張慧媛，曾凡誠，王 兵

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550000；2.貴州省貴陽市公安局出入境管理分局，貴陽 550081)

在時代發(fā)展過程中，自動化技術和計算機技術都在不斷發(fā)展，在這種環(huán)境和大背景下，現(xiàn)代水庫運行對計算機自動控制系統(tǒng)的要求也在不斷提高，尤其針對中小型水庫來說，計算機自動控制系統(tǒng)對水庫的運行和維護有著及其重要的意義。傳統(tǒng)的中小型水庫需要有固定人員進行值班看守，而現(xiàn)代通信技術及計算機技術的飛速發(fā)展使得水庫的運行管理無人化成為可能。計算機自動控制系統(tǒng)的應用，不僅可以實現(xiàn)水庫的正常運行，同時對水庫的長期運行維護有重要作用[1]。

1 概 況

兩岔河水庫工程地址選于余慶縣關興鎮(zhèn)沙堆村香樹坪組，水庫規(guī)劃壩址建于烏江一級支流覺林河沙堆村三岔河以上0.5km處，至余慶縣約80km。

兩岔河水庫的建設目的是為鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水及農(nóng)田灌溉?？捎行Ы鉀Q松煙鎮(zhèn)集鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村生活、生產(chǎn)發(fā)展用水問題。本工程屬中型，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為小(1)型。水庫設置一座壩后泵站及一座提水泵站，提水泵站為兩岔河泵站，裝機容量為：(1×450+2×280)kW(280kW電機運行方式為一用一備)，采用10kV異步電動機；提水泵站為三尖土泵站，裝機容量為：2×45kW，一用一備，采用0.4kV異步電動機。根據(jù)泵站的裝機規(guī)模及用途，兩岔河泵站主要供水對象為集鎮(zhèn)，三尖土的裝機容量較小，因此兩岔河泵站、三尖土泵站負荷均按等級按三級考慮，采用一回10kV電源供電方式，兩泵站之間間隔6km左右。

相對于人工看守監(jiān)控來說，引入計算機自動控制系統(tǒng)對水庫的進行日常運行和管理，在泵站運行、提水及壩區(qū)閘門的開閉過程中，能更準確的監(jiān)控機組和閘門的運行狀況及水位、水情狀況，盡量避免水資源的浪費，提高水庫運行的安全性，提高工作效率，降低人工勞動成本。

一般來說，水庫計算機自動控制系統(tǒng)由計算機監(jiān)控系統(tǒng)、計算機繼電保護系統(tǒng)、計算機直流系統(tǒng)、計算機視頻監(jiān)控系統(tǒng)等模塊構(gòu)成[2]。

因此，根據(jù)余慶兩岔河水庫的特點，按“無人值班，少人值守”運行方式設計，采用計算機自動控制方式，對兩個泵站全站機組、變壓器、公用設備及壩區(qū)閘門運行、配電系統(tǒng)運行等進行自動化監(jiān)控，以實現(xiàn)水庫的聯(lián)合調(diào)度和優(yōu)化運行，確保水庫安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟運行。

2 水庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 水庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

水庫采用集中監(jiān)控方式，監(jiān)控系統(tǒng)采用星形光纖單網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]，且按分層分布式結(jié)構(gòu)布置，分設主控級和現(xiàn)地單元控制級，上下級間采用光纖以太網(wǎng)通信。計算監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在兩岔河泵站設置集控中心，通過網(wǎng)絡各個模塊連接，并將控制權分為遠程調(diào)度層、泵站監(jiān)控層、現(xiàn)地控制層。監(jiān)控層是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，設備布置在中央控制室內(nèi)，可對兩岔河泵站、三尖土泵站、壩區(qū)的運行過程進行數(shù)據(jù)采集、分析并形成報表；遠程調(diào)度層可監(jiān)測兩座泵站和壩區(qū)閘門、設備實時運行狀態(tài)并下達調(diào)度命令；現(xiàn)地控制層分別設在泵站機組旁及壩區(qū)配電室內(nèi)，實現(xiàn)現(xiàn)地設備的自動監(jiān)控。

兩岔河泵站具備對三尖土泵站、壩區(qū)閘門及電氣設備進行遠程監(jiān)視的功能，三尖土泵站設備信息通過無線網(wǎng)絡送至兩岔河泵站，壩區(qū)閘門、電氣設備信息通過光纖送至兩岔河泵站。

2.2 水庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)模塊設計

2.2.1 監(jiān)控層兼遠程調(diào)度層

監(jiān)控層是水庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)的核心，承擔了水庫的日常運行過程的監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、存儲、匯總打印、通信調(diào)度等核心功能[4]。兩岔河泵站監(jiān)控層兼遠程調(diào)度層，設置1臺操作員工作站、1臺工程師工作兼操作員工作站、1臺通信工作站、1臺打印機、網(wǎng)絡交換機、GPS時鐘、無線通訊管理器等。

