排澇泵站工程泵閘群自動化調度管理系統研究與實現

徐興安,韋余廣,周舒燕,郭春香

(1.杭州魯爾物聯科技有限公司,杭州 311100;2.臨平區林業水利局,杭州 311199)

2015年政府工作報告中提出“互聯網+”行動,構建基于信息化的通信平臺,實現各行各業與信息化的有效融合,實現創新發展[1]。泵站工程承擔著區域內抗洪防險、區域排澇等多項艱巨任務。臨平區內水土資源豐富,每年的夏季雨季高峰時段,區內河道水位上漲,給區內泵站安全運行造成影響,極易出現洪澇等自然災害問題[2]。為了有效應對臨平區自然洪澇災害情況,合理管控區域水量,對該區域內泵站工作進行改造。通過信息化手段,建立泵閘群自動化調度管理系統,建立水利數字化平臺,實現該區域泵站的高效控制,同時提高泵站工程的整體經濟效益。

1 研究區域信息

臨平區所在區域屬于亞熱季風性氣候,常年空氣濕潤,夏季多雨。每年的七八月份是雨季的高發期,由于該區域面臨大海,受到臺風等影響,每年雨季區域內的農田、魚塘易受洪澇災害影響[3]。根據臨平區的地理及河網情況,共有5個重要的圩區,分別為經開區、星火圩區、西渠河圩區、東風圩區和塘棲圩區。其中,部分圩區內的泵站存在較嚴重的設備老化問題,通信能力薄弱[4]。在浙江省數字化改革的背景下,臨平區以運行自動化和管理信息化為主體思路,對本區部分泵站進行自動化控制和數據信息化的提升改造。以圩區內水源調度為目標,實現對圩區內水資源的平衡控制,從而避免雨季洪澇災害問題的發生。將對各圩區所有泵站工程實施改造,統一規劃,實現對該區域內泵站群遠程自動化控制。

2 系統整體結構

2.1 泵站區域控制系統的搭建

圩區內泵站群自動化管理的目標是實現對該管轄區域內沿線泵站群的自動化控制。通過建立泵閘群調度管理系統,實現對該圩區內水文數據的動態監控,并能夠對相應的自然災害現象進行預警與廣播。圩區內泵閘群調度系統主要包含控制系統與通信系統兩個部分。其中,控制系統包含該區域數據的采集系統、調度控制系統、數據管理系統,主要負責數據采集、泵站自動化控制、信息數據存儲、系統調度優化控制以及排澇預警控制等功能。通過計算機運算,實現對區域內泵站的合理調度與控制。

泵站區域控制系統由通信數據模塊、PLC模塊、觸摸顯示器、電源、多數據顯示儀表等組成。該系統的主要功能是承擔每個泵站工程閘門數據監控與泵閘遠程控制。在系統內,不同區域內的控制柜功能一致,但彼此獨立,既可由中央計算機控制中心統一化調度,也可根據泵站實際情況人工控制,滿足泵站相應的調度控制要求。圩區內的泵站工程主要承擔區域內抗洪防險、排澇、水資源調度等重要任務[5]。因此,需要確保系統各單元的穩定、可靠。控制系統的原理結構見圖1。

圖1 區域泵站系統控制單元

數據采集過程主要由采集系統對泵閘位置區域內的閘前、閘后水位數據、泵站閘門限位數據、泵閘區域位置數據以及系統供電參數數據進行采集。采集系統通過傳感獲取泵站泵閘前后水位流量數據,并計算得到過閘流量。系統自動對泵站運作狀態、泵站各單元電流、電壓、電功率等參數進行采集,根據泵站機組各單元的水泵性能以及能效情況,計算得出泵站總的流量以及各機組單元流量。同時,泵站采集系統也會對區域周圍的水文氣象信息進行采集,并通過實時監控系統,對泵站周圍環境狀態進行監控。

泵站自動化控制主要有4種形式:①由采集系統實時數據進行泵閘的開啟、關閉,泵閘上升、下降以及暫停等操控。②根據泵站單元組的開啟與暫停,系統根據區域情況分時間段進行系統的運作與暫停,同時也可根據實時系統監控數據,設置預警閥值進行系統單元組的開停[6]。③通過工作控制模式的切換,由采集系統獲取有效數據,通過遠程終端數據分析,可實現遠程系統控制、人工現場控制以及現場自動化等操作。④通過緊急暫停控制,系統運作超過預警參數值,如負載過高、系統過熱、電流過大,系統將進入自動保護狀態,進入緊急暫停模式。

