計算機自動控制系統在兩岔河水庫的應用

張慧媛，曾凡誠，王 兵

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550000；2.貴州省貴陽市公安局出入境管理分局，貴陽 550081)

在時代發展過程中，自動化技術和計算機技術都在不斷發展，在這種環境和大背景下，現代水庫運行對計算機自動控制系統的要求也在不斷提高，尤其針對中小型水庫來說，計算機自動控制系統對水庫的運行和維護有著及其重要的意義。傳統的中小型水庫需要有固定人員進行值班看守，而現代通信技術及計算機技術的飛速發展使得水庫的運行管理無人化成為可能。計算機自動控制系統的應用，不僅可以實現水庫的正常運行，同時對水庫的長期運行維護有重要作用[1]。

1 概 況

兩岔河水庫工程地址選于余慶縣關興鎮沙堆村香樹坪組，水庫規劃壩址建于烏江一級支流覺林河沙堆村三岔河以上0.5km處，至余慶縣約80km。

兩岔河水庫的建設目的是為鄉鎮供水及農田灌溉?？捎行Ы鉀Q松煙鎮集鎮及周邊農村生活、生產發展用水問題。本工程屬中型，工程等別為Ⅲ等，工程規模為小(1)型。水庫設置一座壩后泵站及一座提水泵站，提水泵站為兩岔河泵站，裝機容量為：(1×450+2×280)kW(280kW電機運行方式為一用一備)，采用10kV異步電動機；提水泵站為三尖土泵站，裝機容量為：2×45kW，一用一備，采用0.4kV異步電動機。根據泵站的裝機規模及用途，兩岔河泵站主要供水對象為集鎮，三尖土的裝機容量較小，因此兩岔河泵站、三尖土泵站負荷均按等級按三級考慮，采用一回10kV電源供電方式，兩泵站之間間隔6km左右。

相對于人工看守監控來說，引入計算機自動控制系統對水庫的進行日常運行和管理，在泵站運行、提水及壩區閘門的開閉過程中，能更準確的監控機組和閘門的運行狀況及水位、水情狀況，盡量避免水資源的浪費，提高水庫運行的安全性，提高工作效率，降低人工勞動成本。

一般來說，水庫計算機自動控制系統由計算機監控系統、計算機繼電保護系統、計算機直流系統、計算機視頻監控系統等模塊構成[2]。

因此，根據余慶兩岔河水庫的特點，按“無人值班，少人值守”運行方式設計，采用計算機自動控制方式，對兩個泵站全站機組、變壓器、公用設備及壩區閘門運行、配電系統運行等進行自動化監控，以實現水庫的聯合調度和優化運行，確保水庫安全、平穩、經濟運行。

2 水庫計算機監控系統

2.1 水庫計算機監控系統整體設計

水庫采用集中監控方式，監控系統采用星形光纖單網結構[3]，且按分層分布式結構布置，分設主控級和現地單元控制級，上下級間采用光纖以太網通信。計算監控系統結構詳見圖1。

圖1 計算機監控系統結構圖

在兩岔河泵站設置集控中心，通過網絡各個模塊連接，并將控制權分為遠程調度層、泵站監控層、現地控制層。監控層是監控系統的核心，設備布置在中央控制室內，可對兩岔河泵站、三尖土泵站、壩區的運行過程進行數據采集、分析并形成報表；遠程調度層可監測兩座泵站和壩區閘門、設備實時運行狀態并下達調度命令；現地控制層分別設在泵站機組旁及壩區配電室內，實現現地設備的自動監控。

兩岔河泵站具備對三尖土泵站、壩區閘門及電氣設備進行遠程監視的功能，三尖土泵站設備信息通過無線網絡送至兩岔河泵站，壩區閘門、電氣設備信息通過光纖送至兩岔河泵站。

2.2 水庫計算機監控系統模塊設計

2.2.1 監控層兼遠程調度層

監控層是水庫計算機監控系統的核心，承擔了水庫的日常運行過程的監控、數據收集、存儲、匯總打印、通信調度等核心功能[4]。兩岔河泵站監控層兼遠程調度層，設置1臺操作員工作站、1臺工程師工作兼操作員工作站、1臺通信工作站、1臺打印機、網絡交換機、GPS時鐘、無線通訊管理器等。

