吳少華，薛 偉

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北直管項目建設(shè)管理部，050035，石家莊）

南水北調(diào)中線干線工程是緩解京、津、冀、豫等北方地區(qū)水資源短缺狀況，優(yōu)化我國水資源配置的一項戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施工程。中線干線工程全長1 431.945 km，輸水干渠包括總干渠和天津干渠兩部分?？偢汕蕴詹砬字帘本﹫F(tuán)城湖長1 276.414 km，其中河南段長731.722 km，河北段長464.640 km，北京段長80.052 km。天津干渠起于河北省徐水縣西黑山村北的分水閘，終止于天津外環(huán)河，全長155.531 km?？偢汕斔问揭悦髑橹?，自陶岔渠首至河北段為明渠，北京段和天津干渠采用管涵方案。渠道運行控制采用節(jié)制閘閘前常水位的實時閉環(huán)自動控制方式，主要利用地勢條件，基本實現(xiàn)自流輸水。

南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)期項目法人為南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，建設(shè)完成后將采用公司管理的運營模式，分為1個總公司和5個分公司。為了對南水北調(diào)中線干線工程進(jìn)行全面、系統(tǒng)的管理，按統(tǒng)一調(diào)度層、管理執(zhí)行層和現(xiàn)地操作層設(shè)立三級管理機構(gòu)。

一、輸水模式

南水北調(diào)中線干線工程從丹江口水庫陶岔引水閘至北京惠南莊泵站約1 200 km，采用明渠輸水，沿線無調(diào)蓄設(shè)施。水量調(diào)度與輸水控制通過沿線分水口門、節(jié)制閘、退水閘、排水閘及惠南莊泵站等控制類工程實現(xiàn)，因此，根據(jù)水量調(diào)度需求及工程實際，對沿渠各類閘站實現(xiàn)全線閉環(huán)自動控制是安全可靠輸水的基本需求，也是閘站監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的核心任務(wù)。

當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)水源來水和沿程需水申請，確定實時調(diào)度方案后，閘站聯(lián)合控制模型根據(jù)調(diào)度方案指標(biāo)和當(dāng)前渠道供水狀況，給出各個閘的開度控制指令，閘站控制系統(tǒng)將閘站開度控制指令自動下達(dá)到相應(yīng)的閘孔,控制閘門啟閉，同時，將閘門啟閉后渠道輸水狀態(tài)反饋給閘站聯(lián)合控制模型，提出新的閘站開度控制修正指令，直至平衡實現(xiàn)調(diào)度指標(biāo)，構(gòu)成閉環(huán)自動控制。

二、需求分析

為實現(xiàn)全線自動化統(tǒng)一調(diào)水過程，系統(tǒng)采用全線水量調(diào)度和閘站監(jiān)控一體化調(diào)度控制作業(yè)，對全線實行統(tǒng)一調(diào)度，所有閘站實行統(tǒng)一控制，保證全線渠道水位保持在一個目標(biāo)水位下。

1.控制功能需求

根據(jù)管理處和現(xiàn)地站所具有的業(yè)務(wù)，均需要閘站監(jiān)測功能。具體功能需求如表1。

①身份驗證：要求通過用戶輸入用戶名和密碼，能夠?qū)τ脩羯矸葸M(jìn)行確認(rèn)，并賦予用戶相應(yīng)權(quán)限，能夠進(jìn)行相應(yīng)操作。

②控制：要求能夠根據(jù)用戶下達(dá)的各種控制指令，向PLC發(fā)送閘門啟閉命令。

③運行狀態(tài)：要求能夠根據(jù)用戶的監(jiān)控范圍，以圖表的方式顯示所有閘站的運行狀況。

④實時監(jiān)測：要求能夠按照用戶選擇，顯示單一閘站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

⑤告警：要求能夠?qū)崟r監(jiān)測用戶管轄閘站的告警信息，并以表格的形式顯示。

⑥查詢統(tǒng)計：要求能夠根據(jù)用戶的選擇，查詢閘站的基本情況、最新情況、歷史數(shù)據(jù)、控制記錄，以圖表形式統(tǒng)計水量和運行情況。

