长距离输水工程监控系统关键功能实现

孔斌,李志安

（南瑞集团公司,江苏省南京市 211000）

长距离输水工程监控系统关键功能实现

孔斌,李志安

（南瑞集团公司,江苏省南京市 211000）

介绍了大伙房输水工程的概况，给出了该工程系统结构及系统功能，详细地阐述了监控系统向业务网写数据功能、双通道功能、调流阀开度设值控制功能、累计流量计算功能、语音报警功能。这些功能的实现，为该工程运行管理提供安全可靠的技术保障。

输水工程；监控系统；NC2000

0 引言

大伙房水库输水工程是辽宁省“十五”期间重点工程项目，该输水一期工程是将浑江上桓仁水库的发电尾水，利用西江、凤鸣两座水电站作为调节池，由输水隧洞自流引水至苏子河汇入大伙房水库。输水二期工程是由大伙房水库引水，通过隧洞和管道，采取封闭供水方式，为抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦等6个城市提供生活及工业用水。二期工程输水管线总长259.13 km，沿途设取水头部、抚顺、沈阳一、沈阳二、辽阳、鞍山、营盘共7座配水站。

输水二期工程具有线路长、覆盖范围大、地域分布广、系统庞大、工程水力过程复杂、对自动化控制要求高等特点，为保证全线输水的安全可靠与高效运行，充分发挥其巨大经济效益和社会效益，设计了计算机数据采集与监控(SCADA)系统。在沿线7座配水站设置控制分中心，在沈阳设调度中心和备调中心，采用先进的自动化控制技术、计算机网络技术、通信技术，实现全线输水的自动控制及统一优化调度[1]。

1 系统结构

大伙房水库输水二期工程监控系统按照“无人值班，少人值守”的方式设计，采用符合国际标准的开放式分层、分布的系统结构。调度中心及各分中心采用冗余工业以太网星形连接，现地级采用总线连接方式。该工程采用成熟、可靠、标准化的硬件、软件、网络结构和汉化系统，确保响应速度快，可靠性和可利用率高，可维护性好，先进、经济、灵活和便于扩充。根据大伙房水库输水工程的运行管理特点，SCADA系统分为调度中心控制级、分中心控制级和现地控制单元三级，见图1。

调度中心控制级主要由数据库服务器、应用服务器、通信服务器、磁盘阵列、操作员工作站、维护工作站、报警工作站、网关机等计算机设备组成。实现数据采集与处理、控制命令下发、图形显示、历史数据管理、系统外部通信等功能。

各分中心控制级主要由操作员工作站、通信工作站、报警工作站、历史工作站等计算机设备组成。实现数据采集与处理、控制命令下发、图形显示、系统外部通信、历史数据管理等功能。

现地控制单元由CCU、LCU及RTU组成。主要完成数据采集与处理、设备控制与调节、与主控级及现场智能设备数据通信等功能。

图1 系统结构图

2 系统功能

大伙房输水二期工程监控系统主要具备以下功能：数据采集与处理、控制与调节、控制权限设定、历史数据查询、GPS时钟同步等。

(1) 数据采集与处理。

数据采集与处理包括：模拟量、开关量的采集与处理、脉冲量的累计与处理。通过PLC采集将压力、流量等主要的运行参数，经过必要的预处理后上送至分中心控制级操作员工作站，再由操作员工作站通过网络将数据广播至分中心控制级工作站，在通信机接收到数据后又通过电力系统IEC 60870-5-104通信协议将数据传送至调度中心控制级。在数据采集和传输过程中，对相关的数据进行了节点防抖处理、硬件及软件滤波、数据有效性及合理性判断等处理，保证数据的可靠性与真实性。

(2) 控制与调节。

控制与调节的主要对象和内容有:调流阀、电动蝶阀的全开、全关、停止及开度设值控制，断路器的合闸、分闸控制。在控制时，操作员利用鼠标、键盘，打开相应画面，点击需要控制设备的图形，系统将自动实施操作流程。