主控級除負責全站監控工作外，同時負責與調度中心及其它系統通信的工作。中控室僅設置必要的供緊急操作的按鈕及開關，運行人員通過中控室上位機，依靠顯示器和鍵盤、鼠標實現對全站設備的監控。兩岔河泵站監控層兼遠程調度層除具備一般泵站監控層功能外，還應具備下列功能：

1)對三尖土泵站的遠程監視。

2)對壩區閘門及電氣設備的遠程監視。

3)流量平衡、聯合調度與優化運行。

4)站間通信。

5)與其他系統通信。

2.2.2 現地控制層

三尖土泵站兩臺低壓機組配置一臺機組LCU。兩岔河泵站三臺高壓機組分別配置一臺機組LCU，公用設備設置一臺公用LCU。

泵站監控層通過光纖以太網的方式與兩岔河現地LCU進行通信。

1)機組LCU：

機組LCU配置以太網模塊，實現與主控級通信的功能；同時，每套機組LCU均配置一臺網絡管理單元，通過串口實現監控機組的微機保護裝置及其它自動安全裝置通信的功能，同時將相關數據通過以太網模塊，傳送至泵站監控層計算機。

機組LCU主要完成監控機組的數據采集以及預處理功能，同時也可以對機組進行現地控制、操作及監視。同時也需針對它與系統脫離及重新建立聯系的情況下所應具備的功能進行設計，使其在脫機狀態下仍能對機組進行必要的監視和控制，包括機組的啟動及停止操作、監視機組運行狀況及參數。當故障排除，重新建立聯系后又可自動地服從上位機系統的控制和管理。

2)公用設備LCU：

兩岔河泵站配置一套公用LCU，布置于中控制室內，用于對泵站公用設備進行監視和控制。LCU配置以太網模塊，能直接與主控級通信；同時配置一臺網絡管理單元，實現對公用系統的智能數據進行采集的功能，并具備與直流系統及其它公用設備及裝置進行通信，同時將數據發到主控層計算機的功能。

三尖土泵站設置一臺現地LCU，同時配置無線通訊管理器，相關數據通過GPRS/4G/5G網絡傳輸至主控級上位機。

3) 壩區LCU：

壩區配置一套LCU柜，布置于壩區低壓配電室內。壩區LCU與兩岔河泵站上位機通信通過光纖以太網實現；LCU柜內配置一臺網絡管理單元，通過串口與壩區智能設備進行通信，將數據及時發送到主控層計算機。

2.2.3 自動化元件

機組自動化元件按無人值班(少人值守)的原則進行配置和選型，滿足自動化和安全監控的要求，實現少量操作指令即可完成機組工況的轉換。

機組各測溫點配備測溫元件，供溫度監測和保護，其它非電氣量運行參數應通過相應的變送器轉換成4mA-20mA的模擬量或通過通信總線送給單元控制級LCU。

3 水庫計算機繼電保護系統

傳統的繼電保護裝置通常采用整流型或晶體管型，調試工作量大。而計算機繼電保護僅采用一臺計算機完成保護工程，通過相應的程序實現各種復雜的功能，簡化調試程序，且具有自診斷功能，大大減少了運行維護的工作量。目前，計算機保護裝置均采用模塊化設計，按使用場景的不同配置相應的模塊，成套的計算機保護裝置，為設計、運行、維護、調試人員的工作帶來了極大的便利。

兩岔河水庫主要電氣設備的繼電保護和安全自動裝置按《電力裝置繼電保護和自動裝置設計規范》(GB50062-2008)和《水利水電工程繼電保護設計規范》(SL/455-2010)的要求進行配置，各保護均采用微機型成套保護裝置。電氣主要元件的保護配置如下：

3.1 兩岔河泵站

10kV線路保護(包括三段式過流保護、過負荷保護、低周減載功能)；10kV無功補償斷路器保護(包括限時電流速斷、過電流保護、過電壓保護、低壓保護、不平衡電壓保護、單臺電容器專用熔絲保護)；10kV電機保護(包括三段式過流保護、過負荷保護、過熱保護、低電壓保護、 過電壓保護、非電量保護)；站用變保護(包括限時電流速斷保護、過電流保護、過負荷保護、低壓側零序保護、非電量保護)；小電流接地選線裝置；電弧光保護裝置；微機消弧消諧裝置。

