自动化控制系统在万家寨引黄工程输水运行中的应用

王吉生

（山西省万家寨引黄工程管理局偏关分局 偏关 036400）

1 万家寨引黄工程自动化监控系统概述

山西省万家寨引黄工程是一项跨流域引水工程，是维系国家能源重化工基地发展的生命工程，由于该工程所处地形非常复杂，沿线建筑物众多，这种大流量、长隧洞、高扬程、级间串联、级梯泵站与封闭式输水隧洞相连接、泵站内多台机组并联的复杂系统在国内是唯一的。2002年10月，引黄工程实现了全线试通水，2003年10月26日，一期工程向太原市供水，开始发挥工程效益。为了保证安全可靠运行，引黄工程引入世界先进技术计算机自动控制系统，于2004年7月21日至23日，自动化监控系统成功完成了72 h试运行，工程全线实现了遥控、遥测、遥调、遥信功能，取得了世人瞩目的科技成绩，主要科技创新点达到了国际领先水平。

引黄工程的自动化监控范围包括五座大型泵站、450多km沿线的所有输水设施、两个调节水库和三个流量调节阀等，其控制规模之宏大、运行工况之复杂，在国内外大型工程自动化控制领域里是极其罕见的，它所具有的挑战性和艰巨性为世人所瞩目。

2 自动化系统的组成

万家寨引黄工程自动化系统由计算机监控系统(CSCS)、工业电视系统（ITVS）、水力量测系统（HMS）以及外围的通信系统组成。

计算机监控系统又由太原调度控制中心、总干三级泵站、总干一/二级泵站、南干线一级泵站、南干线二级泵站、联接段六个单元工程以及站控级以下的31个现地控制单元组成，每个子系统均为开放式分层分布结构，各子系统的计算机设备采用局域网将各节点相接，各子系统之间采用广域网相连；主干通信系统采用SDH光纤，由总干一级站、总干二级站、总干三级站、南干一级泵站、南干二级泵站、下土寨分水闸等站点构成了一个完整系统的核心环网，传输速率为155.520 Mbit/s，通信环网的保护模式采用二纤单向通道保护环。光纤线路采用架空电缆和无金属自承式光缆（ADSS）。核心环网至联接段和太原调度中心采用155.520 Mbit/s数字微波系统，并配有备用通信通道。联接段各个RTU为一个单独的一个多址的微波系统，通信速率64Kbit/s。水力量测系统的6个站点为800MHz无线通信系统，无线通信终端为MCU的提供RS-232，RS-485通信接口。为与通信系统接口，计算机监控系统设置了多个2 Mbit/s的通信接口，联接段RTU为64Kbit/s的通信接口；为与通信系统接口，工业电视监控系统也设置了多个2 Mbit/s的通信接口。

工业电视系统是电视技术在安全技术防范领域的新应用，该系统借助于光纤和微波对现地或远方进行实时图像监控，及时真实的直接观察厂房内外各主要设备的运行状态和工作环境，进行现场作业的指挥和重要操作的录像，提高了对突发事件的反映能力，为实现将事故消灭在萌芽状态提供了一个直接有力的手段。该系统由分布在沿线的七个子系统组成。

水力量测系统由分布在沿线的水位计、流量计、含沙量测量仪以及测量控制单元组成，主要完成数据在线采集和传送。

系统正常运行时，由太原调度中心计算机监控系统对全线各泵站、变电站、水库、取水口、南北干线分水闸、联接段各闸门和阀门进行远方监控、数据采集、自动实时控制、输水调度及运行管理。当太原调度中心计算机监控系统由于通信通道中断或故障而失去监控功能后，备用调度控制中心---总干三级泵站计算机监控系统将执行对总干一、二、三级泵站，南干一、二级泵站，北干大梁泵站所有设备的自动控制，但不包括联接段设备。计算机监控系统(CSCS)为分层系统，包括六个计算机系统，分别为太原调度中心系统（TCS），总干一、二级泵站控制系统（GM12CS），总干三级泵站控制系统（GM3CS），南干一级泵站控制系统（SM1CS），南干二级泵站控制系统（SM2CS），联接段控制系统（CWCS）。六个控制系统都配有现地控制单元（LCU），远方控制单元（RCU）和接口装置。