系統信息數據庫負責對圩區所有泵站點設備單元運作數據、泵站水文環境數據以及泵站實時監控信息與歷史數據的存儲與管理。圩區泵站數據庫系統包含區域內的動態監控數據與靜態監控數據。動態監控數據包含泵站水文氣象數據,如天氣數據、雨量數據、水流量數據、泵閘調度數據等。靜態監控數據包含泵站工程的基本數據、泵站設置的調度參數、泵站人員信息以及專家管理庫等數據[7]。泵站數據庫系統將存儲泵站有關的所有信息數據,并為泵站泵閘群的調度控制提供數據信息支持。圩區的泵站數據系統見圖2。

圖2 圩區的泵站數據系統結構圖

調度優化控制主要通過臨平區水利數字平臺調度系統實現。該調度系統中,存儲了區域內所有水利設施的工程數據。由泵站實時監控系統檢測區域水位狀況,并傳遞信息到調度系統中心,由調度系統中心統一向各泵閘群發送調度控制指令。

排澇預警控制是泵站泵閘群信息化管理主要目標。系統根據地區每年的雨季信息數據分析與預測,建立適合于該區域的抗洪排澇調度管理模型。該抗洪排澇調度模型根據區域內實際雨量、河水流量以及各區域內泵站的負荷情況,設置抗洪排澇目標,同時生成各單元組目標。在調度系統的運作中,首先對各區域內相關數據進行檢索與分析,為了定制有效的目標,結合歷年該區域內對泵站的管理調度數據,不同季節、雨量以及水文變化情況對調度方案進行動態優化[8]。圩區抗洪防澇調度控制系統見圖3。

圖3 區域泵站抗洪優化調度管理模型

2.2 泵站區通信系統搭建

對圩區泵站群實施改造,通信網絡的搭建是關鍵。在該區域內,水閘、水文數據檢測站、抗洪排澇泵站、雨量監測站等水利設施分布于區域內各個場所,分布比較零散。網絡通信系統的搭建需要確保各泵站群之間信息數據的交換與實時控制指令的傳達。同時,也要確保通信系統的穩定、安全、傳輸效果以及可拓展性。由于泵站所處位置為戶外,外部受到各種惡劣氣象環境因素影響,對通信網絡造成干擾。因此,系統組網選擇需要適應外部惡劣條件要求,網絡搭建應該利于管理、維護以及及時啟用。在通信系統中,組網需要連接各泵站的通信系統,考慮穩定性、傳輸效果、經濟性等因素,選擇通過自建無線網絡與光纖實現區域內泵站系統的網絡通信目標。

泵閘自動化綜合網絡。根據圩區泵站工程地理分布情況,泵站以及泵閘都是沿著河道兩岸分布而建。這種泵站分布可以通過河道一側設置光纖,利用桿架進行走線。在圩區中設置若干個光纖網絡數據中心,每個光纖數據節點負責一塊區域位置通信傳輸,每個節點負責沿線的泵站接入通訊數據網絡,并由單獨的光纖網絡將圩區內泵站接入到數據信息中心。圩區光纖網絡結構見圖4。

圖4 泵站光纖通訊結構

光纖通訊主要建設于河道一側,而對岸的泵站通信則主要采取無線網絡數據通信,與有線網絡相比,網絡搭建與拓展更加方便。因此,對區域內泵站系統的研究,選擇無線網橋技術,作為泵站通信系統化的延伸。目前,無線橋接技術不僅成熟,同時在許多領域均有大量的應用,在泵站通信系統中應用滿足泵站系統及時通信需求。由于泵站設置在河岸兩側,周圍建筑物較少,采用對點無線橋接。而對于部分河道周圍有建筑,無法有效布置光纖,則采用中繼無線網橋接,以點對點實現天線與橋接器連通。見圖5。

圖5 無線橋接示意圖

光纖通訊網絡為水利自動化專用通信網,網絡嚴格按照功能進行劃分,包含主干網、核心網絡層以及用戶接入層,其中安全級別最高的是核心網絡層。核心網絡層主要用于運營心、數據存儲等接入網絡。在通信網絡系統搭建時,嚴格執行所在地區抗洪防汛相關標準規定,并保障區域內各節點數據的穩定、安全共享。因此,需要對核心網絡相關硬件有一定要求,滿足防火墻安全級別。主干網主要是河道泵站連接的通信網絡,各泵站管理人員需要維護所在站點的數據接入與安全問題。確保不同數據信息有所區分,在各泵閘單元網絡中采用二級交換機。在信息管理數據中心以及匯聚點,采用環網式組網方案,以滿足通信系統穩定要求。

2.3 圩區泵閘群調度系統實現

根據圩區泵站工程的控制調度發展要求,整個泵站工程泵閘群自動化調度管理系統由控制系統與通信系統構成,并實現對該區域內泵閘群的有效控制。本研究采取分層控制,實現對泵站群的調度控制,包括泵站現場監控層、數據信息管理層、遠程調度監控層。圩區泵閘群調度系統結構見圖6。