3.2 三尖土泵站

10kV無功補償斷路器保護(包括限時電流速斷、過電流保護、過電壓保護、 低壓保護、不平衡電壓保護、單臺電容器專用熔絲保護)；0.4kV電機保護(電動機電流速斷保護、定子繞組低電壓保護、相電流不平衡及斷相保護、定子繞組相間短路保護、定子繞組單相短路保護、定子繞組過負荷保護)；小電流接地告警裝置；電弧光保護裝置。

4 計算機直流系統

兩岔河泵站控制電源采用直流電源，配置一套交直流一體化電源系統進行供電。三尖土泵站因規模較小，控制電源均采用交流220V，不設直流系統，選用一套不<3kVA 的UPS電源作為備用電源。

4.1 直流系統部分

直流系統采用單母線接線，采用220V直流供給泵站計算監控、繼電保護、自動裝置、事故照明及斷路器合閘等直流負荷。以單回路輻射型給保護屏、LCU屏和自動裝置等集中布置的設備供電；以雙回路環網方式給10kV開關柜供電。

直流電源部分配置高頻開關模塊電源1套，4只10A充電模塊，絕緣監測裝置1臺；通信電源部分配置220V/48V DC/DC電源模塊3只，額定電流20A。直流饋線開關報警接入直流系統綜合監控單元，監控單元、微機直流系統絕緣在線監測裝置分別通過內部RS485通信線接至一體化電源系統監控系統主機，監控系統主機通過RS485通信接口接入計算機監控系統。

泵站配置200Ah/220V蓄電池一組，蓄電池均采用2V，104只全密封免維護鉛酸蓄電池，構成無端電池直流系統。

4.2 交流不間斷電源部分

泵站監控系統、遙視系統等交流工作電源，均采用經站內直流逆變后的電源。泵站選用6kVA UPS 2臺，逆變器直流由泵站直流系統取一路電源，經逆變后輸出AC220V交流電源。逆變電源配備逆變監控器，對直流逆變電源系統工作狀態進行監控，進出線開關報警接入點應接入逆變監控器，逆變監控器過內部RS485通信線接至一體化電源系統監控系統主機，監控系統主機通過RS485通信接口接入計算機監控系統。

5 計算機視頻監控系統

水庫設置視頻監控系統的目的是對整個水庫樞紐進行全方位的監控和管理，工作人員在集控中心通過視頻監控系統能夠直觀地觀察整個水庫的運行狀況，減少運行值班費用。因此，在兩岔河泵站內設置一套計算機視頻監視系統，對主廠房、高/低壓配電室、主變、控制室等房間內部情況和設備的運行操作情況進行監視。攝像頭分為固定式及旋轉式，合理分布在泵站的主廠房及副廠房內，隨時發現和及時處理問題，將故障造成的損失降到最低。

計算機視頻監視系統主機設在泵站中央控制室內，同時配置大屏彩色顯示器，運行人員可以通過顯示器可以站內設備的運行狀況和站內安防情況進行實時監視并進行相關紀錄。泵站運行維護人員通過業務臺或監控主機對監控范圍目標區域中的設備或現場進行監視，同時在業務臺或監控主機上完成對攝像機的控制(左右、上下、遠近景、調焦等)，畫面切換的控制和錄像控制。壩區通過光纖將視頻圖像傳輸至兩岔河泵站集控中心，并可在集控中心進行監控。三尖土泵站的視頻圖像通過無線網絡傳輸至兩岔河集控中心。

三尖土泵站設置3個室內攝像頭數量，用于監控廠房內部及電氣設備運行情況；兩岔河泵站主、副廠房攝像頭數量按18個配置，用于監控廠房內部、全站機組、電氣設備運行狀況；壩區攝像頭數量按8個配置，用于監視庫區、取水口啟閉機室及溢洪道的狀態。

6 結 語

根據兩岔河水庫的工程特點和管理維護要求，應用計算機自動控制技術能夠有效解決水庫內部泵站位置分散、調度運行及管理不便等方面的問題，實現對水庫運行狀態的實時監測和調度，提高泵站及壩區設備的運行效率和安全性，為水資源的優化配置和提高水庫工程信息化、現代化管理水平創造了條件。