智慧水利水閘系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫國慶++陳江天++張文劍++王勇

摘 要：文中針對閘站群水閘數(shù)量眾多、地理位置分散，運行管理實時性、可靠性要求高等問題，采用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、云計算、智能控制等先進信息技術(shù)，實時采集閘站數(shù)據(jù)，基于智慧水利云平臺構(gòu)建智慧水閘系統(tǒng)，結(jié)合內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)、河道湖泊巡查數(shù)據(jù)綜合分析，實現(xiàn)水閘、水泵的遠(yuǎn)程可視化集中統(tǒng)一管理和智能聯(lián)合調(diào)度，確保水閘高效、經(jīng)濟、安全運行。

關(guān)鍵詞：水閘；地理信息系統(tǒng)；智能調(diào)度；智慧水利

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

水閘是重要的水利設(shè)施之一，在泄洪抗災(zāi)等方面具有重要作用，吳中區(qū)水網(wǎng)稠密，湖泊河道眾多，已建成基礎(chǔ)水利站點300多個，分布在吳中區(qū)的不同位置，作為擋潮排澇的重要樞紐，現(xiàn)有水閘運行系統(tǒng)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和智能水量調(diào)控功能，不能滿足實時監(jiān)管需求。

智慧水利水閘系統(tǒng)研究閘站群的實時監(jiān)測和運行管理，針對閘站群水閘數(shù)量眾多、地域分散，運行管理的實時性、可靠性要求高等特征，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進信息技術(shù)，建設(shè)智慧水利云平臺，實時采集河道水位信息，結(jié)合內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)、河道湖泊巡查數(shù)據(jù)進行綜合分析，智能調(diào)控各個閘站閘門、水泵等設(shè)備，實現(xiàn)統(tǒng)一集中管理，實時監(jiān)測和智能調(diào)度，實現(xiàn)各河道水閘遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，切實增強防汛抗旱及水資源、水環(huán)境保護能力，實現(xiàn)人水和諧。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)覆蓋吳中區(qū)水系范圍的水利閘站自動控制、水利信息監(jiān)測、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，改造吳中區(qū)水利監(jiān)控中心和分控中心，新建水利數(shù)據(jù)中心、水利監(jiān)控專網(wǎng)，搭建智慧水利軟件平臺，實現(xiàn)集信息采集、自動控制和指揮調(diào)度為一體的現(xiàn)代化水利信息系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)閘門信息的實時采集，以及相關(guān)環(huán)境參數(shù)和啟閉設(shè)備的監(jiān)視、控制及管理，使閘門啟閉準(zhǔn)確無誤。實現(xiàn)各河道水閘遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，現(xiàn)場不需值班人員，只需不定期巡視即可，達到減員增效，降低管理成本的目的，在充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)和資源的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)吳中地區(qū)水資源優(yōu)化配置，提高水資源利用效率和保護能力，增強防汛抗旱能力。

1.2 系統(tǒng)功能

吳中區(qū)智慧水利水閘系統(tǒng)通過與現(xiàn)有水利已經(jīng)建設(shè)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合，全面、高效、便捷的監(jiān)控水利工程設(shè)施實時工況及運行管理的全過程。在防汛抗災(zāi)等重要時期，在吳中區(qū)水利局監(jiān)控中心及相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠匯合集中所有實時資料信息，并以GIS為基礎(chǔ)，以實時圖像、圖表、聲音、曲線、報表等直觀方式進行展示。

可遠(yuǎn)程實時監(jiān)測閘門狀態(tài)、上下游水位等信息；遠(yuǎn)程實時監(jiān)測水泵、閥門等運行狀態(tài)、故障信息以及水泵進出口壓力等信息；遠(yuǎn)程點動控制閘門開關(guān)狀態(tài)；遠(yuǎn)程點動控制水泵、閥門的開關(guān)狀態(tài)；根據(jù)水位自動控制閘門啟閉；參數(shù)設(shè)置和調(diào)整；根據(jù)水位及系統(tǒng)運行需求設(shè)定工況，自動控制閘門、水泵及閥門；根據(jù)防汛抗旱系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合分析結(jié)果自動控制閘門、水泵及閥門；具有系統(tǒng)運行信息、水位水情信息存儲、查詢等功能，并能生成報表、曲線等；系統(tǒng)故障、水位越線報警等。

