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

李縣林

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 前言

目前水利部正在大力推進智慧水利總體方案及加快推進省級水網(wǎng)建設,推動物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、遙感與遙測無人機、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)務進行深度融合,為大灣區(qū)建設及流域的水安全建設提供信息化支撐。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用實例的SCADA系統(tǒng),論證其在水網(wǎng)地區(qū)的水閘聯(lián)合調(diào)度及運行管理中的應用前景。吳海平[1]介紹了分布式數(shù)據(jù)庫的特點,分析了SCADA系統(tǒng)的建設需求和關(guān)鍵技術(shù),并分享了MOSAIC軟件做為分布式實時數(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程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了集約化供水遠程監(jiān)測及自動控制功能,滿足系統(tǒng)可靠性、實時性、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用設計,系統(tǒng)應用成功后燃氣公司可以根據(jù)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和報表來準確的預測工業(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,同時也為以后類似項目的建設提供成功的范例。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)度以及運行管理等三個方面來闡述其在水閘工程中的應用前景,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)。它是一種以計算機為基礎(chǔ),能對現(xiàn)場運行的設備進行監(jiān)視和控制,從而達到數(shù)據(jù)采集與保存、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號預警目的的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應用于化工、燃氣、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)控計算機、遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎(chǔ)設施、人機界面（HMI）組成。同時,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)的水閘已實現(xiàn)實時水情監(jiān)測和實時視頻監(jiān)控,如圖2 和圖3 一樣從顯示面板上能夠反映同一時刻不同水閘處實時的內(nèi)外河水位情況和監(jiān)控畫面。

圖2 不同水閘處的實時水情監(jiān)測圖

圖3 水閘實時監(jiān)控畫面

然而,目前的設施僅僅達到了監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集的作用,距離設備的實時響應還有一定距離。以水閘的運行調(diào)度為例,同一片區(qū)的水閘仍然是一個個獨立的個體,遵循著各自獨立的運行調(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,水閘的運行調(diào)度目前也停留在水閘各自的運行調(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水閘的端口,每個水閘端口的數(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。同一個水閘的不同監(jiān)控任務之間也可以多線程同時運行,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)多個配套,合理有效地利用資源,避免資源的重復建設與過度浪費。

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

3）“聯(lián)動式”控制和響應平臺。SCADA系統(tǒng)通過將各水閘的實時水位數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計,通過提前預判與預警將實時水位數(shù)據(jù)與各水閘的目標水位進行對比計算。計算結(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)比較判斷計算值,從而判斷如何響應及在哪里響應。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,實現(xiàn)水閘的橫向調(diào)度。

4 在水閘縱向調(diào)度中的應用

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。但外江水位是時刻變化的,提前獲知外江水位的變化趨勢并提前采取相應措施,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)水閘運行工況在系統(tǒng)內(nèi)預設水位及水頭差閾值,基于水位實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸及與目標閾值的對比,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

當閘門擋水水頭差較大或船室段較長時,外江與船室、船室與內(nèi)河之間的平壓需耗費大量時間,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間數(shù)據(jù),與系統(tǒng)內(nèi)采集的每天各時段水位數(shù)據(jù)進行對比分析,在系統(tǒng)內(nèi)預設輸水孔閘門的響應水位及響應時刻,提前進行內(nèi)外閘首與船室之間的平壓工作,縮短船只等待時間,提高通航效率,為經(jīng)濟發(fā)展保駕護航。

5 在水閘管理中的應用

目前的水閘管理工作中,水閘運行管理的特征數(shù)據(jù)大多依靠人工記錄。當水閘運行工作時間過長時,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）先進的數(shù)據(jù)資源庫。在對水閘管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)進行梳理整合后,可以建立先進的數(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)更新維護責任清單。同時,為進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)動共享機制打下夯實基礎(chǔ),而不會因為檔案搬遷、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-時間-水位,結(jié)構(gòu)十分簡單。但隨著數(shù)據(jù)采集時段的加長,監(jiān)測數(shù)據(jù)可以達到驚人的數(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)預設閾值,除超過閾值的特殊數(shù)據(jù)剔出單獨保存外,其余數(shù)據(jù)可以進行壓縮存儲。同時,數(shù)據(jù)的歸檔可以采用復式滾動的方法。

3）實時數(shù)據(jù)查閱。根據(jù)系統(tǒng)配置及權(quán)限設置,支持畫面漫游,畫面分層管理,允許權(quán)限范圍內(nèi)的工作人員隨時隨地在移動端調(diào)閱各水閘的實時監(jiān)測畫面及各項記錄數(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)匯報的便利,省時省力省心。

4）實現(xiàn)水情追憶。基于時間軸線或者特征值捕捉進行記憶工作,全面分析歷史發(fā)展趨勢,有效追憶歷史預警記錄和歷史時間記錄。該功能可以有效地記錄各水閘的運行大事記,極大地方便了水閘的運行管理,同時也可以在進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)中心總體框架的藍圖,未來一段時間內(nèi)我國水利事業(yè)將逐步形成由點及面、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)度及運行管理中的廣闊應用前景。希望通過將SCADA系統(tǒng)不斷地引入智慧水利工程建設,逐步拓展融合,最終打造成預測預報、合理調(diào)度、輔助決策、動態(tài)優(yōu)化的水利工程網(wǎng)絡。