吳少華，薛 偉

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

南水北調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)略性基礎設施工程。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。

南水北調中線干線工程建設期項目法人為南水北調中線干線工程建設管理局，建設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。為了對南水北調中線干線工程進行全面、系統(tǒng)的管理，按統(tǒng)一調度層、管理執(zhí)行層和現(xiàn)地操作層設立三級管理機構。

一、輸水模式

南水北調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，沿線無調蓄設施。水量調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)建設的核心任務。

當調度系統(tǒng)根據(jù)水源來水和沿程需水申請，確定實時調度方案后，閘站聯(lián)合控制模型根據(jù)調度方案指標和當前渠道供水狀況，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到相應的閘孔,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)調度指標，構成閉環(huán)自動控制。

二、需求分析

為實現(xiàn)全線自動化統(tǒng)一調水過程，系統(tǒng)采用全線水量調度和閘站監(jiān)控一體化調度控制作業(yè)，對全線實行統(tǒng)一調度，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，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，能夠對用戶身份進行確認，并賦予用戶相應權限，能夠進行相應操作。

②控制：要求能夠根據(jù)用戶下達的各種控制指令，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：要求能夠實時監(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水位、流量、電壓、電流的變化趨勢。

⑨管理：要求能夠對系統(tǒng)用戶、運行參數(shù)、代碼等進行管理，對PLC和遠程監(jiān)控軟件進行遠程維護。

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容和具體要求如下：

（1）數(shù)據(jù)采集內容

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、荷重保護、相序故障、PLC狀態(tài)等。

（2）具體要求

①閘（泵）站信息采集應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）站運行及其相關數(shù)據(jù)，并進行匯集、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，應對上級系統(tǒng)訪問。

三、設計方案

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

表1 各級管理機構功能需求表

圖1 閘站監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

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行閘門控制。自動方式又分為遠程和現(xiàn)地，現(xiàn)地方式下，只能通過現(xiàn)地工控機或現(xiàn)地手動裝置進行閘門控制；遠程方式下，總公司、分公司、現(xiàn)地站均可進行閘門控制。

系統(tǒng)在正常情況下，控制方式應該為遠程方式。根據(jù)調水業(yè)務需要，正常情況下，只有總公司、分公司和現(xiàn)地站有控制權，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)的調度指令 （日流量曲線）對閘門（泵）進行啟閉操作，以滿足沿線分水和等水位控制要求。當遇到緊急情況時，閘站可根據(jù)實際情況，對本閘站進行啟閉操作，并發(fā)出告警信息，報告緊急情況和處理操作。

2.系統(tǒng)總體構成

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

遠程閘站監(jiān)控系統(tǒng)構架于統(tǒng)一監(jiān)控服務平臺之上，監(jiān)控服務平臺是總公司、分公司和管理處三級遠程監(jiān)控子系統(tǒng)運行的基礎，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)議進行通信和交互，為閘站對象和各級遠程監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫服務。系統(tǒng)結構如圖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)控內容不盡相同，應根據(jù)水量調度、生產(chǎn)運行和閘站類型確定內容。系統(tǒng)監(jiān)控的站點大部分為涵閘，涵閘監(jiān)控至少應包含以下監(jiān)控內容：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、荷重保護、相序故障等信息。為了保證干渠水位測量的安全、準確、可靠，在節(jié)制閘的閘前和閘后各設兩個水位測量點，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)控內容應包括液壓系統(tǒng)運行信息。分水閥監(jiān)控內容較少，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站電流、電壓和運行狀況。

②遠程閘站監(jiān)控子系統(tǒng)

系統(tǒng)采用三層架構模式。三層架構分別為表現(xiàn)層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)源層。其中，業(yè)務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，它調用業(yè)務層的各項功能，依賴于業(yè)務層。從直觀上來說，表現(xiàn)層負責用戶和系統(tǒng)的人機交互界面，以及與調度系統(tǒng)的調用接口。其中調度系統(tǒng)接口包括調度目標接口、控制指令接口、告警設置接口、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、告警設置、數(shù)據(jù)檢索和系統(tǒng)管理等功能。

業(yè)務層界于表現(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)核心內容。

數(shù)據(jù)源層負責數(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)。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)與調度系統(tǒng)進行數(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 語

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

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