長距離輸水工程監控系統關鍵功能實現

孔斌,李志安

（南瑞集團公司,江蘇省南京市 211000）

長距離輸水工程監控系統關鍵功能實現

孔斌,李志安

（南瑞集團公司,江蘇省南京市 211000）

介紹了大伙房輸水工程的概況，給出了該工程系統結構及系統功能，詳細地闡述了監控系統向業務網寫數據功能、雙通道功能、調流閥開度設值控制功能、累計流量計算功能、語音報警功能。這些功能的實現，為該工程運行管理提供安全可靠的技術保障。

輸水工程；監控系統；NC2000

0 引言

大伙房水庫輸水工程是遼寧省“十五”期間重點工程項目，該輸水一期工程是將渾江上桓仁水庫的發電尾水，利用西江、鳳鳴兩座水電站作為調節池，由輸水隧洞自流引水至蘇子河匯入大伙房水庫。輸水二期工程是由大伙房水庫引水，通過隧洞和管道，采取封閉供水方式，為撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦等6個城市提供生活及工業用水。二期工程輸水管線總長259.13 km，沿途設取水頭部、撫順、沈陽一、沈陽二、遼陽、鞍山、營盤共7座配水站。

輸水二期工程具有線路長、覆蓋范圍大、地域分布廣、系統龐大、工程水力過程復雜、對自動化控制要求高等特點，為保證全線輸水的安全可靠與高效運行，充分發揮其巨大經濟效益和社會效益，設計了計算機數據采集與監控(SCADA)系統。在沿線7座配水站設置控制分中心，在沈陽設調度中心和備調中心，采用先進的自動化控制技術、計算機網絡技術、通信技術，實現全線輸水的自動控制及統一優化調度[1]。

1 系統結構

大伙房水庫輸水二期工程監控系統按照“無人值班，少人值守”的方式設計，采用符合國際標準的開放式分層、分布的系統結構。調度中心及各分中心采用冗余工業以太網星形連接，現地級采用總線連接方式。該工程采用成熟、可靠、標準化的硬件、軟件、網絡結構和漢化系統，確保響應速度快，可靠性和可利用率高，可維護性好，先進、經濟、靈活和便于擴充。根據大伙房水庫輸水工程的運行管理特點，SCADA系統分為調度中心控制級、分中心控制級和現地控制單元三級，見圖1。

調度中心控制級主要由數據庫服務器、應用服務器、通信服務器、磁盤陣列、操作員工作站、維護工作站、報警工作站、網關機等計算機設備組成。實現數據采集與處理、控制命令下發、圖形顯示、歷史數據管理、系統外部通信等功能。

各分中心控制級主要由操作員工作站、通信工作站、報警工作站、歷史工作站等計算機設備組成。實現數據采集與處理、控制命令下發、圖形顯示、系統外部通信、歷史數據管理等功能。

現地控制單元由CCU、LCU及RTU組成。主要完成數據采集與處理、設備控制與調節、與主控級及現場智能設備數據通信等功能。

圖1 系統結構圖

2 系統功能

大伙房輸水二期工程監控系統主要具備以下功能：數據采集與處理、控制與調節、控制權限設定、歷史數據查詢、GPS時鐘同步等。

(1) 數據采集與處理。

數據采集與處理包括：模擬量、開關量的采集與處理、脈沖量的累計與處理。通過PLC采集將壓力、流量等主要的運行參數，經過必要的預處理后上送至分中心控制級操作員工作站，再由操作員工作站通過網絡將數據廣播至分中心控制級工作站，在通信機接收到數據后又通過電力系統IEC 60870-5-104通信協議將數據傳送至調度中心控制級。在數據采集和傳輸過程中，對相關的數據進行了節點防抖處理、硬件及軟件濾波、數據有效性及合理性判斷等處理，保證數據的可靠性與真實性。

(2) 控制與調節。

控制與調節的主要對象和內容有:調流閥、電動蝶閥的全開、全關、停止及開度設值控制，斷路器的合閘、分閘控制。在控制時，操作員利用鼠標、鍵盤，打開相應畫面，點擊需要控制設備的圖形，系統將自動實施操作流程。

(3) 控制權限設定。

該工程控制權限分為現地級、廠站級、調度級。控制優先級為現地級＞廠站級＞調度級。通過LCU柜上把手進行設置，當處于現地控制權時，廠站級及調度級下發的控制令會被屏蔽。當處于遠方控制權時，廠站控制級才能下發控制令，而調度級要實現控制命令下發，還需廠站級通過軟開關將控制權限切換至調度級。

