郭琳

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西西安 710001）

泵站是電廠排水和工農(nóng)業(yè)中供水的重要設(shè)施。劉集總站是東雷二期抽黃灌區(qū)的泵站之一。設(shè)計泵站37座，主變42臺，總裝機容量178 720 kV·A安裝抽水機組169臺（套），總裝機容量11.44萬kW，分8級抽水。設(shè)計灌溉保證率為75%，是陜西省最大的電力提水灌區(qū)[1]。劉集總站作為一個控制節(jié)點，結(jié)合泵站的運行實際，對運行監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計與分析。

劉集總站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計包括對劉集全站以及南陽、邢家、褚王等3座泵站的水泵機組、輔機系統(tǒng)以及公用設(shè)備進行有效監(jiān)測和控制，保證泵站更加安全、可靠、經(jīng)濟地運行。

系統(tǒng)接受上級調(diào)度中心的調(diào)度指令，結(jié)合全線泵站運行狀況，實現(xiàn)站內(nèi)經(jīng)濟運行，實現(xiàn)遠方調(diào)度中心及站內(nèi)閉環(huán)運行、自動監(jiān)測和控制，提高泵站運行經(jīng)濟效益，提高泵站安全運行水平。配合全站計算機自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)以水力量測、水情測報和建筑物安全監(jiān)測為基礎(chǔ)，以通信和計算機網(wǎng)絡(luò)為平臺，以計算機監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度管理應(yīng)用為核心，以管理信息化、辦公自動化為標志的高水平的綜合自動化系統(tǒng)。

1 泵站的控制對象

大型泵站自動化的主要監(jiān)控對象包括對機組的控制、對公用輔機的控制、對勵磁的控制、對保護的控制[2-5]。

1）對機組的控制。水泵機組分電動機、水泵以及傳動機構(gòu)3部分，控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)要求調(diào)整水泵抽水葉片角度，加大或減少抽水量，調(diào)整機組的運行狀態(tài)，使機組工作在預(yù)定的工作狀態(tài)。系統(tǒng)應(yīng)不斷監(jiān)視機組的各部分工作點，以便及時調(diào)整和報警。

2）對公用輔機系統(tǒng)的控制。所謂公用輔機系統(tǒng)是指為水泵機組運行提供所需運行條件的設(shè)備系統(tǒng)，具體指泵站內(nèi)的油、氣、水系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對這些設(shè)備的控制是一種自動的閉環(huán)控制，即油、氣、水3個動態(tài)量在正常運行狀態(tài)下不斷檢測，當(dāng)缺少任何一項時系統(tǒng)自動啟動進行補給，當(dāng)加到標準值時，自動停止。

3）對勵磁系統(tǒng)的控制。大型泵站一般使用的是同步電動機，勵磁是同步電動機運行的必要條件。勵磁電流調(diào)節(jié)在最佳狀態(tài)，即其功率因數(shù)為最佳值，所以控制系統(tǒng)應(yīng)對勵磁系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)使勵磁系統(tǒng)工作在恒功率因數(shù)狀態(tài)、恒電流狀態(tài)、恒電壓工作狀態(tài)和恒角度工作狀態(tài)。

4）對保護系統(tǒng)的控制。泵站設(shè)有各種保護裝置，變壓器保護、電動機保護、非電量保護等。且是一套獨立的閉環(huán)保護控制系統(tǒng)，它的各種電參數(shù)和非電量參數(shù)都是自己采集判斷動作，只有這樣才能保證不會因被控制系統(tǒng)的誤指令而發(fā)生誤動作。保護控制系統(tǒng)是泵站監(jiān)控系統(tǒng)的一個相對獨立的部分，它的保護判斷值和工作值可以由泵站控制系統(tǒng)下達（為了安全，一般由特定人員下達或在現(xiàn)場設(shè)定），在保護控制系統(tǒng)工作時，它就不斷地將其工作狀態(tài)上傳給主機，當(dāng)機組及其他部件發(fā)生問題時及時告警主機。當(dāng)發(fā)生嚴重故障時，保護系統(tǒng)將發(fā)生停機跳閘動作，并將發(fā)生問題的原因、部位和跳閘順序上傳給主機，以便進行事故分析。

2 泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原則

1）滿足安全可靠運行的需要,實現(xiàn)“無人值班”（少人值守）[4]既可實現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控，又能實現(xiàn)富平調(diào)度中心的遠程監(jiān)控。

