于 磊 王順強(qiáng) 楊興旺 徐 煊 劉敬毅

（1.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211000；2.湖南省水利廳，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

大型泵站由主體建筑、水泵、各種輔助設(shè)備和泵站運(yùn)行管理人員構(gòu)成，在用水、灌溉、發(fā)電、防洪等方面具有不可忽視的作用。20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在我國大型泵站中迅速發(fā)展應(yīng)用。1994年，“無人值班，少人值守”的理念開始在我國流行[1]。直至今日，經(jīng)過40多年的發(fā)展，我國大型泵站及水電廠的自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、流域遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)已形成較為完整的體系。而自動(dòng)化技術(shù)、人工智能的迅速發(fā)展，對(duì)大型泵站的可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求?，F(xiàn)有的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在一體化、信息共享、智能化等方面仍有不足，不能滿足日漸提升的需求，因此，大型泵站在自動(dòng)化、智能化改造方面仍有巨大的潛力，可以進(jìn)一步推動(dòng)“無人值班，少人值守”要求的落實(shí)[2]。

南瑞基于一體化管控平臺(tái)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)具備高度的開放性和集成性，該監(jiān)控系統(tǒng)集成的設(shè)備均為目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品，在軟件方面，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件易于擴(kuò)展和升級(jí)，且支持軟件二次開發(fā)，可根據(jù)工程的實(shí)際情況及用戶要求進(jìn)行修改；該系統(tǒng)具備的集成性特征使得系統(tǒng)中的各個(gè)單元具備獨(dú)立性，保證了系統(tǒng)中各個(gè)單元之間的故障響應(yīng)較小，因此，不會(huì)出現(xiàn)受控設(shè)備因各種因素而發(fā)生的誤動(dòng)和影響整個(gè)系統(tǒng)功能的重大故障，具備較高的可靠性。該系統(tǒng)已有國內(nèi)十幾個(gè)大中型引調(diào)水工程自動(dòng)化信息化系統(tǒng)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，具備高度的穩(wěn)定性、可靠性、開放性和可維護(hù)性[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

基于一體化管控平臺(tái)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)主要由工程監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)、全景監(jiān)控、調(diào)度管理、智能告警、視頻監(jiān)視及信息管理等應(yīng)用組成，各應(yīng)用的功能相互結(jié)合，使泵站管理更加標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、精準(zhǔn)化，并在最合理范圍內(nèi)減少泵站工作人員的工作量。工程監(jiān)控的對(duì)象為所有可控設(shè)備；安全監(jiān)測(cè)的對(duì)象為泵站的運(yùn)行狀態(tài)；全景監(jiān)控以全景圖的方式顯示各類監(jiān)控信息和結(jié)果；調(diào)度管理能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度計(jì)劃自動(dòng)生成、指令下發(fā)及指令執(zhí)行完畢后的供水信息反饋統(tǒng)計(jì)和應(yīng)急調(diào)度；智能告警通過專家?guī)熳詣?dòng)生效報(bào)警判斷邏輯和人工腳本進(jìn)行邏輯判斷，并通過各類終端進(jìn)行推送和確認(rèn)；視頻監(jiān)視通過攝像頭進(jìn)行泵站區(qū)域內(nèi)圖像和聲音的采集、分析，并將信息傳輸至告警系統(tǒng)進(jìn)行異常情況的報(bào)警；智能運(yùn)維根據(jù)水利工程管理體制的要求和工程運(yùn)行的實(shí)際情況建立運(yùn)維管理系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)化信息管理體系；信息管理系統(tǒng)對(duì)泵站的運(yùn)行信息進(jìn)行展示及管理。

泵站監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于一體化管控平臺(tái)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，從功能上一般分為兩級(jí)，包括上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地LCU，針對(duì)大型的泵站群，還包含調(diào)度控制中心。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)泵站運(yùn)行的整體監(jiān)控，針對(duì)泵站群，上位機(jī)還具備與調(diào)度中心的通信功能?，F(xiàn)地LCU由各現(xiàn)地控制單元及各種智能測(cè)控裝置、傳感元件組成，負(fù)責(zé)泵站泵組的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地LCU之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，控制級(jí)別由高到低依次為現(xiàn)地LCU、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度中心。

系統(tǒng)通常采用雙星型或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上位機(jī)和LCU與交換機(jī)進(jìn)行直連。雙星型的結(jié)構(gòu)互為冗余，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較高，當(dāng)一條線路發(fā)生故障時(shí)，另一條備用的線路自動(dòng)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通信的功能。針對(duì)設(shè)立調(diào)度中心的泵站群，可采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心與各個(gè)泵站的網(wǎng)路通信，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性更高，但其施工費(fèi)用也相對(duì)較高。

按照業(yè)務(wù)類別，網(wǎng)絡(luò)可分為工程監(jiān)控網(wǎng)、管理調(diào)度網(wǎng)、外網(wǎng)三種。工程監(jiān)控網(wǎng)涉及重要設(shè)備的操控，對(duì)安全性、可靠性要求較高，因此需要設(shè)置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)；管理調(diào)度網(wǎng)涉及水文、地理信息等敏感數(shù)據(jù)，需要在相應(yīng)的安全級(jí)別下才能與Internet互聯(lián)，承擔(dān)視頻監(jiān)視、管理調(diào)度及對(duì)外發(fā)布任務(wù)；外網(wǎng)為工作人員提供Internet訪問。