3 系统的先进性和作用

自动化系统的先进性主要是将计算机监控技术、网络技术以及仿真技术应用于引黄工程这个极其复杂的被监控对象中，以实现遥测、遥控、遥调和遥信功能，同时保证系统在安全可靠的前提下达到经济运行，

输水系统内引起流量不平衡的因素主要是万家寨水库水位的变化及申同嘴水库的水位变化、申同嘴水库的下泄流量和总干三级泵站流量因制造原因和正常磨损以及泥沙的磨蚀等因素造成机组的运行特性不一致，同一泵站中各台水泵的运行方式不同造成的流量变化、系统启/停过程中的流量变化、电力系统及其它设备出现故障而引起水力过流过程的变化、闸阀的控制精度造成的流量不平衡等，同时由于引黄工程的地形结构、水工建筑物以及机电设备的局限性，造成全系统运行工况复杂、运行难度大。为了解决流量平衡以及系统设备安全性等问题，引黄工程先后邀请有关科研单位对该系统进行模拟仿真计算，但是所能完成的只是该系统分段的水力学过渡过程计算。为此项目组对该问题高度重视，应用先进的仿真平台软件并与承包商一起研究开发，终于完成了此项国内国际自动控制领域及仿真技术中难度最大的又极具挑战性的科技成果。

该仿真系统将水力量测系统采集到的沿线水位、流量等数据通过通信网络上传到太原调度中心，按照需水要求进行计算机仿真，水力学仿真、水力学过渡过程计算等程序计算，形成一个经济安全的运行计划并下达到调度台，调度台将按照该计划进行全系统自动执行输水运行方案、自动启停和切换泵组设备、自动完成流量平衡调节等，可实现不弃水或尽量少弃水，为系统的优化调度和经济运行提供了有力的手段。

为了保证全系统设备和沿线的水工建筑物的安全可靠运行，报警系统采用了工业电视监视系统、画面报警显示、语音报警提醒以及手机短消息系统，将出现的各种报警和现场运行情况及时传递给值班人员和值守的维护人员，以便在短时间内解决问题。同时，先进的网络结构和系统的协调有序性保证了系统的正常运行，自动化系统提供了目前国内最为先进的软硬件设备。

4 计算机监控系统控制的难点和实现的功能

引黄工程由于沿线的水工建筑物和机电设备的调节能力非常有限，该工程输水要做到安全、可靠、经济运行，五座泵站梯级引水要实现等流量控制以达到流量平衡，对其自动化计算机监控系统提出了很高的要求。它将对6座大型水泵站（包括泵站内所有开关设备）、7座大型取水分水闸、3座大型调节阀站、70多座大型阀室的设备进行监视控制和调节，对4座水库、450多km的隧洞、管道、渡槽等水工建筑物进行监测，并对以上设备、设施进行有效统一的调度和管理。

4.1 控制难点

通过计算机监控系统的研究开发和实施，攻克了以下难点：

（1）解决了全线等流量控制并实现流量平衡。

（2）使总干一、二级泵站之间和南干一、二级泵站之间保持串联方式运行，不向外分水。

（3）由于工程以封闭隧洞输水为主，引水隧洞多为无压隧洞，隧洞净空一般控制在横断面面积的20%，调节能力很小，沿线很少有其它调节水库，系统要求等流量控制运行，运行时解决了万家寨水库水位变化而导致的申同嘴水库下泄流量和总干三级泵站出水流量不一致问题；解决了同一型号机组因制造原因和运行后磨蚀等因素造成出水流量不一致问题。

（4）解决了由于各级泵站管道并联运行方式不同所造成泵站级间流量不平衡问题。

（6）在正常运行时整个输水系统中的泵站、水库和多个调节控制闸阀之间必须协调一致地进行工作，才能使输水建筑物水位不超过最高运行水位，以保持各级泵站之间的流量平衡，与此同时要尽量解决弃水问题，达到不弃水，系统解决了该复杂问题。

