SCADA系統(tǒng)在水閘聯(lián)合調(diào)度及運(yùn)行管理中的應(yīng)用前景

李縣林

（中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 前言

目前水利部正在大力推進(jìn)智慧水利總體方案及加快推進(jìn)省級水網(wǎng)建設(shè),推動物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、遙感與遙測無人機(jī)、BIM技術(shù)以及人工智能等新興技術(shù)與大灣區(qū)水利業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合,為大灣區(qū)建設(shè)及流域的水安全建設(shè)提供信息化支撐。在這種大背景下,本文介紹了在其他行業(yè)和工程中已有良好應(yīng)用實(shí)例的SCADA系統(tǒng),論證其在水網(wǎng)地區(qū)的水閘聯(lián)合調(diào)度及運(yùn)行管理中的應(yīng)用前景。吳海平[1]介紹了分布式數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn),分析了SCADA系統(tǒng)的建設(shè)需求和關(guān)鍵技術(shù),并分享了MOSAIC軟件做為分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在廣域網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中的適用性,及其軟件的特性和在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。田徑等[2]則針對集約化供水工程中各泵站信息整合及遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求,提出并研究了將VPN技術(shù)及MOSAIC SCADA軟件無縫結(jié)合構(gòu)建橫沙島集約化供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了集約化供水遠(yuǎn)程監(jiān)測及自動控制功能,滿足系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性的要求。張如剛[3]介紹了MOX SCADA監(jiān)控系統(tǒng)在杭州天然氣利用工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì),系統(tǒng)應(yīng)用成功后燃?xì)夤究梢愿鶕?jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)表來準(zhǔn)確的預(yù)測工業(yè)用戶的流量,方便生產(chǎn)決策及與上游送氣公司的調(diào)度和協(xié)調(diào)。而徐永兵等[4]將MOSAIC SCADA成功引入水利行業(yè),從南水北調(diào)東線山東段閘（泵）站監(jiān)控系統(tǒng)的需求出發(fā),選擇了性能優(yōu)良的MOSAIC SCADA作為監(jiān)控平臺軟件,建設(shè)了功能完善的監(jiān)控系統(tǒng),完全滿足了南水北調(diào)閘（泵）站的監(jiān)控業(yè)務(wù),同時(shí)也為以后類似項(xiàng)目的建設(shè)提供成功的范例。有了以上成功案例之后,本文將從水閘的橫向調(diào)度、縱向調(diào)度以及運(yùn)行管理等三個(gè)方面來闡述其在水閘工程中的應(yīng)用前景,為水利工程的現(xiàn)代化和智慧化提供新思路。

2 系統(tǒng)介紹

SCADA系統(tǒng),全稱Supervisory Control And Data Acquisition 系統(tǒng),即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),能對現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,從而達(dá)到數(shù)據(jù)采集與保存、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號預(yù)警目的的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、燃?xì)?、冶金、石油、鐵路以及電力等重要領(lǐng)域,尤其以電力系統(tǒng)中的應(yīng)用最廣泛,發(fā)展技術(shù)最成熟。

不同領(lǐng)域?qū)τ赟CADA系統(tǒng)的應(yīng)用要求不盡相同,但SCADA系統(tǒng)的工作架構(gòu)大體相同,大多由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎(chǔ)設(shè)施、人機(jī)界面（HMI）組成。同時(shí),一套架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多重功能,滿足多種需求。

圖1 SCADA系統(tǒng)架構(gòu)與功能示意圖

3 在水閘橫向調(diào)度中的應(yīng)用

水閘的橫向調(diào)度,即指同一區(qū)域或同一河網(wǎng)體系中不同水閘的聯(lián)合調(diào)度。目前部分地區(qū)的水閘已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水情監(jiān)測和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控,如圖2 和圖3 一樣從顯示面板上能夠反映同一時(shí)刻不同水閘處實(shí)時(shí)的內(nèi)外河水位情況和監(jiān)控畫面。

