)與流量計(jì)流量綜合判斷，流量異常時(shí)報(bào)警）時(shí)，具體動(dòng)作方案如下：

1）總干進(jìn)水閘兩孔閘門(mén)分別開(kāi)閘，PLC 程序自動(dòng)將兩孔閘門(mén)提升至閘門(mén)需求流量開(kāi)度約 1/2 處（優(yōu)先開(kāi)啟 2# 閘門(mén)至 1/2 處，剩余由 1# 閘門(mén)補(bǔ)齊）。

2）判斷小水電流量與調(diào)度目標(biāo)流量差在± 5 m3/s之間，則將 1# 閘門(mén)關(guān)閉后再關(guān)閉 2# 閘門(mén)。

3.3 聯(lián)動(dòng)流量模式

1）判斷小水電流量與調(diào)度目標(biāo)流量差不在± 5 m3/s 之間，根據(jù)剩余的閘門(mén)需求流量將兩孔閘門(mén)分別調(diào)整至閘門(mén)需求流量開(kāi)度約 1/2 位置（優(yōu)先開(kāi)啟 2# 閘門(mén)至 1/2 處，剩余由 1# 閘門(mén)補(bǔ)齊，關(guān)閉時(shí)優(yōu)先關(guān)閉 1# 閘門(mén)）。

2）當(dāng)小水電由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)為停機(jī)狀態(tài)時(shí)，小水電過(guò)水流量減少，當(dāng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)判斷小水電機(jī)組斷流（機(jī)組故障且全關(guān)或?qū)~全關(guān)，綜合判斷流量計(jì)流量是否 ＜ 10 m3/s，流量異常時(shí)報(bào)警）時(shí)，進(jìn)行升閘操作，PLC 程序自動(dòng)將兩孔閘門(mén)提升至閘門(mén)需求流量開(kāi)度約 1/2 處（優(yōu)先開(kāi)啟 2# 閘門(mén)至 1/2 處，剩余由 1# 閘門(mén)補(bǔ)齊）。

3）當(dāng)小水電由停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，小水電過(guò)水流量增大，當(dāng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)判斷機(jī)組流量增大（機(jī)組到達(dá)發(fā)電狀態(tài)，綜合判斷流量計(jì)流量是否＞ 30 m3/s，流量異常時(shí)報(bào)警）時(shí)，進(jìn)行降閘操作，PLC 程序自動(dòng)將兩孔閘門(mén)降低至閘門(mén)需求流量開(kāi)度約 1/2 處（優(yōu)先關(guān)閉 1# 閘門(mén)至 1/2 處，剩余由 2# 閘門(mén)補(bǔ)齊）。

3.4 聯(lián)動(dòng)水位模式

以渠道水位每隔 10 min 采集的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)，當(dāng)變幅超過(guò)下降 20 或上升 40 cm 時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)總干進(jìn)水閘，閘門(mén)每次開(kāi)啟或關(guān)閉 5 cm 進(jìn)行補(bǔ)流或減流，5 min 后再次判定是否要開(kāi)閘或關(guān)閘。

3.5 聯(lián)動(dòng)故障模式

當(dāng)出現(xiàn)閘門(mén)故障或者檢修后，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)直接退出，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)光字閃爍的同時(shí)上位機(jī)連續(xù)報(bào)警，提醒運(yùn)行人員。此時(shí)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)自鎖，只提供現(xiàn)地手動(dòng)控制權(quán)限 。

4 結(jié)語(yǔ)

該水利樞紐無(wú)人值守水庫(kù)與水電站聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)于 2016年 5 月完工，目前已投入使用，運(yùn)行狀態(tài)良好。該項(xiàng)目的建設(shè)與使用，極大方便了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行和管理，對(duì)于水電廠突發(fā)停機(jī)事故，閘門(mén)可以很好地完成補(bǔ)流工作，保證了渠道流量的穩(wěn)定性。

由于水庫(kù)水位和閘門(mén)開(kāi)度之間的流量關(guān)系不是成線性關(guān)系，該控制系統(tǒng)流量精度有待提高，需要長(zhǎng)期采集流量數(shù)據(jù)對(duì)閘門(mén)開(kāi)度和水庫(kù)水位進(jìn)行分析，對(duì)程序中的控制進(jìn)行分區(qū)段處理。目前系統(tǒng)中的單控、水電站、流量、水位及故障等模式自動(dòng)切換功能已基本實(shí)現(xiàn)，由于該系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，每種模式切換之前會(huì)提供聲光報(bào)警及彈出人工確認(rèn)按鈕，由運(yùn)行人員二次確認(rèn)后進(jìn)行切換，待該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，將取消人工二次確認(rèn)的流程，改為程序自動(dòng)切換模式。該系統(tǒng)的建設(shè)可為其他聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化建設(shè)提供參考。

[1] 李建存. 一種有價(jià)值的大用戶接入解決方案——星型網(wǎng)與環(huán)型網(wǎng)相結(jié)合的方案[J]. 通信學(xué)報(bào)，2003 (7): 84-85.

[2] 王正祥. 長(zhǎng)興縣泗安水庫(kù)閘門(mén)開(kāi)度與泄流量關(guān)系曲線的延長(zhǎng)分析[J]. 浙江水利科技，1998 (1): 30-33.

[3] 門(mén)玉麗，夏軍，葉愛(ài)中. 水位流量關(guān)系曲線的理論求解研究[J]. 水文，2009，29 (1): 1-3.

[4] 徐兵. 面向自動(dòng)測(cè)流閘門(mén)的傳感器開(kāi)發(fā)[D]. 北京：北方工業(yè)大學(xué)，2014: 23-28.

Discussion on running mode of unattended reservoir computer monitoring system

ZHOU Jiaming, NI Jian
(Nari Group Corporation, Nanjing 210003, China)

Taking on the important task of water supply to the city, the water conservancy hub is an important central hub in a city water supply channel. Based on the engineering background and operation mode of the water conservancy hub, it puts forward the design principle of the monitoring system, describes the operation mode of the system in detail, analyzes and summarizes the main features of the system. Through switching among 5 operation modes of the monitoring system, it realizes the function of automatic regulating to provide an important reference for the future design and construction of the linkage monitoring system.

unattended operation; reservoir; SCADA; linkage; running mode

TV697.1

A

1674-9405(2017)01-0057-05

10.19364/j.1674-9405.2017.01.014

2016-09-19

周佳銘（1988-），男，江蘇南京人，本科，主要從事電氣自動(dòng)化調(diào)試工作。