2）泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用成熟、可靠、標準化的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保響應(yīng)速度快，可靠性和可利用率高，可維護性好，先進、經(jīng)濟、靈活和便于擴充，且有長期的備品和技術(shù)服務(wù)支持[6]。泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3）為提高監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)具有冗余容錯設(shè)計，重要的單元或模件采取冗余配置的方式。對于每臺機組，各LCU監(jiān)控范圍明確且相對獨立，不會因主控級發(fā)生故障而影響各LCU承擔(dān)的監(jiān)控功能。各LCU以可編程控制器(PLC)為基礎(chǔ)構(gòu)成，與現(xiàn)地各儀器儀表采用D/A輸入、輸出及成熟的現(xiàn)場總線方式進行通信。

4）泵站自動化監(jiān)控技術(shù)具有功能綜合化、設(shè)備操作監(jiān)視微機化、結(jié)構(gòu)分布分層化、通信網(wǎng)絡(luò)光纜化及運行管理智能化等特點。

3 梯級泵站劉集系統(tǒng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

劉集泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)兼做劉集總站調(diào)度中心，其計算機系統(tǒng)采用開放式分層分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)分為調(diào)度與泵站集中控制層、現(xiàn)地控制單元層和網(wǎng)絡(luò)層3層。泵站內(nèi)部采用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，保證傳輸?shù)目煽啃?；泵站之間采用廣域網(wǎng)連接，滿足開放式分布系統(tǒng)標準，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用光纖電纜，通信規(guī)約采用TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為10/100 Mb/ps。

在廣域網(wǎng)通信正常情況下，富平管理局調(diào)度控制中心通過劉集總站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對劉集系統(tǒng)下的南陽、刑家、劉集和褚王這4個泵站的機電設(shè)備以及水工建筑物的實時監(jiān)控，完成輸水調(diào)度和運行管理。同時，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和渭南總局的通訊，對管轄的泵站進行實時的調(diào)度監(jiān)視。

劉集總站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下控制方式：LCU、RTU現(xiàn)地控制、中央控制室集中控制（劉集調(diào)度控制中心）、富平調(diào)度中心遠方控制。

此時，劉集總站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要承擔(dān)劉集系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)，同時采集其他3個泵站LCU（包括遠方RTU）的信息，進行數(shù)據(jù)處理，同時負責(zé)與富平調(diào)度控制中心進行通信及通道監(jiān)視。當(dāng)富平調(diào)度控制中心由于通道中斷或設(shè)備故障失去功能時，劉集總站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可在脫離調(diào)度端的情況下，自主完成對劉集系統(tǒng)的實時監(jiān)控、輸水調(diào)度和運行管理功能。集控（劉集調(diào)度中心）/現(xiàn)地方式轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)在LCU、RTU處。富平調(diào)度中心遠方/劉集集中控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)在中控室。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)各LCU設(shè)有“現(xiàn)地/遠方”切換開關(guān)。在現(xiàn)地控制方式下，各LCU只接受通過現(xiàn)地層人機界面、現(xiàn)地操作開關(guān)、按鈕等發(fā)布的控制及調(diào)節(jié)命令，泵站層設(shè)備及遠方調(diào)度中心只能采集、監(jiān)視來自現(xiàn)地的運行信息和數(shù)據(jù)，而不能直接對各LCU的受控對象進行遠方控制與調(diào)節(jié)[7]。

在泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站層應(yīng)能進行“泵站控制調(diào)節(jié)/調(diào)度中心控制調(diào)節(jié)”軟切換操作。當(dāng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)處于“電站調(diào)節(jié)”方式且相應(yīng)LCU處于“遠方控制”方式時，廠站層可對泵站主輔設(shè)備下發(fā)控制和調(diào)節(jié)命令，上級調(diào)度中心則處于監(jiān)視狀態(tài)；當(dāng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)處于“調(diào)度中心調(diào)節(jié)”方式且相應(yīng)LCU處于“遠方控制”方式時，泵站層可作為上級調(diào)度中心的子單元根據(jù)調(diào)度中心的調(diào)節(jié)指令對電站主輔設(shè)備發(fā)布控制和調(diào)節(jié)命令?？刂?、調(diào)節(jié)方式的優(yōu)先級依次為現(xiàn)地層、廠站層和調(diào)度中心。

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1。

圖1 劉集總站計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 劉集總站主控級

劉集總站主控級既是劉集系統(tǒng)的調(diào)度中心，又作為劉集泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，負責(zé)執(zhí)行統(tǒng)一控制操作。主控級設(shè)備主要包括操作員工作站、工程師工作站、通訊員工作站、GPS衛(wèi)星對時裝置、UPS電源以及打印機等設(shè)備。

