雍成林，薛井俊

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200）

江都水利樞紐集中控制系統(tǒng)的研究與探討

雍成林，薛井俊

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200）

大型泵站和水閘等水利工程的自動化監(jiān)測、控制已普遍實施，集中監(jiān)測中心也有使用，而大型水利樞紐多個工程的遠程集中控制、調(diào)度和監(jiān)視尚有待探索。在江都水利樞紐原有自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探索集中控制系統(tǒng)的建設(shè)方案、功能要求和管理措施，建立安全可靠和智能化程度較高的集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多個工程的集中控制、優(yōu)化調(diào)度，確保工程安全、高效運行，為大型水利樞紐工程自動控制系統(tǒng)改造提供參考和借鑒。關(guān)鍵詞：水利樞紐；自動化控制；集中控制；研究

0 引言

江都水利樞紐工程位于江蘇省揚州市江都區(qū)，地處京杭大運河、淮河入江水道的尾閭芒稻河與新通揚運河的交匯處，既是江蘇省江水北調(diào)工程的龍頭，也是國家南水北調(diào)東線工程的源頭。江都水利樞紐工程由 4 座大型泵站、12 座大中型水閘及其他配套設(shè)施組成，具有灌溉、排澇、泄洪、通航、發(fā)電、過魚、改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能。4 座抽水站總裝機容量 55 800 kW，總抽水流量 508.2 m3/s。

為進一步提高自動化管理水平，充分發(fā)揮工程效益，在江都水利樞紐工程原有自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，探索集中控制系統(tǒng)的建設(shè)方案、功能要求和管理措施，在調(diào)度中心建立江都水利樞紐集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn) 4 座泵站及變電所和 3 座水閘的集中控制、優(yōu)化調(diào)度，提高工程安全高效運行水平。

1 自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

至 2012 年底，江都水利樞紐的主要工程一站、二站、三站、四站、變電所、東閘、西閘、芒稻閘均建立了自動控制系統(tǒng)[1-2]，實現(xiàn)了泵站、水閘、變電所各站點的現(xiàn)場自動控制；在變電所建立全樞紐的調(diào)度中心，具備了 4 座泵站和變電所及西閘等工程的數(shù)據(jù)共享、畫面顯示、報表查詢等功能，但未實現(xiàn)全樞紐工程集中控制和調(diào)度管理。

1.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

江都水利樞紐監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由 1 個調(diào)度中心、8 個分中心和千兆環(huán)網(wǎng)組成，網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖 1 所示。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由 1 臺 TSC Carat80 三層千兆核心環(huán)網(wǎng)交換機、8 臺 TSC Pt32 三層千兆環(huán)網(wǎng)交換機、千兆光纜等設(shè)備組成，各分中心控制計算機、PLC、微機保護裝置、微機勵磁裝置及硬盤錄像機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均連接在各自的交換機上。

1.2 監(jiān)控軟件現(xiàn)狀

目前，江都一站、二站、三站、四站、變電所、西閘的監(jiān)控軟件均為 Wonderware System Platform監(jiān)控軟件，與調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng)運行實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；東閘、芒稻閘采用 KingView 監(jiān)控軟件，未與調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng)運行實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

1.3 系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

各分中心自動控制系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定，操作控制可靠，數(shù)據(jù)顯示正常。調(diào)度中心能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享、畫面顯示、報表查詢等功能，但調(diào)度中心系統(tǒng)運行不太穩(wěn)定，曾經(jīng)多次發(fā)生現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)顯示出錯、數(shù)據(jù)不實時更新，以及集中數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，造成運行人員誤判而引發(fā)操作事故[3]。系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的主要原因是監(jiān)控主機、服務(wù)器、交換機等設(shè)備故障，以及程序缺陷、通訊出錯等軟件問題。