(3) 控制权限设定。

该工程控制权限分为现地级、厂站级、调度级。控制优先级为现地级＞厂站级＞调度级。通过LCU柜上把手进行设置，当处于现地控制权时，厂站级及调度级下发的控制令会被屏蔽。当处于远方控制权时，厂站控制级才能下发控制令，而调度级要实现控制命令下发，还需厂站级通过软开关将控制权限切换至调度级。

(4) 历史数据查询。

在监控系统的实际应用中，通过对一些重要数据的保存，有利于泵站运行管理人员对数据进行分析、统计，有助于提高工程的管理水平。上位机NC2000监控软件提供了报表查询、曲线查询、一览表查询等多种查询手段。

(5) GPS时钟同步。

GPS卫星时钟系统用于实现监控系统的调度级、厂站级计算机及现地控制级PLC进行时钟同步，确保全线时钟统一，便于全线输水系统的运行管理[2]。

3 关键功能实现

3.1 向业务网写数据功能

根据《电力二次系统安全防护规定》，整个计算机监控和网络系统划分为生产控制和管理信息两个大区，在这两个大区之间，必须设置经国家指定部门检测认证的电力专用横向单向安全隔离装置。监控系统安全等级最高，属生产控制区；业务网直接与办公网及Internet相连，属管理信息区。从系统网络安全性考虑，必须在这两系统之间加一横向单向隔离装置[3]，网络结构见图2。

业务网历史服务器安装AIX操作系统，历史库采用oracle10g。监控系统将数据写入业务网实质上是监控系统用面向非连接UDP协议，通过广播的方式将数据通过隔离装置传送至网关机，由网关机将监控数据按照一定的格式要求(具体格式见表1)写入业务网历史服务器中，业务网再从中将数据查询处理，以画面、表格等形式进行展示供生产管理人员进行分析、决策。

图2 向业务网写数据网络结构图

表1 监控系统向业务网写数据数据结构

Oracle10g历史库具有数据自动存储管理功能及磁盘备份与恢复功能、支持更多的安全协议、支持超大数据库、SQL分析能力强、对JDBC有更好的支持等优点。监控软件采用Java技术开发，通过JDBC的thin模式与Oralce10g相连，一旦连上，会自动建表，并将接收到的数据按照表的结构写入业务网历史库Oralce10g。具体连接方式如下：

jdbc.password=password

jdbc.url=jdbc:oracle:thin:@历史服务器IP地址:1521:数据库的SID

jdbc.username=username

建立连接之后，网关机会根据实际情况每隔一定的周期按照约定的数据结构往业务网历史服务器中写数据，供业务网查询[4]。

3.2 双通道功能

正常情况下，现地控制单元上传的数据首先送至各分中心，再由分中心通信机通过IEC 60870-5-104通信协议上送至调度中心；调度中心下达的控制指令先到达分中心控制级，再下达各现地控制单元。遇到特殊情况时，调度中心可启用备用通道，调度中心直接与各现地控制单元进行数据通信，完成数据采集及控制指令的下发。系统数据流程见图3。

图3 系统数据流程

具体实现是在调度中心侧设置控制通道切换点，该控制通道切换点用于检测分中心与调度中心的通信状态，一旦检测到分中心与调度中心IEC 60870-5-104通信故障，则将该值置“1”，通信程序自动切换至备用通道。待主通道设备恢复正常后，程序自动将控制通道切换点置“0”，恢复至主通道进行通信。

3.3 调流阀开度设值控制功能

该工程全线共计21台调流阀，分布在沿线200多公里的管线上，输水线路长，水力过程复杂，对流量调节的精度要求很高，这就要求监控系统对调流阀开度能进行精确控制。本文参考文献[5]中对调流阀开度的精度控制给出了三种控制方案，并分析了每种方案的优缺点，最后选择了三种控制方案里最优的控制方案二，但该方案受到调流阀控制箱PLC的制约，通信也有一定的延时，同时对调流阀开度控制也有一定的误差。为了解决此种方案存在的问题，现场对调流阀控制方案进行了改进，采用I/O信号线直接采集开度控制，具体控制方案结构见图4。