(4) 歷史數據查詢。

在監控系統的實際應用中，通過對一些重要數據的保存，有利于泵站運行管理人員對數據進行分析、統計，有助于提高工程的管理水平。上位機NC2000監控軟件提供了報表查詢、曲線查詢、一覽表查詢等多種查詢手段。

(5) GPS時鐘同步。

GPS衛星時鐘系統用于實現監控系統的調度級、廠站級計算機及現地控制級PLC進行時鐘同步，確保全線時鐘統一，便于全線輸水系統的運行管理[2]。

3 關鍵功能實現

3.1 向業務網寫數據功能

根據《電力二次系統安全防護規定》，整個計算機監控和網絡系統劃分為生產控制和管理信息兩個大區，在這兩個大區之間，必須設置經國家指定部門檢測認證的電力專用橫向單向安全隔離裝置。監控系統安全等級最高，屬生產控制區；業務網直接與辦公網及Internet相連，屬管理信息區。從系統網絡安全性考慮，必須在這兩系統之間加一橫向單向隔離裝置[3]，網絡結構見圖2。

業務網歷史服務器安裝AIX操作系統，歷史庫采用oracle10g。監控系統將數據寫入業務網實質上是監控系統用面向非連接UDP協議，通過廣播的方式將數據通過隔離裝置傳送至網關機，由網關機將監控數據按照一定的格式要求(具體格式見表1)寫入業務網歷史服務器中，業務網再從中將數據查詢處理，以畫面、表格等形式進行展示供生產管理人員進行分析、決策。

圖2 向業務網寫數據網絡結構圖

表1 監控系統向業務網寫數據數據結構

Oracle10g歷史庫具有數據自動存儲管理功能及磁盤備份與恢復功能、支持更多的安全協議、支持超大數據庫、SQL分析能力強、對JDBC有更好的支持等優點。監控軟件采用Java技術開發，通過JDBC的thin模式與Oralce10g相連，一旦連上，會自動建表，并將接收到的數據按照表的結構寫入業務網歷史庫Oralce10g。具體連接方式如下：

jdbc.password=password

jdbc.url=jdbc:oracle:thin:@歷史服務器IP地址:1521:數據庫的SID

jdbc.username=username

建立連接之后，網關機會根據實際情況每隔一定的周期按照約定的數據結構往業務網歷史服務器中寫數據，供業務網查詢[4]。

3.2 雙通道功能

正常情況下，現地控制單元上傳的數據首先送至各分中心，再由分中心通信機通過IEC 60870-5-104通信協議上送至調度中心；調度中心下達的控制指令先到達分中心控制級，再下達各現地控制單元。遇到特殊情況時，調度中心可啟用備用通道，調度中心直接與各現地控制單元進行數據通信，完成數據采集及控制指令的下發。系統數據流程見圖3。

圖3 系統數據流程

具體實現是在調度中心側設置控制通道切換點，該控制通道切換點用于檢測分中心與調度中心的通信狀態，一旦檢測到分中心與調度中心IEC 60870-5-104通信故障，則將該值置“1”，通信程序自動切換至備用通道。待主通道設備恢復正常后，程序自動將控制通道切換點置“0”，恢復至主通道進行通信。

3.3 調流閥開度設值控制功能

該工程全線共計21臺調流閥，分布在沿線200多公里的管線上，輸水線路長，水力過程復雜，對流量調節的精度要求很高，這就要求監控系統對調流閥開度能進行精確控制。本文參考文獻[5]中對調流閥開度的精度控制給出了三種控制方案，并分析了每種方案的優缺點，最后選擇了三種控制方案里最優的控制方案二，但該方案受到調流閥控制箱PLC的制約，通信也有一定的延時，同時對調流閥開度控制也有一定的誤差。為了解決此種方案存在的問題，現場對調流閥控制方案進行了改進，采用I/O信號線直接采集開度控制，具體控制方案結構見圖4。

圖4 基于I/O信號線采集開度的控制

在進行調流閥開度設值控制時，此種方案是AB PLC通過硬結線直接采集調流閥的實際開度，與設定的目標開度進行比較，若實際開度＞目標開度，則進行關閥操作，若實際開度＜目標開度，則進行開閥操作，當實際開度與目標開度誤差在預先設定的范圍內，則進行停閥操作。此種控制方案對調流閥的開度采集、開閥控制、關閥控制、停閥控制都是通過AB PLC與調流閥電動頭相連的I/O信號線完成，擺脫了本文參考文獻[5]中的調流閥控制箱PLC的制約，在時間響應、控制精度上都有很大的提高，而且依然保留了本文參考文獻[5]中的基于脈沖開出對調流閥開度進行微調的功能，大大提高了調流閥控制的安全可靠性及控制精度。