2 系統(tǒng)改造方案

原自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了全樞紐的監(jiān)測功能，具備了遠程集中控制的基礎(chǔ)條件，但要真正實現(xiàn)多個工程的遠程集中控制，確保工程設(shè)施的安全可靠運行，集中控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計合理、運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確、控制可靠。為此對原自動控制系統(tǒng)的基本情況及集中控制系統(tǒng)的特殊要求進行深入地研究[4-5]，采取具體措施，確保集中控制的可靠性。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從以下幾方面進行：

1）調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，將調(diào)度中心的原三層千兆核心交換機 TSC Carat80接入環(huán)網(wǎng)中，調(diào)度中心的計算機通過核心交換機與各中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，防止因原網(wǎng)絡(luò)中變電所交換機故障而影響整個系統(tǒng)的通訊可靠性。

2）新建冗余網(wǎng)絡(luò)。為了提高調(diào)度中心與分中心通訊的可靠性，采用不同品牌的交換機布設(shè)第 2 個千兆環(huán)光纜環(huán)網(wǎng)，組成雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，詳細拓撲圖如圖 2 所示。

3）增建冗余網(wǎng)口。為了提高計算機、PLC 等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊可靠性，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均增加 1 個網(wǎng)絡(luò)接口，與新建的環(huán)網(wǎng)交換機相連，實現(xiàn)雙網(wǎng)口通訊。

圖2 江都水利樞紐新建集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

4）合理分配帶寬。為了提高通信速度、減少通訊干擾，合理分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，將雙環(huán)網(wǎng)中的 A 網(wǎng)主要用于傳輸集中監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、控制命令；B 網(wǎng)主要用于傳輸視頻監(jiān)視系統(tǒng)的語音、圖像，并作為監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)膫溆猛ǖ馈?/p>

5）增設(shè)隔離裝置。為了提高系統(tǒng)的安全性，集中控制系統(tǒng)通過經(jīng)國家指定部門檢測認證的專用網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置與外部網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.2 控制權(quán)限優(yōu)化

控制權(quán)限優(yōu)化主要從以下幾方面進行：

1）控制權(quán)限分類。為了避免誤操作的可能性，區(qū)分調(diào)度中心和各分中心的控制權(quán)限，在各分中心“現(xiàn)地/自動”兩級控制方式的基礎(chǔ)上，增加帶鑰匙鎖定功能的“分控/集控”轉(zhuǎn)換開關(guān)，將控制權(quán)限提升分為“現(xiàn)地、分控、集控”三級，其中現(xiàn)地級權(quán)限最高，其次是分控級，集控級控制權(quán)限最低。

2）控制權(quán)限閉鎖。在所有設(shè)備處于自動控制的前提下，當“分控/集控”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“分控”位置時，分中心的控制權(quán)限自動釋放，操作人員可以對設(shè)備進行控制，而調(diào)度中心的控制權(quán)限自動鎖定；當“分控/集控”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“集控”位置時，調(diào)度中心的控制權(quán)限自動釋放，操作人員可以對分中心的設(shè)備進行遠程集中控制，而相應(yīng)分中心的控制權(quán)限自動鎖定。

3）控制權(quán)限區(qū)分。為使調(diào)度中心及分中心控制人員掌握各工程監(jiān)控的控制狀態(tài)，在各工程監(jiān)控畫面中用“分控”或“集控”區(qū)分工程所處狀態(tài)；并在監(jiān)控軟件畫面中用顏色區(qū)分當前設(shè)備所處狀態(tài)，“灰色”表示設(shè)備處于鎖定狀態(tài)，“綠色”表示設(shè)備處于可控狀態(tài)。

2.3 集控軟件優(yōu)化

集控軟件優(yōu)化主要從以下幾方面進行：

1）集控軟件整合。針對監(jiān)控軟件現(xiàn)狀，利用Wonderware System Platform 監(jiān)控軟件，改造東閘、芒稻閘分控軟件，升級調(diào)度中心集控軟件，完成監(jiān)控軟件平臺統(tǒng)一配置，實現(xiàn)調(diào)度中心和各分中心聯(lián)網(wǎng)運行，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