（7）在事故情况下，要解决由于任一泵站中的全部或部分机组跳闸而引起其它泵站的机组相应停机的问题，否则因各泵站的抽水流量不同，水在输水建筑物中可能被抽空或出现封顶，使无压洞变成有压洞，从而使工程遭到破坏，系统解决了该复杂问题。

（8）解决泵站前池可能发生的弃水，或因水位不断下降以致被抽干，造成水泵产生气蚀、机组损坏的问题，控制策略采取了国内外还未曾应用的“水位控制和小流量控制”相结合的方式。

（9）由于联接段部分为多级有压输水管线，基本无缓冲水工建筑物，而且需要连续对呼延水厂保持不间断等流量供水，采用“高压力淹没式套筒阀”对联接段285 km沿线进行控制和调节，解决联接段流量调节阀与其它阀室之间的精确控制问题，。

（10）解决各种复杂工况之间的相互转化。

（11）解决452 km沿线的水力学仿真计算和水力学数学模型的建立，并能指导运行；

（12）实现“无人值班，少人值班”的运行原则。

4.2 主要功能

（1）数据采集与控制：采集全线各监控站上传送来的所有机电设备和水力学的模拟量、开关量、肪冲量等数据，对全线所有机电设备和水力学的运行情况进行全面监视，包括沿线输水隧洞的水位、流量和泄漏情况的监视，以及输水系统的实时仿真；对全线主机电设备的运行进行控制和调节（包括各水泵电机的开/停机操作，变速机组的转速调节，各断路器、隔离开关和接地刀闸的跳/合操作，万家寨取水闸门的的开/关操作，申同嘴水库弧形闸门的开/关操作和开度调节，申同嘴流量调节阀的开/关操作和流量调节，联接段进水塔放水闸门的开/关操作，联接段各流量调节阀的开/关操作和流量调节，联接段各检修阀、输水阀、旁通阀的开/关操作等）；

选取桩径为500 mm，桩长为24 m的CFG桩进行沉降计算。计算场地平面长度27 m，宽度14 m，计算荷载为满堂450 kPa，计算简图见图2所示，基底应力计算结果如表3所示。

（2）水量和流量平衡控制：计算机监控系统根据输水调度计划要求的输水量，在维持整个输水线路的输水量和前池水位基本不变的情况下，并考虑沿线水工建筑物的水位和净空等相关限制条件，自动确定各泵站开/停机的台数以及变速机组的转速；

（3）无功功率控制：通过控制各泵站变压器的抽头位置、调节水泵电动机的功率因数或无功功率来满足系统对各泵站的无功要求，并维持10kV母线电压的稳定，确保泵站的供电质量和电力系统的稳定运行；

（4）优化调度：太原调度中心系统（TCS）计算机监控系统根据终端用水量，汾河水库近期和远期天然来水量，并结合当前汾河水库蓄水状况以及汾河水库的调节能力，制定出总干和南干的输水调度计划表，通过自动、半自动或手动方式执行该计划表。该部分的实施需要靠水力学控制软件的参与才能完成；

（5）经济运行：在满足输水量的前提下，保证整个输水系统安全稳定运行，在此情况下，使整个系统弃水量最少，能耗最小；

（6）事故分析和处理：当输水线路中任何一处或多处发生事故时，如水泵事故停机、变压器设备或输电线路出现故障而被迫停机、输水线路事故等，太原调度中心计算机系统将根据可能出现的故障情况制定出处理措施，自动实现相应泵站水泵的启/停程序，以保证水工建筑物的安全；

（7）安全分析：调度员可通过安全分析功能来分析与整个输水系统有关的流量、水位、闸门、阀门、水泵、电力设备等是否存在故障隐患。对于存有安全隐患的设备，提前告警调度员，以便采取措施使其处于良好的状态。计算机系统包括静态安全分析和动态安全分析功能；

（8）与其他系统的通信：通过太原调度中心通信服务器完成与忻州电力调度系统、水资源调度系统、水情测报系统、呼延水厂计算机监控系统、全线水工建筑物监测系统、MIS系统以及太原调度中心系统（TCS）的UPS电源的通信。通过总干三级泵站通信服务器完成与水力量测系统各独立测站的通信，采集沿线输水隧洞的水位、流量、流速等信号；

