延安黄河引水工程自动控制体系设计

白秦涛

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 工程概述

延安黄河引水工程位于延安市东北部，是以黄河和清涧河为取水水源，多级加压的长距离引水工程。2 个水源年取水规模8977 万m3，供水对象为延安市城区、延长县城等“一区四县一镇六工业园”。工程为Ⅲ等中型供水工程，由2 个取水枢纽、9 座泵站、4 条输水管线（含9条隧洞）、2 座水库、1 个泥沙处理站、2 个水厂等组成。工程引水线路穿越延安市宝塔区、延川县、延长县、子长县境内，总长度145.78km。

由于延安黄河引水工程点多、线长、面广，工程复杂，巡视检查、检修的难度较大，加之水工建筑物多，引水工程运行复杂，因此工程需要配套建设功能完备的管理调度系统，通过高标准的信息化数据采集手段及控制设施，对整个工程进行远距离监控，实现全线集中自动化调度、优化调度，及时掌握工程运行中的各项相关数据并及时分析、处理，实现引水工程的数字化、现代化管理，提高水资源利用效率，确保引水工程安全高效运行。

2 自动控制体系总体结构

延安黄河引水工程自动控制体系是工程管理调度系统的重要组成部分。在管理调度中心统一调度的原则下，根据工程泵站、水厂和水库等的地理位置分布，同时结合工程管理特点，各站控层管理站监控数据分别上传汇聚在延水关管理分中心、高家湾管理分中心、永坪管理分中心和延安管理调度中心，并最终纳入工程自动控制体系。

管理调度中心层可实现工程的远程监测、控制、管理，管理分中心层可实现管理区域数据的接收、处理、存储、整合、转发及工程运行监控。管理中心与分中心、现地站采用本工程的冗余光纤控制专网连接，实现数据的采集和控制指令的下传。各泵站、水厂等现地站主要负责接收管理调度中心下达的控制指令，并进一步确认是否执行或者修正执行，同时采集所有下属PLC、仪器仪表等的实时监测、监视数据。

3 功能要求

（1）整体控制

管理调度中心通过对现地站控层下达控制指令，对工程全线所有引水调度控制设备进行远程多级联动启闭控制，包括泵组转速（流量）控制、闸阀门控制等。

（2）数据采集

能够实时采集各个现地站的所有数据信息，并且在画面中实时展示。

（3）数据存储

需要存储各级泵站、重要控制建筑物的监测参数，主要包括电气量参数、状态量参数、运行参数、统计参数等，包括完整的实时数据和历史数据。

（4）画面展示和监控

以类似3D 的立体效果及半剖面展示画面，显示状态数据和控制数据等。通过监控系统人机界面，可以直接实现远程对设备的操控功能。

（5）报警事件

可实现声光报警、短信报警、邮件报警等功能，记录报警事件的数据信息，同时把所有与该报警事件所有相关的数据、条件记录到数据库。

（6）报表

自动生成各类日、月、年报表，操作人员可以在远程浏览查看全部的报表数据。主要包括：生产日报、水量监测报表、设备运转报表、设备运行操作记录报表、水质分析报表等。

（7）趋势曲线

提供多种曲线功能，用户可以方便的选择实时曲线、历史曲线，可以查看水位、水量、电压、电流的变化趋势。

（8）身份验证

可进行系统服务配置、工控画面操作的授权监管，实现工程控制操作安全管理与事故追责，提供权限属性用来限制用户的操作范围。

（9）系统管理

具有参数配置、界面风格配置、报警界限配置、数据库配置、采集配置等管理功能，具有相应管理权限的用户登录后，可以进行相应的系统管理设置功能。

（10）应用接口

支持通用的数据库接口，便于日后其他系统调用实时数据，监控组态软件可将实时数据和历史数据存贮于数据库。

4 调度设计

根据日常调度、供水追踪、报警和预警、应急调度、优化调度的要求，调度工作包括：

（1）用水量预测

以用水单位、泵站、管网的大量实时、历史数据为基本依据，结合季节、气候、节假日，以及当天的实际输水量等约束条件，计算出下一个班次或次日24 小时或者更长时间内供水区域内可能的用水量。该用水量将作为供水计划制定的主要数据基础。

（2）日常调度

日常调度主要负责在指定的时刻，根据预测的用水量以及调度人员设置的约束条件制定出下一个班次的水量计划以及水泵机组开停及调频计划，并提交审批及提醒。当调度计划进入到执行阶段，日常调度将对计划的执行情况进行实时监测，以便对调度计划进行调整。同时，对下达的计划、调度方案和控制指令进行存储备案。

（3）供水追踪

当各类供水计划下发执行后，对计划的执行情况进行一系列的追踪，主要包括：基础数据追踪、供水状况追踪、调度方案追踪。这些数据有的可以直接进行采集，有一部分需要进行统计计算生成。

（4）生产运行报警及预警

当追踪的数据出现异常时，调度系统将立刻出发报警或预警。包括供水事件预警的级别、类别、起始时间、可能影响范围、危害程度、紧急程度和发展态势、警示事项以及应采取的相关措施等。

（5）调度指令执行

当供水计划制定后，调度系统将水泵机组开停及调频计划或闸阀门开启计划等分解为具体的调度控制指令，并直接下发给泵站等现地站的计算机监控系统执行。

对于现场的实际情况，总中心调度人员并不比现场工作人员更清楚（如总中心调度人员无法闻到设备的异味，而现场工作人员在巡检的时候能及时发现），出于安全的考虑，总中心的调度系统也可以选择将调度指令或要求下发给泵站等现地站的调度客户端上，现地工作人员看到调度指令或要求后，如果该指令可行，那么确认并在计算机监控系统上操作并执行控制，如果该指令不可行，那么工作人员反馈不执行的理由。这样可以保证调度的安全性、丰富调度经验库，提高调度管理水平。

（6）调度评价

调度评价的角度包括：输水效率的评价、调度效果的评价、运行费用的评价等。

（7）优化调度

1）科学选择各供水泵站的水泵型号和开启台数的最优组合方案；

2）合理确定变频泵的最佳运行频率；

3）合理制订水池、水库的贮水策略；

4）合理利用不同时段不同电费的价格政策；

5）科学制订各种调控设备(流量控制阀、压力控制阀，止回阀、开关闸门等)的控制策略。

5 权限管理

工程由管理调度中心统一调度，远程控制和现地站控两级控制。管理调度中心的权限管理平台负责统一管理用户与权限，为每个用户配置相应的角色、权限和区域。用户权限分为数据浏览、中心级别设置、现场设备控制、用户管理等不同类型。添加、删除、修改的所有操作均被记录成日志信息。

在中心权限管理界面中，设置“现场/远程”方式切换选项，当设置为“现场”时，操作人员可在现场厂站控制室的监控站上对设备进行控制；当设置为“远程”时，泵组或闸门设备由监控中心进行统一调度管理及控制，场站计算机监控系统仅是执行中心的调度指令，没有独立的控制权限。出于对控制安全性的考虑，当网络中断，现场控制站无法与管理调度中心建立连接时，权限控制模块会立即恢复现场监控站的控制权限，避免出现现场监控站无人可控的情况。

为了保证控制的安全，分清各控制层的责任，同一时间只允许唯一的对象进行控制。所有的控制及控制权限切换均记录到日志中，以便日后的分析追踪。

6 总结

自动控制体系是工程管理调度系统的重点及难点，鉴于本工程的特殊性和复杂性，需要认真研究梯级泵站联合调度与优化调度的相关问题，确保工程优化运行的可实施性。