⑦模擬：要求能夠根據(jù)用戶的選擇，模擬顯示單個閘站水位變化或一段渠道的水面線變化。

⑧趨勢：要求能夠根據(jù)用戶的選擇，顯示單個閘站在一段時間內(nèi)水位、流量、電壓、電流的變化趨勢。

⑨管理：要求能夠?qū)ο到y(tǒng)用戶、運行參數(shù)、代碼等進(jìn)行管理，對PLC和遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

⑩PLC測控：要求PLC系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集與處理、閘門控制、安全保護(hù)等功能。

2.數(shù)據(jù)需求

干渠上參與控制的閘站有：節(jié)制閘、分水閘、退水閘、工作閘、倒虹吸和泵站，每個采集站點采集的信息內(nèi)容和具體要求如下：

（1）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

每個采集站點要采集的監(jiān)控信息主要包括：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)或液壓機狀態(tài)、開啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護(hù)、荷重保護(hù)、相序故障、PLC狀態(tài)等。

（2）具體要求

①閘（泵）站信息采集應(yīng)能以秒級粒度完成閘（泵）站實時運行信息采集、控制信息采集。

②要求實時采集閘（泵）站運行及其相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯集、處理、存儲。

③要求有完善的安全機制，保證對閘門(泵機)控制的安全。

④要求有完善的訪問機制、訪問接口和信息流程，應(yīng)對上級系統(tǒng)訪問。

三、設(shè)計方案

閘站監(jiān)控系統(tǒng)是“南水北調(diào)中線干線自動化調(diào)度與運行管理決策支持系統(tǒng)”關(guān)鍵系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著全線所有閘站的生產(chǎn)運行任務(wù)。在設(shè)計中應(yīng)本著安全輸水、精確量水的思想，結(jié)合工程條件、機構(gòu)設(shè)置和管理要求，制定出完善的控制策略和存儲機制；運用先進(jìn)的三層架構(gòu)，構(gòu)造高效、快捷的監(jiān)控服務(wù)體系；將閘站抽象為監(jiān)控對象，作為監(jiān)控服務(wù)的基本單元，既便于運行維護(hù)，又便于系統(tǒng)集成；根據(jù)生產(chǎn)運行的實際需要，合理設(shè)計系統(tǒng)的冗余和安全；根據(jù)系統(tǒng)特點，設(shè)計友好簡潔的用戶界面，做到操作方便快捷。

表1 各級管理機構(gòu)功能需求表

圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.監(jiān)控機制

按照總控制方式，閘門控制分為手動和自動兩種。手動方式下，只有在現(xiàn)地通過手動裝置才能夠進(jìn)行閘門控制。自動方式又分為遠(yuǎn)程和現(xiàn)地，現(xiàn)地方式下，只能通過現(xiàn)地工控機或現(xiàn)地手動裝置進(jìn)行閘門控制；遠(yuǎn)程方式下，總公司、分公司、現(xiàn)地站均可進(jìn)行閘門控制。

系統(tǒng)在正常情況下，控制方式應(yīng)該為遠(yuǎn)程方式。根據(jù)調(diào)水業(yè)務(wù)需要，正常情況下，只有總公司、分公司和現(xiàn)地站有控制權(quán)，且現(xiàn)地站級別最高，總公司次之，分公司最低。一般情況下，閘站按照總公司或分公司下發(fā)的調(diào)度指令 （日流量曲線）對閘門（泵）進(jìn)行啟閉操作，以滿足沿線分水和等水位控制要求。當(dāng)遇到緊急情況時，閘站可根據(jù)實際情況，對本閘站進(jìn)行啟閉操作，并發(fā)出告警信息，報告緊急情況和處理操作。

2.系統(tǒng)總體構(gòu)成

閘站監(jiān)控系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)又分為總公司、分公司、管理處三級遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控子系統(tǒng)和監(jiān)控服務(wù)共四部分。

遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架于統(tǒng)一監(jiān)控服務(wù)平臺之上，監(jiān)控服務(wù)平臺是總公司、分公司和管理處三級遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，它分布于總公司、分公司和管理處三級監(jiān)控節(jié)點，是分布式監(jiān)控平臺，各監(jiān)控平臺節(jié)點按照統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行通信和交互，為閘站對象和各級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

