南水北調東線山東段泵站自動化系統改造實踐

李慶濤，邵在棟，劉鴻五

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109）

近年來，隨著社會經濟的快速發展，我國在水利建設方面的投資不斷增加，使得相關的管理要求也同步提升[1]。同時伴隨科學與計算機技術的不斷發展與應用，自動化調度在調水工程中逐步實現，通過將計算機、網絡、通信、電子、自動控制、多媒體等先進技術進行不同的組合[2]，形成適合于各調水工程的自動化調度系統，有效地提高了調水效率和管理水平。隨著計算機數字控制技術、網絡通訊技術的發展，工業自動化控制系統己進入一個全新的工業控制網絡化時代[3]。目前國內長距離調水工程，如南水北調工程、粵港供水工程等均采用了自動化調度技術。在調水工程中，閘泵站控制是其中一個非常重要的環節[4]，相應的自動化控制系統應用越來越廣泛。

1 工程調度控制情況

南水北調東線一期山東段工程的調度控制工程由東平湖以北的渠道控制工程和東平湖以南的梯級泵站工程組成。其中東平湖以北的渠道控制工程由魯北段渠道控制工程和膠東段渠道控制工程組成。膠東及魯北段輸水工程以渠道及暗涵輸水，以節制閘、倒虹控制閘進行渠段調度控制，通過控制分水閘來滿足用戶用水需求，3 個平原水庫作為用水戶進行調度控制。東平湖以南采用7 級泵站提水，以運河、湖泊輸水。

全線以東平湖為控制節點，把南水北調東線工程山東段分為3 個大的調度控制單元，魯南調度控制單元（魯南段）、魯北調度控制單元（魯北段）、膠東調度控制單元。調度時魯北段、膠東段匯集末端用戶用水需求，形成東平湖引水過程，為了保證東平湖輸水水位穩定，魯南段需要補充東平湖。

南水北調東線一期工程山東段干線水量調度采用“兩級調度、三級管理”模式，全線直到每個引水口的水量分配方案由調度中心統一制定，下發至各分調中心，分調中心根據水量分配方案制定每個調度控制建筑物為控制單元的調度指令并下發各管理處執行。出現應急情況，調度中心可根據相應的處理預案，授權調度分中心制定所轄范圍的水量調度方案，下發現地站執行并反饋控制，以實現對所轄范圍控制建筑物的調度。

2 泵站自動化系統建設概況

2007—2013 年間，南水北調東線山東段各泵站、水庫自動化系統分別進行設計、實施。各系統能夠實現水位、流量、機組運行狀態等重要運行信息采集及現地泵站機組控制。由于設計單位不同，時間跨度大，設計標準不統一，實施時間不一致，建設完成后各站點自動化系統都存在一定差異，設備配置、功能實現等方面多種多樣。隨著自動化系統相關產品及技術更新換代，早期建設的站點部分設備性能落后且停產，若使用替換產品，需重新梳理系統架構，如視頻監控系統由模擬型改為數字型、現地PLC 柜內CPU、I/O 模塊停產等。同時，各泵站自動化系統建設時間不一致，使用的平臺軟件不一，人機界面不同，開機流程各不相同，不便于統一標準化運行維護管理，且與調度運行管理系統難以實現對接，不能夠實現區域遠程集中控制。

由于各泵站自動化系統建成運行時間普遍超過6 年以上，各泵站自動化系統的LCU 信息采集、網絡結構、視頻監控、上位機組態軟件及中控室環境等方面軟硬件性能下降，設備設施老化，時常發生問題，存在信息采集不穩定、不準確情況，各泵站機組尚不能實現遠程集中控制，不能滿足今后調度、生產和運行、維護管理需求。針對上述問題，有必要對各泵站自動化系統在計算機監控系統、計算機網絡、視頻監控系統及中控室環境方面進行升級改造。同時結合當前大數據、云計算及物聯網技術的發展，開發泵站智能運行信息化系統，實現部分智能應用。

3 泵站自動化系統升級改造

3.1 升級改造方案

泵站自動化系統主要由計算機監控系統、計算機網絡、視頻監控系統等組成，系統示意圖如圖1 所示。

圖1 泵站自動化系統示意圖

計算機監控系統負責對泵站主機組、輔機、變配電、閘門等設備進行監控和保護，并對泵站運行進行管理，系統采用分級分布式體系結構，自下而上分成現地級、泵站級、省（分）調度中心級；信息管理系統是泵站運行管理單位的網絡平臺和管理平臺，實現泵站運行、管理信息采集、處理、存儲和發布等功能。信息管理系統又分為安全監測和視頻監視等系統，其中，安全監測系統負責對泵站水工建筑物的運行狀況進行監測、分析及預警，為泵站安全提供技術保障；視頻監控系統實現對泵站運行關鍵區域或重點位置的實時圖像監控，具有歷史圖像信息查詢和回放等功能，是實現泵站安全運行和管理的輔助手段。計算機監控系統與信息管理系統相互獨立設置，系統之間通過隔離網閘進行信息交換。