目前系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)功能

2.1 工程監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)的工程監(jiān)控系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中以客戶端形式存在，除能滿足遠(yuǎn)程指令進(jìn)行斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的切、合，泵組開、停機(jī)和工況的轉(zhuǎn)換、水量調(diào)節(jié)，閥門（閘門）啟閉及開度調(diào)整等外，也能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的要求，自動(dòng)進(jìn)行泵組和各類閥門的控制和調(diào)節(jié)。工程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的控制功能是通過LCU和各設(shè)備系統(tǒng)的功能來實(shí)現(xiàn)的。

同時(shí)，工程監(jiān)控系統(tǒng)能夠與調(diào)度中心進(jìn)行管理區(qū)網(wǎng)絡(luò)通信。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用和現(xiàn)地LCU控制、調(diào)度中心控制之間互相補(bǔ)充，在保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下能最大程度上降低泵站工作人員的工作強(qiáng)度。

現(xiàn)地LCU設(shè)有“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”的轉(zhuǎn)換開關(guān)，開關(guān)指向“現(xiàn)地”時(shí)，現(xiàn)地LCU只接受設(shè)備端控制界面、設(shè)備操作開關(guān)等的控制，與此同時(shí)，調(diào)度中心和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)處僅可進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)監(jiān)視，而不能對(duì)現(xiàn)地控制設(shè)備直接進(jìn)行操控；在監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)上設(shè)有“分中心/調(diào)度中心”軟切換開關(guān)，當(dāng)現(xiàn)地控制單元上“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”切換開關(guān)在“遠(yuǎn)方”控制方式下，且泵站監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)軟切換開關(guān)打在“分中心”時(shí)，在泵站監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)方控制與調(diào)節(jié)；當(dāng)現(xiàn)地控制單元上“現(xiàn)地/遠(yuǎn)方”切換開關(guān)在“遠(yuǎn)方”控制方式下，且泵站監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)軟切換開關(guān)打在“調(diào)度中心”時(shí)，在調(diào)度控制中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站相應(yīng)的現(xiàn)地控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)方控制與操作。

2.2 工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集分析、自我檢測(cè)的功能。工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠與現(xiàn)地采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)和其他信息資料存放在數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫運(yùn)行在數(shù)據(jù)服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)資源共享[4]。

采集的數(shù)據(jù)包含垂直位移、水平位移、伸縮縫開合度、揚(yáng)壓力、縫內(nèi)鋼板頂塊應(yīng)力、泵站地板地基土壓力及站身墻后回填土側(cè)向壓力等；采集方式包括定點(diǎn)、定時(shí)、循環(huán)測(cè)量等；數(shù)據(jù)采集裝置支持人工測(cè)讀功能，且可通過設(shè)置警戒值進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

基于一體化管控平臺(tái)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示與工程安全監(jiān)測(cè)相關(guān)的過程曲線、數(shù)據(jù)分布圖、控制點(diǎn)分布圖和報(bào)警彈窗等，且根據(jù)設(shè)備特性及歷史數(shù)據(jù)庫資料建立相關(guān)模型，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)功能，并將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息及分析評(píng)估結(jié)果顯示于監(jiān)控系統(tǒng)的工程安全監(jiān)測(cè)模塊[5]。

2.3 全景監(jiān)控系統(tǒng)

多源全景監(jiān)控在各類現(xiàn)地自動(dòng)化通信服務(wù)資源、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源、定制監(jiān)控監(jiān)測(cè)視圖的支撐下，以簡(jiǎn)潔明了的圖表方式顯示各類監(jiān)控信息和結(jié)果。以圖、文、聲、像等形式，通過現(xiàn)地通信服務(wù)直接與自動(dòng)化資源交互，面向不同層次的需求，提供實(shí)時(shí)水情、水質(zhì)、閘泵閥監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)等多源全景監(jiān)控。對(duì)多源全景監(jiān)控的各個(gè)監(jiān)控模塊進(jìn)行整合，形成功能更加集中和直觀的全景聯(lián)合監(jiān)測(cè)。

全景聯(lián)合監(jiān)測(cè)以多種方式向用戶提供全面、及時(shí)、易用的信息，其控制既可基于地圖平臺(tái)，也可面向主題，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)、信息的綜合展示與查詢，同時(shí)提供綜合的信息服務(wù)。

