密云水庫(kù)調(diào)蓄工程調(diào)度運(yùn)行方式的研究

姜舒 于賢磊 戴康 魯健

摘要：簡(jiǎn)單介紹了北京密云水庫(kù)調(diào)蓄工程的工程概況，詳細(xì)論述了工程全線調(diào)水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的原理方法、設(shè)計(jì)原則及控制流程。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào);監(jiān)控系統(tǒng);動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié);自動(dòng)化

為提高城市供水的可靠性和穩(wěn)定性，解決南水北調(diào)來(lái)水與北京市用水過(guò)程不匹配問(wèn)題，設(shè)置大型調(diào)蓄工程不可避免。將南水北調(diào)水調(diào)入密云水庫(kù)，不僅解決密云水庫(kù)近年來(lái)供水功能逐年下降問(wèn)題;同時(shí)還解決密云水庫(kù)蓄水量少，不能滿足補(bǔ)償調(diào)節(jié)要求的問(wèn)題。調(diào)水工程建成后，南水北調(diào)在北京市的供水范圍跟著擴(kuò)大，昌平、懷柔等新城地區(qū)也能順利的用上南來(lái)之水。

一、概述

密云水庫(kù)調(diào)蓄工程作為北京南水北調(diào)的一個(gè)重要配套工程，對(duì)于消納南水北調(diào)來(lái)水、實(shí)現(xiàn)北京水資源優(yōu)化配置起到了重要作用。工程線路總長(zhǎng)103km，主要內(nèi)容包括9座泵站、節(jié)制閘，PCCP管道，泵站水機(jī)、電氣設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備等，總揚(yáng)程達(dá)到132.85m。9座泵站設(shè)計(jì)臥式雙吸離心泵、立式軸流泵、立式混流泵等泵型，總裝機(jī)容量為36320kW。

二、控制原理

輸水的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)是一種可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和管理的系統(tǒng)，它要求能對(duì)整個(gè)輸水渠道上各站點(diǎn)的流量和設(shè)備進(jìn)行持續(xù)的閉環(huán)控制，對(duì)泵站自動(dòng)化程度要求極高。為了能實(shí)現(xiàn)工程調(diào)水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)，各現(xiàn)地站不僅要建立一套合理且完善的調(diào)度運(yùn)行管理模式，還必須配備相對(duì)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和被控設(shè)備設(shè)施，通過(guò)專用通信網(wǎng)把全線各站連接成一個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體，在時(shí)間上和空間上對(duì)整條線路上各控制設(shè)施（泵站、節(jié)制閘等）進(jìn)行全面控制。

動(dòng)態(tài)調(diào)水過(guò)程中，調(diào)度指揮中心的調(diào)水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)可遠(yuǎn)程控制整個(gè)調(diào)水線路上每一個(gè)控制設(shè)施的動(dòng)作。在調(diào)水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，它不僅要做到控制某個(gè)現(xiàn)地控制站設(shè)備設(shè)施的動(dòng)作、采集該現(xiàn)地控制站的流量、水位等數(shù)據(jù)的功能，而且要求通過(guò)計(jì)算相鄰泵站輸、送水流量變化來(lái)統(tǒng)籌控制。為了防止渠道水面波動(dòng)范圍過(guò)大，泵站的開(kāi)、停機(jī)次序和臺(tái)數(shù)應(yīng)按一定的順序和方式進(jìn)行。當(dāng)渠道流量需要改變時(shí)，可由兩種方式實(shí)現(xiàn)。一種是遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場(chǎng)各站交出遠(yuǎn)程調(diào)度權(quán)限，由調(diào)度中心通知現(xiàn)場(chǎng)各站調(diào)節(jié)目標(biāo)，并直接遠(yuǎn)程控制各站開(kāi)（停）機(jī)、葉片調(diào)節(jié)等操作，現(xiàn)場(chǎng)各站做好記錄。另一種是現(xiàn)地操作，調(diào)度中心向各管理所及各現(xiàn)地控制站下達(dá)開(kāi)（停）機(jī)指令或頻率、葉角變化指令后，由各現(xiàn)地控制站執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)令，進(jìn)行開(kāi)（停）機(jī)、葉片調(diào)節(jié)操作。不同兩種方式的動(dòng)態(tài)輸水調(diào)節(jié)過(guò)程都可實(shí)現(xiàn)全線工程的調(diào)水動(dòng)態(tài)控制。

三、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

為確保工程調(diào)水系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行，密云水庫(kù)調(diào)蓄工程實(shí)行“統(tǒng)一調(diào)度，分級(jí)管理”的調(diào)度運(yùn)行管理體制。因此，結(jié)合工程管理、運(yùn)行維護(hù)、穩(wěn)定可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等多方面考慮，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.從工程的調(diào)度運(yùn)行管理體制出發(fā)，結(jié)合工程調(diào)水距離較長(zhǎng)、現(xiàn)地站點(diǎn)較多、又要求集中統(tǒng)一調(diào)度和分級(jí)管理的特點(diǎn)，應(yīng)依照統(tǒng)一調(diào)度、分級(jí)管理、分散布置、分層分布的原則來(lái)建立全線工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.工程要求三個(gè)季度不定時(shí)調(diào)水運(yùn)行，因此必須用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制的方式來(lái)提高調(diào)水的快速性、時(shí)效性。

3.考慮到調(diào)水線路上各現(xiàn)地控制站之間為串聯(lián)調(diào)控方式。因此，為保證整條線路自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。各站點(diǎn)的重要控制設(shè)備必須采用雙機(jī)熱備冗余配置。

4.為適應(yīng)多種調(diào)度運(yùn)行管理模式，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)操作應(yīng)簡(jiǎn)便，結(jié)合工程調(diào)度、運(yùn)行管理和控制方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警提示功能。