1）計算機監控系統升級改造。統一傳感器等數據信息采集、存儲及處理方式，劃分參控數據和非參控數據，數據分層處理，明確數據通信協議與接口標準、設備接口標準，實現數據采集準確、穩定。所有現地LCU 柜實現現地控制功能，能獨立工作。根據各泵站機組運行狀況，針對目前上位機組態軟件及系統功能多樣性的情況，基本統一軟件選型，統一系統界面，統一系統功能，基本統一各站點開機流程。對目前計算機監控系統的硬件配置進行優化，更新上位機，配備應用系統服務器和數據庫服務器，并考慮必要的冗余。最終在保證現地機組控制穩定的基礎上實現各泵站機組區域遠程集中控制。

2）計算機網絡升級改造。對泵站自動化系統網絡結構進行優化，針對各泵站“一張網”現狀，根據不同業務需求及安全級別，將網絡分為控制專網和業務內網。計算機監控系統使用控制專網，視頻監控系統、信息管理系統等使用業務內網，控制專網與業務內網實現物理隔離，考慮與調度運行管理系統對接需要并預留接口，根據需要增加相應的網絡設備。以鄧樓泵站為例，改造后網絡結構如圖2 所示。

圖2 鄧樓泵站改造后計算機網絡結構圖

3）視頻監控系統升級改造。為了更好地滿足調度生產中信息實時監視需求，將臺兒莊、萬年閘、韓莊、二級壩、八里灣泵站視頻監控系統模擬監控設備及大屯水庫視頻監控系統清晰度較差的數字設備更換為數字監控設備，同時根據需要在某些關鍵位置或者重點區域適當增加部分監控設備，實現泵站生產區域視頻監控全覆蓋。統一存儲策略及訪問機制，實現與調度運行管理系統的對接。

4）中控室環境升級改造。對各泵站中控室環境進行升級改造，主要包括中控室裝修（墻壁粉刷、吊頂更換、中控室照明燈更換、靜電地板更換等）、監視墻升級改造、操作臺升級改造等內容。各泵站中控室裝修統一風格、統一材料要求，實現標準化配置；監視墻統一采用小間距LED 拼接屏和雙基色LED 顯示屏組合顯示；操作臺統一采用4 面標準尺寸的臺面。

5）泵站智能運行信息化系統開發。結合泵站運行實際情況及應用需求，利用當前大數據、云計算、物聯網等新技術，開發泵站智能運行信息化系統，探索泵站運行調度決策智能化應用。實現設備狀態監測與智能診斷、泵站性能計算和分析、調度輔助決策系統及泵站信息平臺展示等功能。其中，泵站的設備運行實時工況數據、設備報警信息數據、視頻監控數據等集中展示，泵站信息展示平臺要求實現信息聯動、視頻聯動等功能，靈活切換，實時在線掌控泵站現場環境和設備運行狀態。

3.2 升級改造組織實施

1）前期準備。首先組織專業人員赴現場調研，將各泵站自動化系統存在的主要問題進行了梳理、歸納、總結及分析，提出了泵站自動化系統升級改造項目設計技術要求，編制完成了泵站自動化系統升級改造項目設計招標技術文件。然后召開專家咨詢會，專家們通過查現場、聽取匯報，對泵站自動化系統升級改造項目設計招標技術文件提出意見和建議，進一步明確了升級改造項目的設計要求和技術內容。最后鑒于泵站（水庫）自動化系統升級改造任務復雜，技術難度較大，不同于新建工程，初期不宜大規模開展，需分批次逐步進行，積累相關經驗后不斷優化調整，確定以鄧樓泵站為試點，開展升級改造工作。

2）技術實施方案設計。通過公開招標的方式選取了國內高水平的設計單位承擔南水北調東線一期山東段泵站自動化系統升級改造技術實施方案設計。設計單位通過現場踏勘、查閱資料，結合設計要求完成了《南水北調東線一期山東段泵站自動化系統升級改造技術實施方案》（總體要求）和《鄧樓泵站自動化系統升級改造技術實施方案》。隨后組織專家審查會對設計方案進行了審查，設計單位根據專家意見對方案進行修改完善后由公司批復，作為下一步施工單位招標技術依據。

3）施工單位選取。考慮鄧樓泵站自動化系統升級改造項目實施技術難度大，可選擇的施工隊伍范圍有限，為保障項目實施質量和進度，確定通過公開招標方式選擇國內有類似泵站、水電站新建或升級改造經驗和專業水平高的自動化系統開發建設施工隊伍。

4 實施效果

項目實施完成后，開發了鄧樓泵站一體化管理平臺；完成計算機監控系統升級改造、視頻監控系統升級、中控室環境改造、泵站智能運行信息化系統4 部分內容。PLC 數據采集準確、穩定，各類軟件運行正常；實現計算機監控系統一鍵開停機，實時視頻同步展現；實現整個泵站參數“一張表”展示與實時預覽，設備溫度、電流、振動擺度等狀態參數智能分析等功能。在保證泵站機組現地控制穩定的基礎上實現各泵站區域遠程集中控制，對南水北調東線一期工程山東段運行提供了有力技術支撐。