①現(xiàn)地閘站監(jiān)控子系統(tǒng)

現(xiàn)地閘站監(jiān)控系統(tǒng)共有監(jiān)控站點261個。每個監(jiān)控站點配置一臺工控機（退水和排冰站除外）和一套PLC，各監(jiān)控站點的采集設(shè)備，通過各自電纜線連接 PLC，PLC和工控機均接入通信機房交換機，構(gòu)成現(xiàn)地站局域網(wǎng)，組成現(xiàn)地閘站監(jiān)控子系統(tǒng)。

不同類型閘站，監(jiān)控內(nèi)容不盡相同，應(yīng)根據(jù)水量調(diào)度、生產(chǎn)運行和閘站類型確定內(nèi)容。系統(tǒng)監(jiān)控的站點大部分為涵閘，涵閘監(jiān)控至少應(yīng)包含以下監(jiān)控內(nèi)容：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)、開啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護(hù)、荷重保護(hù)、相序故障等信息。為了保證干渠水位測量的安全、準(zhǔn)確、可靠，在節(jié)制閘的閘前和閘后各設(shè)兩個水位測量點，分別測出兩個閘前水位和閘后水位，以消除橫比降并互相作為冗余配置；退水閘只測量一個閘上水位，不測閘下水位，其他類型的涵閘測量一個閘上水位和一個閘下水位；節(jié)制閘和分水閘測量流量，退水閘和倒虹吸工作閘不測流量；按照閘門個數(shù)來測量閘門開啟高度。

節(jié)制閘和倒虹吸工作閘使用的是液壓啟閉機，其監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)包括液壓系統(tǒng)運行信息。分水閥監(jiān)控內(nèi)容較少，只監(jiān)控分水流量和閥門開啟狀況。還需要監(jiān)測每個閘站0.4 kV系統(tǒng)的電流、電壓和運行狀況以及中心開關(guān)站電流、電壓和運行狀況。

②遠(yuǎn)程閘站監(jiān)控子系統(tǒng)

系統(tǒng)采用三層架構(gòu)模式。三層架構(gòu)分別為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)源層。其中，業(yè)務(wù)層又可分為兩個子層：監(jiān)測、控制邏輯子層和數(shù)據(jù)訪問子層。

表現(xiàn)層是系統(tǒng)的外觀，它調(diào)用業(yè)務(wù)層的各項功能，依賴于業(yè)務(wù)層。從直觀上來說，表現(xiàn)層負(fù)責(zé)用戶和系統(tǒng)的人機交互界面，以及與調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)用接口。其中調(diào)度系統(tǒng)接口包括調(diào)度目標(biāo)接口、控制指令接口、告警設(shè)置接口、歷史數(shù)據(jù)接口和實時數(shù)據(jù)接口，閘站監(jiān)控系統(tǒng)界面包括身份驗證、數(shù)據(jù)監(jiān)測與告警、閘門控制、告警設(shè)置、數(shù)據(jù)檢索和系統(tǒng)管理等功能。

業(yè)務(wù)層界于表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)源層之間，處理表現(xiàn)層所有需要的業(yè)務(wù)邏輯、計算與數(shù)據(jù)源交互的數(shù)據(jù)訪問等系統(tǒng)核心內(nèi)容。

數(shù)據(jù)源層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和管理。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的來源有兩類：數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和PLC及泵站接口數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)與調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口、身份驗證、閘站信息采集與告警、閘站控制、信息存儲、信息查詢與檢索、系統(tǒng)管理等功能。

四、結(jié) 語

南水北調(diào)中線干線工程閘站監(jiān)控系統(tǒng)在“南水北調(diào)中線干線自動化調(diào)度與運行管理決策支持系統(tǒng)”中承擔(dān)著非常關(guān)鍵的作用，閘站監(jiān)控系統(tǒng)的成功與否關(guān)系到自動化調(diào)度系統(tǒng)能否成功運行，因此，必須采用合理、科學(xué)、實用的設(shè)計思想，才能確保閘站監(jiān)控具有先進(jìn)性、實用性，才能滿足南水北調(diào)中線干線工程復(fù)雜的調(diào)水需要。

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