山西引黃工程全線自動化系統淺談

摘要：介紹了山西省萬家寨引黃工程全線自動化系統的概況、組成、功能、結構及其重要意義。

關鍵詞：引黃工程 自動化系統 數據采集 監控 量測 工業電視 仿真

引黃工程是一項跨流域的大型引水工程，所處地域地形復雜，規模宏大，其大流量、長管道、高揚程、級間串聯、泵站內多臺機組并聯的復雜泵系統在國內是首次，在世界上也是罕見的。引黃工程輸水線路總長約449.5km，設計引水流量48m3/s，年輸水量12億m3，其中向太原年供水6.4億m3；向大同、朔州供水5.6億m3。工程包括總干線、南干線、北干線、聯接段四部分。引黃工程全線自動化系統的成功應用為引黃工程安全、穩定、經濟運行提供了必要的保障。

1 系統概況

引黃工程一期工程共有2座地下泵站，3座地上泵站，每座泵站各裝機3臺，單機流量6.45m3/s。由于工程受地形條件等因素限制，各泵站前池容量較小，無壓輸水水工建筑物有凈空限制，而其它水工建筑物調蓄能力有限，輸水沿線缺乏調蓄能力，只有一座日調節的申同嘴水庫（調節庫容14.7萬立方米），為保證工程安全穩定運行，對輸水運行的調度控制及水力量測系統提出了較高的要求。因此，輸水運行必須實現等流量控制，防止棄水、斷水或造成輸水系統不穩定運行，從工程長期安全、可靠、經濟運行的角度考慮，必須采取自動化監控系統，克服人為調度操作控制運行的局限性。

引黃工程全線自動化系統由成都勘探設計院設計，從2001年元月23日開始由澳大利亞福克斯波羅公司進行開發、安裝、調試，于2004年7月下旬完成了自動化監控系統72小時試運行，對引黃一期工程(總干線、南干線、聯接段)四部分全線實現了遙測、遙信、遙控、遙調等功能。

2 系統目的及任務

引黃工程運行目標是“安全、可靠、經濟”，引黃工程全線自動化系統以此作為基本的運行原則，主要目的是監視和控制整個輸水線路的所有設備，以實現整個輸水系統的流量平衡，包括水泵的起/停控制、變速泵的頻率控制、各種閘門和閥門的開度控制等。

主要完成的任務為：①在各LCU和RTU現地、泵站控制級以及太原調度中心完成各所管轄設備的監視和控制。②系統輸水量控制。③輸水系統的流量平衡控制。④經濟運行。⑤優化調度。⑥事故分析和處理。⑦輸水系統的啟動控制。⑧輸水系統的停水控制。⑨收集系統運行統計資料并提供相應報告。⑩各供水點供水量的統計和計費。 接收水工建筑物監測系統的有關信息以便輸水調度采取相應的措施。 接收水力量測系統有關的信息，完成輸水線的監視。 與通風系統和消防系統通信。 與水資源調度系統的通信。 與水情預報系統通信。 與地方電力調度系統通信。 與呼延水廠通信。 與MIS系統通信。 運行管理指導。

3 系統組成

引黃工程全線自動化系統由五部分組成：數據采集和控制部分（SCADA）、水力量測部分(HMS)、工業電視檢測和控制部分（ITVS）、水力學過渡過程計算及水力學仿真部分和通信網絡部分。

3.1 數據采集和控制部分 根據引黃工程全線監控站點沿線分布的特點及各監控站點的實時性要求，引黃工程SCADA采用集中統一調度、功能分層分散的模式，包括：調度級、站控級、現地級。引黃工程SCADA模式如下圖所示。

該模式把數據采集和大部分控制任務放在現地解決，有利于保證控制的及時可靠、減少通信流量和減少通信故障對系統功能的影響，實現了SCADA系統數據采集和處理以及控制的分層和分布。

數據采集和控制部分采集全線各監控站上送來的所有機電設備和水力學的模擬量、開關量、脈沖量等數據，對全線所有機電設備和水力學的運行情況進行全面監視，包括沿線輸水隧洞的水位、流量和泄漏情況的監視，以及輸水系統的實時仿真；對全線主要機電設備的運行進行控制和調節(包括:各水泵電機的開/停機操作，變速機組的轉速調節，各斷路器、隔離開關和接地刀的跳/合操作，萬家寨取水閘門的開/關操作，申同嘴弧形閘門的開/關操作和開度調節，申同嘴流量調節閥的開/關操作和流量調節，聯接段進水塔放水閘門的開/關操作，聯接段各流量調節閥的開/關操作和流量調節，聯接段各檢修閥、輸水閥、旁通閥的開/關操作等)。

3.2 水力量測部分 水力量測系統貫穿引黃工程的總干線、南干線及聯接段。由南京南瑞集團公司設計、供貨、安裝、調試及試運行。通過監控系統實現對全線各泵站的自動起停運行控制；采集的水力測量信號上送并存儲在計算機監控系統的歷史數據庫中，為輸水調度仿真系統提供實時參數，并可校驗仿真系統的結果。

系統主要由監測站及其監測點的監測設備構成，由17個監測站組成。主要任務是監視輸水線路上的所有水力測量信號。包括：引水庫區的水位和含沙量，有壓隧洞中的流量，地下泵站進水調壓井和出水調壓井的水位，地面泵站前池和出水池的水位，各泵站及申同嘴水庫的出水流量，無壓隧洞中的水位和流量等。