全景聯(lián)合監(jiān)測(cè)與控制能夠全面地提供各類現(xiàn)地自動(dòng)化測(cè)控單元的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能的組態(tài)定制，將傳統(tǒng)系統(tǒng)的閘閥監(jiān)控、電站監(jiān)控、水情監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等技術(shù)專業(yè)獨(dú)立的應(yīng)用有機(jī)融合起來，提供面向業(yè)務(wù)的全景監(jiān)控定制與發(fā)布功能，可通過一張全景聯(lián)合監(jiān)測(cè)與控制定制的全景功能視圖直接監(jiān)視沿程水情、水質(zhì)、流量、工程安全等信息，按照日常運(yùn)行調(diào)度規(guī)則控制閘閥與電站的運(yùn)行，調(diào)用視頻查看現(xiàn)場(chǎng)情況，也可通過各類工作業(yè)務(wù)主題功能視圖查看供水水情、供水水量、安全、動(dòng)環(huán)等專題功能視圖。

全景監(jiān)控中包含基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控中各類現(xiàn)地單元的監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能組態(tài)與定制[6]。

2.4 調(diào)度管理系統(tǒng)

調(diào)度管理系統(tǒng)能夠進(jìn)行引供水工程的水量上報(bào)、審核、自動(dòng)匯總、審批，實(shí)現(xiàn)調(diào)度計(jì)劃自動(dòng)生成、指令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行完畢后的供水信息反饋統(tǒng)計(jì)及應(yīng)急調(diào)度，具備水量調(diào)度日常業(yè)務(wù)管理、水資源配置方案編制、實(shí)時(shí)及應(yīng)急水量調(diào)度、用水計(jì)量、調(diào)度評(píng)價(jià)、水費(fèi)征收等功能。

該系統(tǒng)能夠跨控制區(qū)、管理區(qū)同步運(yùn)行，支持水量?jī)?yōu)化分配及基于輸水線路模型的閉環(huán)控制（含前饋、反饋控制），具備用水申請(qǐng)自動(dòng)匯總、調(diào)度指令自動(dòng)生成、調(diào)水過程實(shí)時(shí)監(jiān)視等功能特點(diǎn)。

2.5 智能告警系統(tǒng)

智能告警系統(tǒng)以一體化軟件平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警和App交互等功能。智能告警系統(tǒng)能夠?qū)?bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，減少人力消耗和人為失誤，從而提高水利自動(dòng)化水平，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

智能告警系統(tǒng)根據(jù)功能測(cè)點(diǎn)信息自動(dòng)識(shí)別到設(shè)備對(duì)象，標(biāo)記關(guān)鍵屬性，根據(jù)對(duì)象類型、關(guān)鍵屬性和預(yù)定義的專家?guī)熳詣?dòng)生效報(bào)警判斷邏輯，并結(jié)合人工腳本和泵站工作人員根據(jù)工程特殊性添加的判斷邏輯，生成包含趨勢(shì)報(bào)警、過濾報(bào)警、條件報(bào)警、自定義報(bào)警等在內(nèi)的全面的報(bào)警體系。

針對(duì)重要調(diào)度操作執(zhí)行過程，將自動(dòng)化資源相互協(xié)同，完成相關(guān)安全防護(hù)預(yù)警與視頻等應(yīng)用聯(lián)動(dòng)，最終將各類報(bào)警信息通過不同渠道進(jìn)行傳達(dá)，以便迅速發(fā)現(xiàn)和解決問題。

2.6 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)能夠?qū)Ρ谜痉秶鷥?nèi)的重要地點(diǎn)進(jìn)行視頻和音頻的監(jiān)視。攝像頭掃描方式能夠設(shè)定，包括自動(dòng)與手動(dòng)掃描的切換、掃描方向的切換、預(yù)設(shè)時(shí)間定點(diǎn)掃描等，并將掃描的內(nèi)容及地點(diǎn)、日期等圖像信息和聲音信息上傳至系統(tǒng)的視頻監(jiān)視模塊。該系統(tǒng)具有與數(shù)據(jù)庫及報(bào)警控制聯(lián)動(dòng)的接口，可對(duì)視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)、報(bào)警聯(lián)動(dòng)顯示等。

2.7 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)具備對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)信息的展示及管理功能，主要包括對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的接收和管理、信息發(fā)布和查詢、數(shù)據(jù)上傳、存儲(chǔ)等。

（1）數(shù)據(jù)接收和管理。

信息管理系統(tǒng)能夠接收和管理從控制區(qū)通過數(shù)據(jù)通信傳輸至管理區(qū)的泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行本地存儲(chǔ)。

（2）信息發(fā)布和查詢。

以Web網(wǎng)頁的形式將工程監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的主要界面在信息管理系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)布，授權(quán)用戶可通過瀏覽器方式進(jìn)行瀏覽，瀏覽內(nèi)容以報(bào)表、GIS圖像、結(jié)構(gòu)圖、曲線圖的方式進(jìn)行展示。

（3）數(shù)據(jù)上傳。

以數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)接口或數(shù)據(jù)通信的方式將工程運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)，并接收調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)下發(fā)的各種指令。

3 結(jié)語

隨著大型泵站行業(yè)的快速發(fā)展，我國自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在泵站體系中的應(yīng)用越來越廣泛。南瑞基于一體化管控平臺(tái)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性、智能化和經(jīng)濟(jì)性方面顯示出了突出的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠減少泵站工作人員的人力投入，而且可以提高泵站的運(yùn)行管理水平及管理部門的信息化水平。