主控級除負責全站監(jiān)控工作外，同時負責與調(diào)度中心及其它系統(tǒng)通信的工作。中控室僅設置必要的供緊急操作的按鈕及開關，運行人員通過中控室上位機，依靠顯示器和鍵盤、鼠標實現(xiàn)對全站設備的監(jiān)控。兩岔河泵站監(jiān)控層兼遠程調(diào)度層除具備一般泵站監(jiān)控層功能外，還應具備下列功能：

1)對三尖土泵站的遠程監(jiān)視。

2)對壩區(qū)閘門及電氣設備的遠程監(jiān)視。

3)流量平衡、聯(lián)合調(diào)度與優(yōu)化運行。

4)站間通信。

5)與其他系統(tǒng)通信。

2.2.2 現(xiàn)地控制層

三尖土泵站兩臺低壓機組配置一臺機組LCU。兩岔河泵站三臺高壓機組分別配置一臺機組LCU，公用設備設置一臺公用LCU。

泵站監(jiān)控層通過光纖以太網(wǎng)的方式與兩岔河現(xiàn)地LCU進行通信。

1)機組LCU：

機組LCU配置以太網(wǎng)模塊，實現(xiàn)與主控級通信的功能；同時，每套機組LCU均配置一臺網(wǎng)絡管理單元，通過串口實現(xiàn)監(jiān)控機組的微機保護裝置及其它自動安全裝置通信的功能，同時將相關數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊，傳送至泵站監(jiān)控層計算機。

機組LCU主要完成監(jiān)控機組的數(shù)據(jù)采集以及預處理功能，同時也可以對機組進行現(xiàn)地控制、操作及監(jiān)視。同時也需針對它與系統(tǒng)脫離及重新建立聯(lián)系的情況下所應具備的功能進行設計，使其在脫機狀態(tài)下仍能對機組進行必要的監(jiān)視和控制，包括機組的啟動及停止操作、監(jiān)視機組運行狀況及參數(shù)。當故障排除，重新建立聯(lián)系后又可自動地服從上位機系統(tǒng)的控制和管理。

2)公用設備LCU：

兩岔河泵站配置一套公用LCU，布置于中控制室內(nèi)，用于對泵站公用設備進行監(jiān)視和控制。LCU配置以太網(wǎng)模塊，能直接與主控級通信；同時配置一臺網(wǎng)絡管理單元，實現(xiàn)對公用系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)進行采集的功能，并具備與直流系統(tǒng)及其它公用設備及裝置進行通信，同時將數(shù)據(jù)發(fā)到主控層計算機的功能。

三尖土泵站設置一臺現(xiàn)地LCU，同時配置無線通訊管理器，相關數(shù)據(jù)通過GPRS/4G/5G網(wǎng)絡傳輸至主控級上位機。

3) 壩區(qū)LCU：

壩區(qū)配置一套LCU柜，布置于壩區(qū)低壓配電室內(nèi)。壩區(qū)LCU與兩岔河泵站上位機通信通過光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)；LCU柜內(nèi)配置一臺網(wǎng)絡管理單元，通過串口與壩區(qū)智能設備進行通信，將數(shù)據(jù)及時發(fā)送到主控層計算機。

2.2.3 自動化元件

機組自動化元件按無人值班(少人值守)的原則進行配置和選型，滿足自動化和安全監(jiān)控的要求，實現(xiàn)少量操作指令即可完成機組工況的轉(zhuǎn)換。

機組各測溫點配備測溫元件，供溫度監(jiān)測和保護，其它非電氣量運行參數(shù)應通過相應的變送器轉(zhuǎn)換成4mA-20mA的模擬量或通過通信總線送給單元控制級LCU。

3 水庫計算機繼電保護系統(tǒng)

傳統(tǒng)的繼電保護裝置通常采用整流型或晶體管型，調(diào)試工作量大。而計算機繼電保護僅采用一臺計算機完成保護工程，通過相應的程序?qū)崿F(xiàn)各種復雜的功能，簡化調(diào)試程序，且具有自診斷功能，大大減少了運行維護的工作量。目前，計算機保護裝置均采用模塊化設計，按使用場景的不同配置相應的模塊，成套的計算機保護裝置，為設計、運行、維護、調(diào)試人員的工作帶來了極大的便利。

兩岔河水庫主要電氣設備的繼電保護和安全自動裝置按《電力裝置繼電保護和自動裝置設計規(guī)范》(GB50062-2008)和《水利水電工程繼電保護設計規(guī)范》(SL/455-2010)的要求進行配置，各保護均采用微機型成套保護裝置。電氣主要元件的保護配置如下：

3.1 兩岔河泵站

10kV線路保護(包括三段式過流保護、過負荷保護、低周減載功能)；10kV無功補償斷路器保護(包括限時電流速斷、過電流保護、過電壓保護、低壓保護、不平衡電壓保護、單臺電容器專用熔絲保護)；10kV電機保護(包括三段式過流保護、過負荷保護、過熱保護、低電壓保護、 過電壓保護、非電量保護)；站用變保護(包括限時電流速斷保護、過電流保護、過負荷保護、低壓側(cè)零序保護、非電量保護)；小電流接地選線裝置；電弧光保護裝置；微機消弧消諧裝置。