2）集控畫面新建。在調(diào)度中心新建整個樞紐的運行監(jiān)控畫面，顯示整個工程的運行狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)、動態(tài)曲線等；各工程監(jiān)控畫面內(nèi)容統(tǒng)一，布局、圖標、文字、操作票、報表、曲線等格式一致，以便于運行管理與維護。

3）軟件故障提示。為了確保集中控制的可靠性，所有設(shè)備的控制畫面中均增設(shè)相關(guān)控制設(shè)備的通訊狀態(tài)指示。若計算機與控制設(shè)備通訊異常，操作人員在點擊控制按鈕時，系統(tǒng)將自動彈出“通訊異常”的提示畫面，告之操作人員異常設(shè)備的相關(guān)信息，以便及時恢復(fù)通訊，確保操作安全可靠。

2.4 視頻監(jiān)視優(yōu)化

視頻監(jiān)視優(yōu)化主要從以下幾方面進行：

1）視頻畫面擇優(yōu)。對各分中心視頻信號進行合理選擇和分頻處理，減少視頻畫面?zhèn)鬏斄髁?，以提高視頻信號畫面質(zhì)量和傳輸可靠性。

2）視頻畫面集控。在調(diào)度中心計算機上安裝視頻集中監(jiān)控平臺軟件，將各分中心擇優(yōu)上傳的視頻信號進行集中管理，實現(xiàn)各分中心視頻圖像的集中監(jiān)視、控制。

3）視頻畫面聯(lián)動。當操作人員遠程控制某設(shè)備時，視頻系統(tǒng)自動將相關(guān)視頻畫面切換至主屏幕，相關(guān)音頻信息切換至主音響，并同步調(diào)整輔助照明設(shè)施，確保操作人員清楚地看到現(xiàn)場設(shè)備的運行情況；當集中控制系統(tǒng)發(fā)出報警時，視頻系統(tǒng)能自動切換出相關(guān)視頻圖像至指定監(jiān)視器，并自動啟動錄像功能。

3 集中控制系統(tǒng)特殊功能

除了具有單個工程自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表生成、曲線查詢、故障報警、時鐘校對、用戶管理、定值設(shè)置、仿真培訓(xùn)等功能外，為使全樞紐工程安全高效運行，集中控制系統(tǒng)新增了一些特殊功能[6-7]。

3.1 遠程集中控制

1）集中控制功能。集中控制軟件具有分中心監(jiān)控軟件的所有功能，當設(shè)備處于“集控”位置時，在調(diào)度中心能夠?qū)妓麡屑~ 4 座泵站、變電所、東閘、西閘、芒稻閘實現(xiàn)機電設(shè)備遠程集中控制。

2）集中控制方式。調(diào)度中心具有操作票、計算機點動控制 2 種控制方式：操作票控制是指操作員按照操作流程對設(shè)備進行順序控制；計算機點動控制是指操作員根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運行需求對設(shè)備進行點動控制。

3.2 數(shù)據(jù)甄別共享

1）數(shù)據(jù)甄別存儲。集中控制系統(tǒng)對從分中心采集的數(shù)據(jù)和信息進行一一甄別，過濾掉因通信干擾、設(shè)備故障等原因產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，對合理的數(shù)據(jù)和信息進行處理，并以規(guī)定的格式進行存儲。

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存恢復(fù)。操作人員可以用 Excel 和Word 等方式導(dǎo)出歷史報表、曲線、操作票的原始數(shù)據(jù)，并能異地恢復(fù)相應(yīng)的報表、曲線、操作票。

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)發(fā)。當調(diào)度中心與各分中心無法實現(xiàn)正常通信時，各分中心將所有數(shù)據(jù)自動存儲在現(xiàn)地數(shù)據(jù)庫中；當通信恢復(fù)時，以“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”的形式將現(xiàn)地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫中，確保調(diào)度中心數(shù)據(jù)完整。