1.3 系統(tǒng)組成

智慧水利水閘系統(tǒng)分為調(diào)度管理系統(tǒng)、分控中心、現(xiàn)地控制三部分，由服務(wù)器、操作員站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動控制系統(tǒng)、智慧水利平臺軟件、視頻監(jiān)控、智能電表及水位、壓力、開度等傳感器組成，采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)。智慧水利水閘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

1.4 智慧水利平臺軟件

智慧水利平臺軟件以GIS平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于SOA的共性服務(wù)平臺和運行管理平臺，實現(xiàn)信息和服務(wù)資源共享。系統(tǒng)融合吳中區(qū)基礎(chǔ)地理地形數(shù)據(jù)，標(biāo)注攝像頭、水閘、泵站、內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測站地理位置，實現(xiàn)管理目標(biāo)快速定位，能夠快速瀏覽、查詢歷史資料與實時信息和預(yù)測信息；采集各閘站實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后疊加在智慧水利平臺軟件上，在水利局調(diào)度中心操作員站和大屏幕上展示，供調(diào)度指揮人員及時掌握各站點的運行情況。智慧水利平臺軟件架構(gòu)如圖2所示。

通過綜合分析各種實時數(shù)據(jù)，及時制定或優(yōu)化調(diào)度方案，對閘（泵）站進行實時監(jiān)控，根據(jù)防洪抗旱聯(lián)合調(diào)度方案調(diào)度控制閘站設(shè)備。通過遙測數(shù)據(jù)和視頻等實時上傳的信息合理調(diào)度工作人員進行防洪搶險、水環(huán)境保護、物資調(diào)度。建設(shè)專項數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)服務(wù)，存儲、發(fā)布閘站數(shù)據(jù)，融入水利公共信息資源庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一存儲，對智慧水利各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源支撐和共性服務(wù)，并為其他業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供信息服務(wù)。

智慧水利軟件基礎(chǔ)功能模塊包括GIS、視頻監(jiān)控、實時展示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報表、決策支持以及水利設(shè)施設(shè)備電子檔案等，實現(xiàn)閘站群的運行監(jiān)測、智能調(diào)度、視頻監(jiān)測以及設(shè)施設(shè)備管理等功能。

1.4.1 運行監(jiān)測

總體監(jiān)測以GIS為底圖，標(biāo)注各閘站的地理位置，點擊可進入對應(yīng)閘站運行監(jiān)測界面，實時顯示閘門開閉狀態(tài)，閘前、閘后水位，以及閘門啟閉的整個過程。閘門操作時，可調(diào)出視頻監(jiān)控窗口，結(jié)合實時采集的閘門開度、電機電流、電壓等實時參數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的可視化，確保系統(tǒng)安全。

1.4.2 智能調(diào)度

智能調(diào)度系統(tǒng)隨著水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新和內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)閘站動作策略發(fā)送調(diào)度指令。根據(jù)閘站、河道監(jiān)測點監(jiān)測到的水位信息，天氣預(yù)報的降水、風(fēng)力等情況，同時兼顧水閘的擋潮、排淡、過魚、攔污、通航等功能，生成相關(guān)調(diào)度指令以控制水閘、水泵的開關(guān)，實現(xiàn)閘站的智能聯(lián)合調(diào)度，達到防洪、排澇的目的。

1.4.3 視頻管理

查看閘站實時運行情況，實現(xiàn)安防功能。有云臺控制的攝像機可進行云臺控制，所有視頻畫面可進行抓圖、保存。利用多種視頻點播手段查看視頻，多模式的顯示方式實現(xiàn)閘站實時監(jiān)視，通過執(zhí)行輪巡預(yù)案、區(qū)域組預(yù)案，動態(tài)掌握閘站現(xiàn)場實時態(tài)勢；視頻回查實現(xiàn)視頻查詢功能，通過視頻快照、視頻倒放、播放控制等功能快速定位查詢內(nèi)容。endprint