圖6 圩區泵閘群調度系統結構示意圖

整體系統結構。整個泵站調度系統以現場監控層為基礎,以可編程邏輯控制系統為設備核心(PLC),利用泵站區域內水位傳感器、氣象水文傳感器等設備,實現對所在泵站區域內水位數據、機電溫控數據等監測。而相關現場監測數據將由以太網形式通過通信系統發送到數據中心,現場監控單元接受數據中心遠程調度控制指令,從而實現對泵閘群的遠距離調度控制。其中,數據處理層是整個系統調度的核心,包含各區域泵站的歷史數據與實時調度信息。每個泵站均設置單獨的服務數據器,泵站所有信息會上傳至此,各管理中可以查閱相應信息,并對該區域內泵閘情況實時監控。在圩區泵的調度控制與調度中心會單獨設置一臺數據服務器,負責該區域所有泵閘數據的收集,并為系統調度控制提供有效的數據參考。遠程調度監控層主要包括該區域內所有調度與管理中心,負責對泵站實時監控以及泵閘開停控制,同時監視泵站所有設備狀態,滿足泵站系統安全運作要求。

控制系統設計。圩區泵站區域泵站控制系統,主要由外部傳感器與控制柜組成。其中,控制柜選擇西門子的PLC單元模塊,包含電源、儀表、顯示器以及繼電器等元件。外部傳感器主要為雨量監測傳感器、水流量傳感器、水位監測傳感器等。

水位檢測是泵站控制核心。在系統建設中,選擇YEH-KJ2X/4X型號的超聲波水位,主要考慮其易于維護、不用測井,并不考慮水質等問題,其精度為0.5%,溫度區間為-15℃～60℃。在水位測試中,由聲波在水中的傳播計算水位距離,聲波傳播時間與發出到水面距離表達關系如下:

式中:T為聲波時間,s;c為聲速,m/s,考慮到聲波由探頭發出到水面會折返,所以距離僅為原來一半。由于水位計與水底距離H保持不變,則被測水位M的表達式如下:

M=H-s

(2)

由式(1)與式(2)結合,最終計算表達如下:

(3)

最后,針對多個泵站群優化與調度問題,采用遺傳算法優化整個系統調度,并尋求泵站最佳調度方案。

3 泵閘遠程控制安全策略以及實現效果

系統建成后,以區域抗洪防澇為主要目的,選取東風圩區6個區域泵站點為對象,且均為雙泵閘,采用MATLAB軟件驗證該調度方案,通過遺傳算法進行計算求解。考慮泵區單位時間受較多因素制約,通過系統水文模型得到一階段排水量Q=2 100m3,區域各泵站水位都在可控合理范圍。二階段對各站點排水量預測Q=5 600m3,均在一個調度期兩個排澇監測時段。該區域內各泵站第一階段水流量監測數據見表1。

表1 東風圩區排澇泵流量監測結果

由表1數據可知,建成系統能夠對泵站水流量進行有效監控,監測每個泵閘水位深度,并最終實現各泵站群的優化調度。因此,多次實驗記錄泵站數據,預測B區域泵站水量調度效果。調度預測結果見圖7。

圖7 B區域泵站調度優化結果

由圖7結果可知,B區域泵站優化調度水流量預測值與泵站實際測量值基本一致。由圖7(a)可知,選取5個時間段的水流量進行預測調度,結果與實際監測流量數據基本一致;由圖7(b)可知,同樣選取5個時段的數據進行監測,數據預測結果與實際監測結果一致,表明該調度系統滿足該區調度要求。

圩區泵閘群自動化調度管理系統的構建,需要保證遠程控制的有效與安全。因此,加強對系統各設備單元的監測是必不可少的。為避免系統故障,建議如下:①加強系統軟件層保護,系統控制操作在軟件層加密,并由指定專業人員操作,設置系統安全預警值。②對閘門限位進行保護,增加閘門傳感保護器。③對系統各單元進行保護,發現異常及時預警。

4 結 論

隨著信息數字化產業的推進,水利相關單位應建立一套高效、穩定的管控體系,保障區域水利設施的有效運行,提高區域抗洪防澇效果。通過對圩區泵站群進行的信息化改造與升級,深化了各部門的合作與溝通,并通過建立便捷、高效的泵閘群控制系統,推進了信息一體化水利工程的建設。在今后的工作中,水利各部門還需要圍繞大數據、信息安全、人工智能等方向探索與深耕,為區域抗洪防澇提供更全面的技術支持,以推進地區產業、經濟的發展。