通過監控系統實現對全線各泵站的自動起停運行控制；采集的水力測量信號上送并存儲在計算機監控系統的歷史數據庫中，為輸水調度仿真系統提供實時參數，并可校驗仿真系統的仿真結果。因此，這些水位和流量信號對輸水全線的調度和安全監視起著非常重要的作用。

3.3 工業電視檢測和控制部分 引黃工程在各級泵站設置了工業電視監視系統，將圖象信號通過通信傳輸通道傳至太原，實現了遠方集中監視。主要任務及功能即：監控每個工作站和泵站設備房的圖象，并實時遠程監視設備的運行狀況；遠程監視和指導泵站工作人員的操作；存儲圖象，并在緊急情況下進行遠程指揮；按照SCADA系統的報警信息執行聲、光和點的報警。

工業電視系統（ITVS）由3個級別的7個監視站組成，即太原一級監視站、巖頭寺（總干三級泵站）和汾河水庫二級監視站及總干一級泵站、總干二級泵站、南干一級泵站、南干二級泵站四個三級監視站。工業電視傳輸通信系統采用逐級匯接的拓撲網絡結構。

3.4 水力學過渡過程計算及水力學仿真部分 引黃工程控制預測仿真系統包括對MOUSE模型的開發和校正以及調度方法的分析及修改，是一個數據采集、建模、并用于支持決策和數據驗證的工具。

該系統支持下列功能：①全動態模型建立和計算；②泵站建模及水泵優化；③管道和溝渠的水力學模型；④梯級控制；⑤全線實時建模、狀態分析和狀態檢測；⑥預測計算、能量計算；⑦滲漏檢測及滲漏定位；⑧高級報警及處理功能；⑨申庫有閥模式和申庫無閥模式的控制；⑩水量和流量帶控制； 凈空、氣蝕、含沙量檢測； 充水過程仿真； 調度計劃和需求預測文件的生成； 靜態安全分析、靜態數據選擇； 長期優化調度和運行； 正常輸水仿真。

YRCFS系統每隔1分鐘從數據采集和監控系統（SCADA）中采集狀態信息“外部數據的輸入和輸出”。在采集數據的同時，狀態評估器將執行輸水系統的仿真，其啟動頻率為15分鐘。

3.5 通信網絡部分 通信網絡系統主要滿足引黃工程全線的行政管理、安全生產及全線自動化控制與運行調度數據、話音和圖像的通信需要。

通信網絡系統以可靠、實用、先進、經濟為主要設計原則。通過選擇先進的通信方式，采用性能優良、功能齊全的通信設備、進行合理的組網設計以滿足工程的需要。采用的主要通信方式包括：光纖通信系統、微波通信系統、一點多址微波通信系統、移動通信系統、程控及調度交換系統、通信電源系統及動力、環境監控系統、光纜、架空電纜等。同時利用了施工期已建光纜線路；并利用原電力系統微波系統互為備用，節省投資、提高可靠性。

4 系統結構

計算機監控系統采用開放式的分層分布系統結構，全系統由12個計算機監控子系統組成，通過這些計算機監控子系統實現對整個輸水系統所有機電設備和水工建筑物的自動監控功能。

各子系統的計算機設備采用局域網將各節點聯結成網，各子系統之間采用廣域網相連。五座泵站的4個計算機監控子系統景路由器通過SDH光纖核心環網相連；太原調度控制中心計算機監控系統經路由器通過微波通道與SDH光纖核心環網相連；上述5個子系統各提供8個E1口與SDH相連，每個E1口的通信速率為2Mbps；聯接段計算機監控系統通過局域網直接與太原調度控制中心計算機監控系統相連，通信速率為10/100Mbps。各子系統的局域網按IEEE802.3設計，支持全開放的分布式結構，網絡介質采用光纖電纜，通信規約采用TCP/IP，網絡傳輸速率為10/100Mbps。廣域網按IEEE802.3或IEEE802.4設計，支持全開放的分布式結構，通信規約采用TCP/IP，網絡傳輸速率為2Mbps。

5 系統主要功能

引黃工程全線自動化系統主要功能為數據采集與監控；水量和流量平衡控制；無功功率控制；優化調度；經濟運行；事故分析和處理；安全分析；與其他系統的通信；遠方告警功能；培訓仿真功能。

系統要實現的主要目標是監測、控制和調度的全線自動化，主要包括水泵機組的啟停和保護、泵站級的運行調度、沿線泵站的串聯運行、全線各水庫水位、隧洞水位和流量、分水口閘門的控制與調節、全線運行實時圖像和數據監測，確定全線運行工況，并按“等流量控制”的原則及相應的調度模型，自動對輸水全線各個控制點進行調度和調節；對于監測到的各種故障行成解決方案，自動通知有關部門或人員進行處理。在全線自動控制系統的基礎上，達到“無人值班，少人值守”的運營管理模式。

6 系統重要意義

山西省萬家寨引黃工程是一個技術密集型的大型跨流域梯級引水工程，輸水線路長、控制點多，輸水要求各設備之間配合密切，水量不能多也不能少，必須保證不斷水、不棄水，系統運行時，整個輸水系統中的各泵站、水庫和多個調節控制閘必須協調一致地進行工作，方可使各輸水建筑物、各級泵站安全、穩定、經濟運行。而全線自動化系統保證了系統的安全、可靠和經濟運行，將計算機監視控制技術、網絡技術、水力量測技術、計算機仿真技術應用于水利工程的監視、控制和管理，大大提高了水利工程的現代化管理水平，提高了總成運行的可靠性，取得了一定的社會效益和經濟效益，具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]趙喜萍.自動控制和水力學仿真在引黃工程中的科研與實踐.中國水利水電出版社.2006.

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