1.4.4 設(shè)施設(shè)備管理

閘站群包含的設(shè)施設(shè)備數(shù)量大，種類多，應(yīng)建立電子檔案，管理各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，包括地理位置、編號、建成時間、投運時間、檢修時間、設(shè)備廠家及參數(shù)等。

1.5 自動控制系統(tǒng)

閘站自動控制系統(tǒng)分為主控制級和現(xiàn)地控制級。主控制級負(fù)責(zé)完成整個閘站的監(jiān)視和控制?，F(xiàn)地控制單元具有相對獨立性，能脫離主控制層直接完成閘控過程實時數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，以及各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)整和控制等功能。

1.5.1 現(xiàn)地控制系統(tǒng)

采用基于PLC的閘門、水泵自動控制系統(tǒng)，控制方式簡便，PLC配置以太網(wǎng)通訊模塊和模擬量、開關(guān)量輸入輸出模塊，水閘控制系統(tǒng)增加SSI模塊，用于接收閘門開度信息。水閘和水泵各設(shè)置一套現(xiàn)地控制單元，實現(xiàn)現(xiàn)地控制功能，與分控中心、調(diào)度中心通過以太網(wǎng)方式通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并能接收調(diào)度指令。

人機界面：現(xiàn)地LCU設(shè)置操作終端根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計各操作界面，現(xiàn)場操作人員根據(jù)屏幕上的中文提示，輕觸屏幕上的按鈕來控制閘門的啟閉，同時又可在屏幕上查看電機工作電壓、電流，以及閘位和水位的實時數(shù)據(jù)，顯示各種故障和報警信息等，具有顯示直觀，操作簡便等特點。

控制策略：水閘根據(jù)河道、湖泊水位或接收調(diào)度指令可實現(xiàn)全開、全關(guān)及開到設(shè)定開度位置等，通過水閘開度儀實時監(jiān)測開度，開到相應(yīng)位置時自動關(guān)閉水閘電機；水泵根據(jù)水位自動啟停及開關(guān)閥門，在正常水位時，各水泵自動輪換工作，在危險水位時，自動投入必要數(shù)量的水泵；根據(jù)所監(jiān)測的水位信號，設(shè)定低水位、中水位和高水位信號?？稍O(shè)置各種運行工況，如低水位時停泵；中水位時水泵2臺運行、2臺備用；高水位時，依據(jù)水位上升趨勢，依次開啟1#、2#、3#、4#水泵。實現(xiàn)泵閥聯(lián)動控制，對運行中的各種參數(shù)進行實時監(jiān)控。

系統(tǒng)保護：主回路和電機的繼電保護功能由帶脫扣裝置的斷路器及熱繼電器實現(xiàn)，具有短路、過載等功能。繼電保護信號獨立于現(xiàn)地控制單元，通過直接作用于控制回路來切斷主回路電源，保護負(fù)載設(shè)備。同時設(shè)有繼電保護信號顯示功能，并能通過現(xiàn)地控制單元實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，將故障信息傳遞給水閘控制單元。

1.5.2 分控中心

通常情況下配置一臺操作員工作站，關(guān)鍵的水利樞紐閘站可采用雙機冗余熱備工作方式。正常情況下一臺工作，一臺備用，主計算機故障，則由備用計算機接替，自動完成雙機無擾動切換。部署監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺通過數(shù)據(jù)管理器進行標(biāo)簽管理，定義現(xiàn)地控制單元的過程變量或內(nèi)部變量標(biāo)簽，周期性讀取位狀態(tài)，自動采集各現(xiàn)地控制單元的狀態(tài)量，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集、顯示、報警和操控，能夠接收調(diào)度系統(tǒng)發(fā)來的調(diào)度指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。

2 結(jié) 語

本文針對閘站群地理位置分散、水閘數(shù)量眾多等特點，借助智慧水利項目建設(shè)，設(shè)計智能控制系統(tǒng)和水閘軟件，實現(xiàn)閘站群的智能聯(lián)合調(diào)度。吳中區(qū)智慧水利項目一期已建設(shè)完成并投入運行，實現(xiàn)閘站群運行管理預(yù)期目標(biāo)，該項目的成功實施為類似閘站群實現(xiàn)集中高效管理提供了實踐經(jīng)驗，具有一定的參考價值。

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