5.為確保工程安全可靠的運(yùn)行，全線工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)原則上應(yīng)考慮備用通信手段，在主通信通道出現(xiàn)故障情況下，備用通道應(yīng)能滿足各現(xiàn)地站控制的基本功能。

6.為考慮科技的發(fā)展，方便日后自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)更新改造和各種可控設(shè)備的更新?lián)Q代，工程整體的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)采用開(kāi)放型、可兼任、可擴(kuò)充的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

四、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)總體部署

根據(jù)本工程調(diào)度運(yùn)行模式和工程管理?xiàng)l例，為滿足工程運(yùn)行管理要求，密云調(diào)蓄工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案采用由兩個(gè)層次組成的光纖環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即：設(shè)置調(diào)度中心層、現(xiàn)地控制層。兩個(gè)層級(jí)不僅參與調(diào)水的運(yùn)行控制和管理，還參與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視和歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

1.調(diào)度中心層。

設(shè)一個(gè)調(diào)度中心站，位置在北京團(tuán)城湖管理處，便于對(duì)全線調(diào)水工程的統(tǒng)一調(diào)度。

2.現(xiàn)地控制層。

全線設(shè)9個(gè)現(xiàn)地控制站，沿線根據(jù)地理地勢(shì)平均分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)各現(xiàn)地設(shè)備的運(yùn)行、控制與監(jiān)視功能。

調(diào)度中心站、現(xiàn)地控制站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成局域網(wǎng)，它們之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)專用通信網(wǎng)連接，整體構(gòu)成樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。全線監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

五、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能組成

1.調(diào)度中心層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

調(diào)度中心層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是全線工程調(diào)水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)著整個(gè)調(diào)水工程的水量計(jì)算和調(diào)配、運(yùn)行管理及協(xié)調(diào)工作，同時(shí)還提供調(diào)配水的決策、水情分析、辦公自動(dòng)化和渠道安全監(jiān)測(cè)等多種服務(wù)。密云水庫(kù)調(diào)蓄工程調(diào)度指揮中心通過(guò)對(duì)全線9個(gè)現(xiàn)地控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，監(jiān)視整個(gè)輸水工程的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況。根據(jù)南水北調(diào)工程的運(yùn)行管理規(guī)定，全線各站的工程運(yùn)行情況必須由調(diào)度指揮中心統(tǒng)一調(diào)度管理。因此，調(diào)度指揮中心需在保證工程安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)水線路水情和水質(zhì)以及地區(qū)氣象變換等多種因素，制定出經(jīng)濟(jì)、合理的最佳用水調(diào)度計(jì)劃，下達(dá)給各管理所及現(xiàn)地控制站，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整條輸水線的宏觀調(diào)控。

2.現(xiàn)地控制層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

作為執(zhí)行調(diào)令的最基礎(chǔ)、最直接的機(jī)構(gòu)，各現(xiàn)地控制站配備了相對(duì)完整而又獨(dú)立的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)遠(yuǎn)方調(diào)度指揮中心下達(dá)的控制指令，以及各自的站前站后水位狀況，計(jì)算機(jī)組、葉角、頻率的組合，實(shí)現(xiàn)水量控制目標(biāo)。即使當(dāng)現(xiàn)地站與調(diào)度指揮中心的數(shù)據(jù)通訊全部中斷時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的設(shè)備設(shè)施監(jiān)控工作。

六、調(diào)水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制

1.系統(tǒng)控制流程

密云水庫(kù)調(diào)蓄工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度指揮中心和各現(xiàn)地控制站的協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線設(shè)施的全面控制。為確保全線輸水協(xié)工作能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)構(gòu)之間應(yīng)當(dāng)相互配合，協(xié)調(diào)運(yùn)行，進(jìn)行合理的分工。本工程調(diào)水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

2.工程運(yùn)行方式

2.1常規(guī)運(yùn)行情況。

調(diào)度指揮中心根據(jù)每月調(diào)節(jié)池及水庫(kù)的水量、調(diào)水線路的水情和水質(zhì)以及地區(qū)氣象變化等多種因素進(jìn)行綜合運(yùn)算，制定出每天的渠道調(diào)水的預(yù)調(diào)度計(jì)劃。在此基礎(chǔ)上調(diào)度指揮中心再根據(jù)每天的水情氣象信息、渠道運(yùn)行狀態(tài)等的情況，每天下達(dá)出數(shù)次水量調(diào)度計(jì)劃給各現(xiàn)地控制站。

現(xiàn)地控制站是全線調(diào)水調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，也是直接控制機(jī)構(gòu)，執(zhí)行上級(jí)下達(dá)的控制指令，實(shí)時(shí)控制泵站機(jī)組的起停和葉角、頻率的組合，并每?jī)尚r(shí)采集現(xiàn)地控制設(shè)備的信息。

2.2特殊運(yùn)行情況。

如遇到突發(fā)事件，現(xiàn)地控制站可直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，并于事后及時(shí)上報(bào)調(diào)度指揮中心。

七、結(jié)語(yǔ)

調(diào)水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能實(shí)時(shí)有效的滿足全線調(diào)水的安全可靠性。目前，密云水庫(kù)調(diào)蓄工程的各站機(jī)組運(yùn)行效率并未達(dá)到理想狀態(tài)，如何提高機(jī)組運(yùn)行效率、降低能源單耗，實(shí)現(xiàn)調(diào)水動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)只是一方面，在保障安全調(diào)水的前提下，如何控制各現(xiàn)地站在額定揚(yáng)程下、實(shí)現(xiàn)額定流量運(yùn)行，有待進(jìn)一步的深入研究。

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