4）數(shù)據(jù)遠程發(fā)布。系統(tǒng)通過調(diào)度中心的網(wǎng)閘、Web 服務(wù)器和水利網(wǎng)，將江都水利樞紐工程的實時數(shù)據(jù)上傳至江蘇省水利廳服務(wù)器中，用戶可通過 IE瀏覽器查看工程運行狀態(tài)，查詢工程的相關(guān)數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)短信通知。系統(tǒng)還定時向指定用戶以短信方式自動發(fā)送水情信息、工程運行狀態(tài)等內(nèi)容。

3.3 優(yōu)化調(diào)度模式建立

由于工程處于長江下游，受長江潮汐的影響，江都水利樞紐實現(xiàn)灌溉、排澇、引水等功能時，泵站、水閘等工程的調(diào)度運用十分繁雜，集中控制為建立優(yōu)化調(diào)度模式提供了基本條件。

在保證工程安全運行的前提下，根據(jù)上級調(diào)度要求和各分中心運行條件，建立優(yōu)化調(diào)度程序，自動或指導(dǎo)工程控制運用，確保整個樞紐在最優(yōu)工況下運行，提高工程效率，減輕勞動強度。優(yōu)化調(diào)度程序可進行閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，也可以作開環(huán)運行指導(dǎo)，提示運行值班人員做出相應(yīng)處理。

1）泵站優(yōu)化調(diào)度運行。在保證機組安全運行的前提下，根據(jù)上下游水位、泵組運行效率曲線、電網(wǎng)峰谷電價及設(shè)計水位等條件編制優(yōu)化調(diào)度運行程序。泵站在優(yōu)化調(diào)度模式下運行時，根據(jù)調(diào)度要求，自動確定機組最佳開機臺數(shù)，調(diào)節(jié)水泵葉片角度，實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟運行。

2）水閘優(yōu)化調(diào)度運行。在保證水閘安全運行的情況下，系統(tǒng)根據(jù)水位—流量關(guān)系曲線，以及設(shè)計水位、流量等條件編制優(yōu)化調(diào)度運行程序。水閘在優(yōu)化調(diào)度模式下運行時，根據(jù)控制流量、最大流量、控制水位等調(diào)度要求，自動確定閘門開啟孔數(shù)和開度，實現(xiàn)水閘最佳運行。

4 運行管理措施

大型水利樞紐實現(xiàn)集中控制是全新的管理模式。在江都水利樞紐調(diào)度中心建立集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整個樞紐的集中控制和“少人值班”的模式，除了運用先進的技術(shù)、可靠的設(shè)備和成熟的軟件外，還必須在制度、組織和人員上進行充分準備，做到科學(xué)合理、安全可靠，保障全樞紐工程設(shè)備安全高效運行。

4.1 規(guī)章制度建立和完善

修訂現(xiàn)有工程運行規(guī)程，建立集中控制調(diào)度中心調(diào)度規(guī)程、系統(tǒng)管理辦法，以及相應(yīng)的運行、維修和管理規(guī)章制度，建立集中控制調(diào)度中心和各分中心崗位責任制，明確崗位分工和職責。

4.2 管理機構(gòu)組建和要求

為保證集中控制調(diào)度中心正?？煽窟\行，應(yīng)建立專門的調(diào)度中心管理機構(gòu)，主要人員有調(diào)度中心負責人、技術(shù)負責人、技術(shù)人員、運行人員、維修人員等。

調(diào)度中心負責人、技術(shù)負責人、技術(shù)人員應(yīng)熟練掌握全樞紐的運行調(diào)度要求；運行人員應(yīng)熟練掌握自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的操作；維修人員應(yīng)由自動化控制軟件、硬件工程師組成，應(yīng)熟練掌握泵站和水閘自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)性能及維修要求，具有故障的應(yīng)急處理及應(yīng)用軟件的修改完善能力。