（9）远方告警功能：当系统产生报警时，直接拨号告警前置处理计算机以文本形式将报警信息发送给程控交换机（PABX）和无线寻呼系统，通过电话、手机将报警信息传递给有关人员；

（10）培训仿真器功能：培训台和试验LCU作为离线培训用，用于培训运行操作人员和系统维护人员；数据接口管理系统(DIMS)和MOUSE软件仿真计算机用于水力学仿真和水力学计算，模拟整个输水线路及其设备运行能力，仿真预想某种状态和运行工况；

各泵站及联接段计算机监控系统主要完成其监控范围内主要机电设备的运行控制和调节，对监控范围内所有机电设备和水工建筑物的运行情况进行全面监视，并接收站内其他设备传来的信息，同时与调度中心计算机监控系统进行通信，传送调度中心需要的信息，接收调度中心下达的调控命令。

5 安全、可靠和经济运行

计算机监控系统（CSCS）主要是监视和控制整个输水线路的所有设备，对正常或异常的设备进行自动控制，实现遥控、遥信、遥测、遥调以保证系统安全、可靠、经济运行。安全和可靠运行所关注的是达到和维持输水线路的流量平衡，经济运行关注的是设置运行目标（例如：输水调度目标的最优计划），即经济运行关心的是计划从一个输水流量到另一个输水流量的转变。

安全运行的原则：当输水线路中任何一处或多处发生故障或紧急情况时，如机组变压器设备、输电线路或输水线路水工结构事故等，太原调度中心计算机系统即根据事故情况自动实现相应的启/停程序，以保证整个水工建筑物的安全，为此太原调度中心使用数学模型、水力学计算和过渡过程计算来分析情况，以确定相应的处理措施。

可靠运行的原则：当监视控制功能或通信线路由于故障或因某种原因不能工作时，计算机监控系统能够独立对输水系统进行自动控制。

经济运行的原则：提高申同嘴水库流量阀门的控制精度，以便在水库水位变化的情况下维持一个稳定的流量并与GM3的流量相匹配；申同嘴水库应运行在低水位范围内；尽可能减少GM1和GM2水泵的启/停次数；GM1和GM2应该有相同台数的水泵运行在高效区内；当GM1/GM2的抽水流量小于GM3的抽水流量时，申同嘴水库不进行调蓄，阀门全开运行；变速水泵在正常运行情况下执行流量调节，并执行整个输水系统的启动和停止。出水池的出水闸门全开为宜；当泵站启动时，前池水位应高于设计水位低于溢流水位；正常运行时GM3有2-3台变速泵，SM1、SM2有1台变速泵参与运行并进行流量调节，变速泵投入台数少，可节省电能；尽量减小前池弃水，消除水的波动；变速机组转速调节范围在94%～100%之间较经济；远期运行时GM3的扩大前池允许水位变幅为1218.19～1219.19，可以满足±1 m3/s不平衡流量调节的需要；全系统按等流量控制运行；出现站间流量不平衡时，尽量利用隧洞空间进行调蓄，以减少弃水；研究变速机组在设计工况下按额定转速97%运行的可行性，以通过变速泵进行流量调节；泵站机组正常开机和停机时，控制出口阀的运行，以防止水的倒泄或减小倒泄流量。

由于计算机监控系统的投入运行，在工程实际运行中有效的避免了从GM1到SM2之间在启动及机组投切过程中的弃水现象，特别是GM3到SM2之间将现场各泵站及MCU站点的实时数据及时采集到各级CSCS系统上，对各种工况进行分析，采取最快捷方式保证输水计划的实施。并且可以通过数据采集，不断优化各类边界条件，使水力学应用的各类软件及边界条件公式更加符合现场实际数据，保证更加有效的服务，也使工程中的仿真系统更加准确。从调度运行数据和多年运行情况来看，该系统达到了建设的目的，保证了引黄工程的安全、可靠运行，同时也保证了按需不间断的向太原供水,获得了显著的社会效益和经济效益。