3.4 累計流量計算功能

該工程累計流量是由流量計計算得到，而監控系統通過與流量計進行通信將數據進行采集。其拓撲圖見圖5。

圖5 流量計通信拓撲圖

圖中SJ-30B是南瑞自主研發的具有16路標準異步RS232串行接口，每個通信口都能夠擔當聯入上級系統或下級設備通信的功能，各個通信接口均能獨立編程，通信組態方便，實際應用靈活。SJ-30B通過串口將累計流量數據進行采集，然后送入AB PLC。由于累計流量是以IEEE754標準短浮點型表示，SJ-30B及PLC無法直接上傳。所以要在SJ-30B中進行拆分上傳至PLC，再在PLC程序中對數據進行轉換處理，然后上送至上位機系統進行畫面顯示及數據存儲[6]。PLC處理的程序如下：

3.5 語音報警功能

壓力、流量是輸水管道的重要運行參數，為了實現全線管道的壓力、流量實時監視，在全線管道上布置了很多壓力傳感器及流量計，但由于數量較多，而且輸水管線運行工況復雜多變，壓力、流量會隨著運行工況的不同而穩定在不同的區間范圍內，這就給值班人員的日常運行管理帶來了很大的困難。為了減輕運行管理人員的工作量，增強對壓力、流量運行參數的監視力度，開發了語音報警功能，實現在壓力、流量運行參數越限時能通過語音的方式告知運行人員。

由于該工程工況較多，所以對壓力、流量運行參數的高低限值不能固定，必須根據實際情況來確定高低限。為此在監控軟件NC2000的畫面上布置高低限按鈕，運行人員可以根據實際運行情況人為輸入高低限值。通過高低限值與實際值進行比較，一旦實際值越限，則會觸發一開關量，然后通過語音的形式進行報警。上位機NC2000監控軟件的腳本如下：

if ($實際壓力$＞$壓力高限設值$ || $實際壓力$＜$壓力低限設值$ )

{$壓力越限報警$=1; }

else

{$壓力越限報警$=0; }

4 結束語

為了很好實現長距離輸水工程的運行監視及控制，計算機監控系統應用了網絡、通信等技術，實現了很多功能的應用。這些功能應用，保障了輸水系統的運行穩定、可靠。目前該工程已安全穩定運行3年，相信這些功能的成功應用會給類似的工程提供有益的借鑒。

[1] 戴娜,羅招貴,周林虎,吳迪.大伙房長距離輸水工程SCADA系統設計[ J].水電自動化與大壩監測,2010，34(2):80-84.

[2] 任建,李志安,孔斌.舟山大陸引水二期工程監控系統設計[ J].水電自動化與大壩監測, 2011，35(5):13-16.

[3] 徐青,馬玉祥,金明宇.泵站計算機監控系統實施中的網絡安全問題[ J].水電自動化與大壩監測, 2009，33(2):72-73，77.

[4] 宋放.大伙房水庫輸水工程監控數據的存儲與發布設計[ J].水與水技術, 第3輯, 160-162.

[5] 周林虎,譚艷芳.長距離輸水工程中調流閥精度控制[J].水利水電技術，2012，43(4):69-72.

[6] 宋放.大伙房水庫輸水工程累計流量數據的處理與通訊方案[ J].人民珠江，2013，(3):91-92.

孔 斌（1986—），男，通信作者，助理工程師，主要從事水利水務自動化工程方面的工作。Email：kongbin@sgepri.sgcc.com.cn

李 志安（1982—），男，工程師，主要從事水利水務自動化工程方面的工作。Email：lizhian@sgepri.sgcc.com.cn

Key Functions Realization of Monitoring and Control System for the Long Distance Water Diversion Project

KONG Bin,LI Zhian
(NARI GROUP CORPORATION, Nanjing 210003,China)

This paper introduced the general situation of the Dahuofang Water Diversion Project. T System structure and function are given. This paper emphasized on elaboration the functions of writing data to service network; double-channel control; the opening of regulating valve control; calculation of cumulative flow; audio alarm. The realization of these functions can provide safe, reliable technique for the operation management of the Dahuofang water diversion project.

water diversion；monitoring and control system；NC2000