圖2 不同水閘處的實(shí)時(shí)水情監(jiān)測圖

圖3 水閘實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

然而,目前的設(shè)施僅僅達(dá)到了監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集的作用,距離設(shè)備的實(shí)時(shí)響應(yīng)還有一定距離。以水閘的運(yùn)行調(diào)度為例,同一片區(qū)的水閘仍然是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體,遵循著各自獨(dú)立的運(yùn)行調(diào)度原則,并沒有體現(xiàn)出它們作為同一防洪體系或是排澇體系中不可分割部分的協(xié)同性和聯(lián)動性。如圖4所示,水閘的運(yùn)行調(diào)度目前也停留在水閘各自的運(yùn)行調(diào)度原則之上,尚未形成真正的體系內(nèi)各水閘合理、高效的聯(lián)合調(diào)度。

圖4 某水閘啟閉控制流程圖

而引入SCADA系統(tǒng)參與水閘的橫向聯(lián)合調(diào)度之后,可以發(fā)揮的優(yōu)越性有：

1）“分布式、多線程”監(jiān)控平臺。一套SCADA系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)量需求分布式地接入多個(gè)水閘的端口,每個(gè)水閘端口的數(shù)據(jù)通訊及數(shù)據(jù)處理均不會對其他水閘端口產(chǎn)生干擾。同一個(gè)水閘的不同監(jiān)控任務(wù)之間也可以多線程同時(shí)運(yùn)行,通過系統(tǒng)資源的動態(tài)調(diào)度來自動配置優(yōu)先級,避免產(chǎn)生沖突。采用SCADA系統(tǒng),可以一套系統(tǒng)多個(gè)配套,合理有效地利用資源,避免資源的重復(fù)建設(shè)與過度浪費(fèi)。

2）“分級式”報(bào)警及預(yù)警系統(tǒng)。所謂“分級式”,一是通過定義的報(bào)（預(yù)）警類型,根據(jù)報(bào)警描述、閃爍顏色、聲音來判斷報(bào)（預(yù)）警級別；二是通過區(qū)域內(nèi)上游水閘的報(bào)警及預(yù)警,為下游水閘的水情預(yù)判爭取時(shí)間,提前響應(yīng),形成區(qū)域內(nèi)水情警報(bào)的分級式、遞減式的局面。

3）“聯(lián)動式”控制和響應(yīng)平臺。SCADA系統(tǒng)通過將各水閘的實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì),通過提前預(yù)判與預(yù)警將實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)與各水閘的目標(biāo)水位進(jìn)行對比計(jì)算。計(jì)算結(jié)果將用于水閘聯(lián)動控制的邏輯判斷,通過指針來動態(tài)比較判斷計(jì)算值,從而判斷如何響應(yīng)及在哪里響應(yīng)。通過建立數(shù)組將區(qū)域內(nèi)上下游的水閘數(shù)據(jù)串聯(lián)起來,實(shí)現(xiàn)水閘的橫向調(diào)度。

4 在水閘縱向調(diào)度中的應(yīng)用

1）在高感潮河段的水利工程中,通常會采用修建一閘和二閘聯(lián)合擋水的方式來解決水閘內(nèi)外水頭差較大的問題。但外江水位是時(shí)刻變化的,提前獲知外江水位的變化趨勢并提前采取相應(yīng)措施,對于充分保證水利工程的安全是十分有利的。在水閘的縱向調(diào)度中引入SCADA系統(tǒng),可以根據(jù)水閘運(yùn)行工況在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)水位及水頭差閾值,基于水位實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸及與目標(biāo)閾值的對比,自動控制一閘、二閘的閘門啟閉,從而動態(tài)調(diào)節(jié)外江、一閘與二閘之間、內(nèi)河的水頭差,確保水閘閘室及上下游翼墻的穩(wěn)定及安全。