泵站中央控制室配置操作員工作站，用于負責(zé)全廠自動化的運行及管理。工程師工作站用于系統(tǒng)開發(fā)、編輯和修改應(yīng)用軟件、建數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)初始化和管理、檢索歷史記錄、系統(tǒng)故障診斷及培訓(xùn)等工作。通訊工作站用于與泵站的視頻系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)等的通信以及與上級調(diào)度控制中心的通信，完成信息的交換，實現(xiàn)監(jiān)控的功能。GPS時鐘同步系統(tǒng)與主控級計算機及各個現(xiàn)地LCU進行時鐘同步，并滿足微機保護裝置、微機自動裝置等的對時所需。主控級配置2套在線式不間斷逆變型UPS電源，采用雙UPS電源并機方案。本系統(tǒng)設(shè)置打印機作為報表以及操作票、事故記錄打印等功能?？傉驹O(shè)有語音報警設(shè)備，能夠及時的對事故和故障采取不同的語音報警，以方便運行人員及時發(fā)現(xiàn)，并采取處理。

3.2 現(xiàn)地控制（LCU）級

監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層在分布式控制系統(tǒng)中是非常重要的環(huán)節(jié)之一，是針對某一特定的控制對象而設(shè)置的LCU，負責(zé)完成現(xiàn)場設(shè)備各種數(shù)據(jù)的采集、處理及事件的記錄，信息傳輸，設(shè)備控制、保護等工作，并通過以太網(wǎng)通訊協(xié)議與主控級計算機相連，傳送運行設(shè)備的實時數(shù)據(jù)[8]。

考慮到泵站需要監(jiān)控的對象以及泵站的規(guī)模，因此在泵站內(nèi)部不設(shè)置計算機，只運用可編程控制器實現(xiàn)對泵站的控制。

泵站內(nèi)部通過現(xiàn)場總線從被監(jiān)控對象獲取原始數(shù)據(jù)信號傳送至LCU，LCU同時執(zhí)行上層下達的操作命令?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，配置為單主站結(jié)構(gòu)，LCU通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備（如智能儀表，智能控制器，調(diào)速系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)，繼電保護）進行通信。位于劉集總站的上位機周期性的讀取現(xiàn)地系統(tǒng)的輸入信息并周期性的向現(xiàn)地系統(tǒng)發(fā)送輸出信息，數(shù)據(jù)通訊由上位機和現(xiàn)地系統(tǒng)進行監(jiān)控。

LCU直接監(jiān)控被監(jiān)控設(shè)備的運行過程，不僅可以作為分布系統(tǒng)中的現(xiàn)地智能終端，還可以作為獨立裝置單獨運行。各LCU還分別設(shè)有其監(jiān)控范圍內(nèi)完整的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)與上位機系統(tǒng)通信中斷時，能保存一定時間歷史數(shù)據(jù)，并能在通信正常后響應(yīng)上位機系統(tǒng)的命令將中斷期間的歷史數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)，以便恢復(fù)上位機的歷史數(shù)據(jù)庫。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)傳輸“現(xiàn)地控制單元（LCU）”層和“主控級”層之間的數(shù)據(jù)及控制信息。網(wǎng)絡(luò)層主要由交換機、光纖等數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)采用雙總線交換式光纖工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)成高可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟硬件均采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計，具有高度的可靠性、安全性、實時性、實用性、靈活性和便于擴充。另外，通信網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，保證了系統(tǒng)的開放性和通用性，并具有更強的系統(tǒng)擴展和功能分布性。

4 劉集系統(tǒng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的特點

劉集總站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按“無人值班”(少人值守)的原則設(shè)計。既可實現(xiàn)泵站集中監(jiān)視控制，又能實現(xiàn)調(diào)度中心遠程監(jiān)控。泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以保證泵站安全、可靠和經(jīng)濟運行，滿足泵站防洪、灌溉等的調(diào)度要求，改善運行人員工作條件，提高泵站的運行管理水平[9]。

劉集總站采用全計算機控制的分層分布開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由主控層、現(xiàn)地控制（LCU）層及連接它們的網(wǎng)絡(luò)層組成。系統(tǒng)整體安全可靠、實用經(jīng)濟、技術(shù)先進，易于維護。具體設(shè)計特點說明如下。

4.1 系統(tǒng)的可靠性

為達到“無人值班”，監(jiān)控系統(tǒng)具有極高的可靠性，采用成熟可靠的、標準化的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及漢化操作系統(tǒng)。各單元相互獨立，不互相影響，功能上不依賴于監(jiān)控計算機，增強了整個系統(tǒng)的可靠性和可用性[10]。

本系統(tǒng)中多數(shù)計算機節(jié)點的應(yīng)用軟件配置是完全相同的，如系統(tǒng)操作員工作站、工程師工作站以及通訊工作站，相同的軟件配置根據(jù)不同的功能授權(quán)實現(xiàn)不同的功能。當(dāng)其中任何一個計算機節(jié)點出現(xiàn)故障時，可通過功能授權(quán)調(diào)整實現(xiàn)功能的重新分配。