3.2 三尖土泵站

10kV無功補償斷路器保護(包括限時電流速斷、過電流保護、過電壓保護、 低壓保護、不平衡電壓保護、單臺電容器專用熔絲保護)；0.4kV電機保護(電動機電流速斷保護、定子繞組低電壓保護、相電流不平衡及斷相保護、定子繞組相間短路保護、定子繞組單相短路保護、定子繞組過負荷保護)；小電流接地告警裝置；電弧光保護裝置。

4 計算機直流系統(tǒng)

兩岔河泵站控制電源采用直流電源，配置一套交直流一體化電源系統(tǒng)進行供電。三尖土泵站因規(guī)模較小，控制電源均采用交流220V，不設直流系統(tǒng)，選用一套不<3kVA 的UPS電源作為備用電源。

4.1 直流系統(tǒng)部分

直流系統(tǒng)采用單母線接線，采用220V直流供給泵站計算監(jiān)控、繼電保護、自動裝置、事故照明及斷路器合閘等直流負荷。以單回路輻射型給保護屏、LCU屏和自動裝置等集中布置的設備供電；以雙回路環(huán)網(wǎng)方式給10kV開關柜供電。

直流電源部分配置高頻開關模塊電源1套，4只10A充電模塊，絕緣監(jiān)測裝置1臺；通信電源部分配置220V/48V DC/DC電源模塊3只，額定電流20A。直流饋線開關報警接入直流系統(tǒng)綜合監(jiān)控單元，監(jiān)控單元、微機直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測裝置分別通過內(nèi)部RS485通信線接至一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主機，監(jiān)控系統(tǒng)主機通過RS485通信接口接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

泵站配置200Ah/220V蓄電池一組，蓄電池均采用2V，104只全密封免維護鉛酸蓄電池，構(gòu)成無端電池直流系統(tǒng)。

4.2 交流不間斷電源部分

泵站監(jiān)控系統(tǒng)、遙視系統(tǒng)等交流工作電源，均采用經(jīng)站內(nèi)直流逆變后的電源。泵站選用6kVA UPS 2臺，逆變器直流由泵站直流系統(tǒng)取一路電源，經(jīng)逆變后輸出AC220V交流電源。逆變電源配備逆變監(jiān)控器，對直流逆變電源系統(tǒng)工作狀態(tài)進行監(jiān)控，進出線開關報警接入點應接入逆變監(jiān)控器，逆變監(jiān)控器過內(nèi)部RS485通信線接至一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主機，監(jiān)控系統(tǒng)主機通過RS485通信接口接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

5 計算機視頻監(jiān)控系統(tǒng)

水庫設置視頻監(jiān)控系統(tǒng)的目的是對整個水庫樞紐進行全方位的監(jiān)控和管理，工作人員在集控中心通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠直觀地觀察整個水庫的運行狀況，減少運行值班費用。因此，在兩岔河泵站內(nèi)設置一套計算機視頻監(jiān)視系統(tǒng)，對主廠房、高/低壓配電室、主變、控制室等房間內(nèi)部情況和設備的運行操作情況進行監(jiān)視。攝像頭分為固定式及旋轉(zhuǎn)式，合理分布在泵站的主廠房及副廠房內(nèi)，隨時發(fā)現(xiàn)和及時處理問題，將故障造成的損失降到最低。

計算機視頻監(jiān)視系統(tǒng)主機設在泵站中央控制室內(nèi)，同時配置大屏彩色顯示器，運行人員可以通過顯示器可以站內(nèi)設備的運行狀況和站內(nèi)安防情況進行實時監(jiān)視并進行相關紀錄。泵站運行維護人員通過業(yè)務臺或監(jiān)控主機對監(jiān)控范圍目標區(qū)域中的設備或現(xiàn)場進行監(jiān)視，同時在業(yè)務臺或監(jiān)控主機上完成對攝像機的控制(左右、上下、遠近景、調(diào)焦等)，畫面切換的控制和錄像控制。壩區(qū)通過光纖將視頻圖像傳輸至兩岔河泵站集控中心，并可在集控中心進行監(jiān)控。三尖土泵站的視頻圖像通過無線網(wǎng)絡傳輸至兩岔河集控中心。

三尖土泵站設置3個室內(nèi)攝像頭數(shù)量，用于監(jiān)控廠房內(nèi)部及電氣設備運行情況；兩岔河泵站主、副廠房攝像頭數(shù)量按18個配置，用于監(jiān)控廠房內(nèi)部、全站機組、電氣設備運行狀況；壩區(qū)攝像頭數(shù)量按8個配置，用于監(jiān)視庫區(qū)、取水口啟閉機室及溢洪道的狀態(tài)。

6 結(jié) 語

根據(jù)兩岔河水庫的工程特點和管理維護要求，應用計算機自動控制技術能夠有效解決水庫內(nèi)部泵站位置分散、調(diào)度運行及管理不便等方面的問題，實現(xiàn)對水庫運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和調(diào)度，提高泵站及壩區(qū)設備的運行效率和安全性，為水資源的優(yōu)化配置和提高水庫工程信息化、現(xiàn)代化管理水平創(chuàng)造了條件。