2）在珠三角地區(qū),部分水閘通常會兼顧通航功能,依靠在內(nèi)外閘首與船室之間設(shè)置輸水孔來控制通航水位。部分水閘其平面布置見圖5。

圖5 某通航水閘平面布置圖

當(dāng)閘門擋水水頭差較大或船室段較長時(shí),外江與船室、船室與內(nèi)河之間的平壓需耗費(fèi)大量時(shí)間,待內(nèi)外水位平衡后船只才能安全通過,通航效率較低。而在引入SCADA系統(tǒng)后,可以通過采集每天船只的通航時(shí)間數(shù)據(jù),與系統(tǒng)內(nèi)采集的每天各時(shí)段水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)輸水孔閘門的響應(yīng)水位及響應(yīng)時(shí)刻,提前進(jìn)行內(nèi)外閘首與船室之間的平壓工作,縮短船只等待時(shí)間,提高通航效率,為經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。

5 在水閘管理中的應(yīng)用

目前的水閘管理工作中,水閘運(yùn)行管理的特征數(shù)據(jù)大多依靠人工記錄。當(dāng)水閘運(yùn)行工作時(shí)間過長時(shí),可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失和資料丟失的情況。而引入SCADA系統(tǒng)參與水閘的日常管理之后,具有以下優(yōu)勢：

1）先進(jìn)的數(shù)據(jù)資源庫。在對水閘管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理整合后,可以建立先進(jìn)的數(shù)據(jù)資源庫,形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源目錄和明確的數(shù)據(jù)更新維護(hù)責(zé)任清單。同時(shí),為進(jìn)一步形成更高平臺的閘與閘、區(qū)域與區(qū)域、各省級水網(wǎng)、各流域之間的水利數(shù)據(jù)聯(lián)動共享機(jī)制打下夯實(shí)基礎(chǔ),而不會因?yàn)闄n案搬遷、人員更迭造成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失。

2）數(shù)據(jù)壓縮與歸檔。水利工程的監(jiān)測數(shù)據(jù),具有結(jié)構(gòu)簡單但數(shù)量巨大的特征。以水情監(jiān)測為例,監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為測點(diǎn)-時(shí)間-水位,結(jié)構(gòu)十分簡單。但隨著數(shù)據(jù)采集時(shí)段的加長,監(jiān)測數(shù)據(jù)可以達(dá)到驚人的數(shù)量。為避免產(chǎn)生大量無效數(shù)據(jù)的存儲,可以在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)閾值,除超過閾值的特殊數(shù)據(jù)剔出單獨(dú)保存外,其余數(shù)據(jù)可以進(jìn)行壓縮存儲。同時(shí),數(shù)據(jù)的歸檔可以采用復(fù)式滾動的方法。

3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查閱。根據(jù)系統(tǒng)配置及權(quán)限設(shè)置,支持畫面漫游,畫面分層管理,允許權(quán)限范圍內(nèi)的工作人員隨時(shí)隨地在移動端調(diào)閱各水閘的實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面及各項(xiàng)記錄數(shù)據(jù),不用再專門去檔案室借閱存檔資料,極大地增加了專業(yè)交流或者技術(shù)匯報(bào)的便利,省時(shí)省力省心。

4）實(shí)現(xiàn)水情追憶?；跁r(shí)間軸線或者特征值捕捉進(jìn)行記憶工作,全面分析歷史發(fā)展趨勢,有效追憶歷史預(yù)警記錄和歷史時(shí)間記錄。該功能可以有效地記錄各水閘的運(yùn)行大事記,極大地方便了水閘的運(yùn)行管理,同時(shí)也可以在進(jìn)行水閘安全鑒定以及水閘拆除重建的水文論證等工作中發(fā)揮重要作用。

6 結(jié)論

按照國家水利大數(shù)據(jù)中心總體框架的藍(lán)圖,未來一段時(shí)間內(nèi)我國水利事業(yè)將逐步形成由點(diǎn)及面、聚面成網(wǎng)的大數(shù)據(jù)模型。本文僅以SCADA系統(tǒng)在水閘調(diào)度與管理方面等方面能夠發(fā)揮的部分優(yōu)勢,闡述其在水閘聯(lián)合調(diào)度及運(yùn)行管理中的廣闊應(yīng)用前景。希望通過將SCADA系統(tǒng)不斷地引入智慧水利工程建設(shè),逐步拓展融合,最終打造成預(yù)測預(yù)報(bào)、合理調(diào)度、輔助決策、動態(tài)優(yōu)化的水利工程網(wǎng)絡(luò)。