現(xiàn)地控制單元使用的PLC可以實現(xiàn)直接上網(wǎng)的功能，減少了很多中間環(huán)節(jié)，提高了LCU的整體可靠性。各個LCU也不會因主控級發(fā)生故障而影響LCU各自承擔(dān)的監(jiān)控功能。

4.2 系統(tǒng)的開放性與可擴性

系統(tǒng)主要硬件設(shè)備選型符合計算機技術(shù)發(fā)展迅速的特點，采用全分布開放式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信上均采用開放的TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，能在泵站環(huán)境下長期連續(xù)穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)中的各工作站計算機及其系統(tǒng)軟件均符合開放系統(tǒng)要求，便于功能和硬件的擴充和升級。

4.3 功能的完善性

本系統(tǒng)按“無人值班及少人值守”的原則設(shè)計，整個系統(tǒng)配備完善的應(yīng)用功能，特別是泵站遠方調(diào)度控制功能，能穩(wěn)定可靠地與上級調(diào)度中心進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)上級調(diào)度自動化系統(tǒng)對泵站的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，實現(xiàn)遠方調(diào)度控制功能。

監(jiān)控系統(tǒng)能與泵站水情測報系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)消防報警系統(tǒng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、泵站信息管理系統(tǒng)、綜合保護自動化系統(tǒng)及將來可能出現(xiàn)的其他系統(tǒng)進行可靠的通信。

4.4 系統(tǒng)的安全性

該系統(tǒng)功能完善并按照模塊化進行設(shè)計，具有確保硬件及軟件的安全性措施，防止監(jiān)控系統(tǒng)硬件或軟件的故障或缺陷對現(xiàn)場設(shè)備的危害。針對泵站集中監(jiān)控的特點，在保證安全的操作和通訊方面也采用了一定的可靠性措施。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖技術(shù)，避免了不同設(shè)備之間的電信號連接造成的干擾[11]?，F(xiàn)地控制單元的人機界面接口單元配置獨立的液晶顯示屏，避免了現(xiàn)地電磁場的干擾。

4.5 現(xiàn)場手動操作與控制

為滿足與機組檢修后同步投運的安全、可靠要求。機組現(xiàn)地控制單元具有部分設(shè)備狀態(tài)現(xiàn)地顯示及必要的常規(guī)操作功能，使運行人員在機旁能完成機組投運或調(diào)試中的操作[12]。

4.6 良好的通信功能

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過廣域網(wǎng)實現(xiàn)與全線泵站監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，完成全線調(diào)度中心對泵站的監(jiān)測與控制等功能。

計算機與各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信,其原則是速度快、數(shù)據(jù)處理能力強、安全可靠性高[13]。泵站監(jiān)控信息通過光纖傳遞至監(jiān)控中心，顯示設(shè)備將采集的信息顯示出來供操作人員及時了解，方便操作管理。

5 結(jié)語

隨著南水北調(diào)東線工程的逐步展開,以及泵站管理水平的提高，泵站的計算機自動控制系統(tǒng)也將逐步實施。東雷抽黃二期工程劉集系統(tǒng)泵站監(jiān)控系統(tǒng)，將為其他泵站工程提供有益的借鑒。

[1]渭南市東雷二期抽黃工程建設(shè)局.陜西省渭南市二期抽黃泵站現(xiàn)狀調(diào)查分析報告[R].2009.

[2]張鵬飛.大唐彬長發(fā)電廠涇河取水樞紐設(shè)計[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（8）：63-65.

[3]張新萍，鄭莉玲.長供水管道水泵出口閥門的選擇[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（4）：71-73.

[4]丁強,陳小梅.關(guān)于泵站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].水利水文自動化,2000（3）：11-14.

[5]丁強,余建建.江都抽水站機組監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究[J].水利水電技術(shù),2002，33（5）：55-57.

[6]吳瑋.白山梯級水電廠實施集中監(jiān)控的探討[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2008，32（3）:7-8.

[7]楊兵.九甸峽水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)[J].甘肅水利水電技術(shù),2010,46（1）:33-35.

[8]TARQUIN A J,DOWDY J.Optimal Pump Operation in Water Distribution[J].Journal of Hydraulic Engineering,1989.115（2）：158-168.

[9]錢福軍，楊鵬，蔣步軍.高港泵站水利樞紐自動化系統(tǒng)[J].機械排灌,2001,19(5):32-34.

[10]馮建華,葉巨鋒.北津水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站層配置及特點[J].水電站機電技術(shù),2009，32（3）:38-39.

[11]龔玉棟,劉新泉,姚懷柱.解臺泵站計算機自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2007，31（4）:77-79.