4.3 運行人員選拔和培訓(xùn)

1）調(diào)度中心運行人員選拔和培訓(xùn)。調(diào)度中心運行人員應(yīng)在各分中心尤其是泵站運行值長中產(chǎn)生，經(jīng)過運行規(guī)程、調(diào)度規(guī)程、管理辦法、規(guī)章制度，以及各泵站、水閘工程的運行現(xiàn)場培訓(xùn)，熟練掌握各工程設(shè)備的技術(shù)特點、操作流程和整個樞紐的調(diào)度要求。

2）各分中心運行人員的培訓(xùn)。各分中心運行人員經(jīng)過運行規(guī)程、調(diào)度規(guī)程、管理辦法及規(guī)章制度的培訓(xùn)，熟練掌握各自分中心設(shè)備在集控狀態(tài)下的運行操作和相互配合等要求，熟悉設(shè)備技術(shù)特點和使用維護要求，具備獨立運行巡視、操作和事故應(yīng)急處理的能力。

5 結(jié)語

在總結(jié)大型水利工程自動化監(jiān)控運用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出的江都水利樞紐集中控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案，以及多工程遠程集中監(jiān)控，可以有效地提高集中控制系統(tǒng)運行的可靠性和先進性，也為多個水利工程的集中監(jiān)控提供參考和借鑒作用。

多工程、遠距離的集中控制是水利工程實現(xiàn)現(xiàn)代化的必然趨勢，也是對目前水利工程運行管理模式的重大改變。為保證工程安全可靠運行，提高管理效率，應(yīng)建設(shè)可靠的集中控制系統(tǒng)，建立完善的規(guī)章制度，組建合理的運維隊伍，充分發(fā)揮集中監(jiān)控的智能作用，以提高水利工程的運行效率，降低運行人員的勞動強度，但在運用過程中尚需不斷總結(jié)與完善，使自動化技術(shù)真正推動水利工程現(xiàn)代化管理水平。

[1]闞永庚，雍成林. 微機綜合自動化系統(tǒng)在大型泵站中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2001 (3): 40-42.

[2]雍成林，朱承明. 江都抽水站更新改造工程技術(shù)[J]. 水利水電科技進展，2011,10 (5): 53-58.

[3]雍成林，朱承明. 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的運行與維護[J]. 水利信息化，2013 (5): 48-52.

[4]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. DL/T 578-2008水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件[S]. 北京：中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，2008: 4-24.

[5]林蔚. 水口水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造[J]. 水利科技，2010 (4): 74-76.

[6]王春民. 泵站微機監(jiān)控系統(tǒng)綜述[J]. 節(jié)水灌溉，2006 (4): 41-45.

[7]朱曉娟. 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 建筑電氣，2011, 12 (30): 66-67.

Research and Discussion of Centralized Control System of Jiangdu Water Conservancy Project

YONG Chenglin, XUE Jingjun
(Jiangdu Water Management Office of Jiangsu Province, Jiangsu 225200, China)

Automatic monitor and control about large pumping station and water gate have been carried out universally. Centralized monitor center has been used too. But the remote centralized control, dispatch and monitor for large water conservancy projects need to be explored still. Based on the existing automation system of jiangdu water conservancy project, a number of discussions are performed to improve performance of centralized control system, including construction scheme, functional requirement, and management measures. A reliable and advanced centralized control system has been built. The approach has achieved significant results to realize the centralized control and optimal scheduling to ensure the safety and economic performance in a plurality of water conservancy project. It provides useful reference for the improvement of automation system in large water conservancy project.

water conservancy project; automatic control; centralized control; research

TV61

A

1674-9405(2014)02-0050-05

2014-02-24

雍成林（1955－），男，江蘇高郵人，高級工程師，從事大型泵站建設(shè)、檢修和運行管理工作。