图4 基于I/O信号线采集开度的控制

在进行调流阀开度设值控制时，此种方案是AB PLC通过硬结线直接采集调流阀的实际开度，与设定的目标开度进行比较，若实际开度＞目标开度，则进行关阀操作，若实际开度＜目标开度，则进行开阀操作，当实际开度与目标开度误差在预先设定的范围内，则进行停阀操作。此种控制方案对调流阀的开度采集、开阀控制、关阀控制、停阀控制都是通过AB PLC与调流阀电动头相连的I/O信号线完成，摆脱了本文参考文献[5]中的调流阀控制箱PLC的制约，在时间响应、控制精度上都有很大的提高，而且依然保留了本文参考文献[5]中的基于脉冲开出对调流阀开度进行微调的功能，大大提高了调流阀控制的安全可靠性及控制精度。

3.4 累计流量计算功能

该工程累计流量是由流量计计算得到，而监控系统通过与流量计进行通信将数据进行采集。其拓扑图见图5。

图5 流量计通信拓扑图

图中SJ-30B是南瑞自主研发的具有16路标准异步RS232串行接口，每个通信口都能够担当联入上级系统或下级设备通信的功能，各个通信接口均能独立编程，通信组态方便，实际应用灵活。SJ-30B通过串口将累计流量数据进行采集，然后送入AB PLC。由于累计流量是以IEEE754标准短浮点型表示，SJ-30B及PLC无法直接上传。所以要在SJ-30B中进行拆分上传至PLC，再在PLC程序中对数据进行转换处理，然后上送至上位机系统进行画面显示及数据存储[6]。PLC处理的程序如下：

3.5 语音报警功能

压力、流量是输水管道的重要运行参数，为了实现全线管道的压力、流量实时监视，在全线管道上布置了很多压力传感器及流量计，但由于数量较多，而且输水管线运行工况复杂多变，压力、流量会随着运行工况的不同而稳定在不同的区间范围内，这就给值班人员的日常运行管理带来了很大的困难。为了减轻运行管理人员的工作量，增强对压力、流量运行参数的监视力度，开发了语音报警功能，实现在压力、流量运行参数越限时能通过语音的方式告知运行人员。

由于该工程工况较多，所以对压力、流量运行参数的高低限值不能固定，必须根据实际情况来确定高低限。为此在监控软件NC2000的画面上布置高低限按钮，运行人员可以根据实际运行情况人为输入高低限值。通过高低限值与实际值进行比较，一旦实际值越限，则会触发一开关量，然后通过语音的形式进行报警。上位机NC2000监控软件的脚本如下：

if ($实际压力$＞$压力高限设值$ || $实际压力$＜$压力低限设值$ )

{$压力越限报警$=1; }

else

{$压力越限报警$=0; }

4 结束语

为了很好实现长距离输水工程的运行监视及控制，计算机监控系统应用了网络、通信等技术，实现了很多功能的应用。这些功能应用，保障了输水系统的运行稳定、可靠。目前该工程已安全稳定运行3年，相信这些功能的成功应用会给类似的工程提供有益的借鉴。

[1] 戴娜,罗招贵,周林虎,吴迪.大伙房长距离输水工程SCADA系统设计[ J].水电自动化与大坝监测,2010，34(2):80-84.

[2] 任建,李志安,孔斌.舟山大陆引水二期工程监控系统设计[ J].水电自动化与大坝监测, 2011，35(5):13-16.

[3] 徐青,马玉祥,金明宇.泵站计算机监控系统实施中的网络安全问题[ J].水电自动化与大坝监测, 2009，33(2):72-73，77.

[4] 宋放.大伙房水库输水工程监控数据的存储与发布设计[ J].水与水技术, 第3辑, 160-162.

[5] 周林虎,谭艳芳.长距离输水工程中调流阀精度控制[J].水利水电技术，2012，43(4):69-72.

[6] 宋放.大伙房水库输水工程累计流量数据的处理与通讯方案[ J].人民珠江，2013，(3):91-92.

孔 斌（1986—），男，通信作者，助理工程师，主要从事水利水务自动化工程方面的工作。Email：kongbin@sgepri.sgcc.com.cn

李 志安（1982—），男，工程师，主要从事水利水务自动化工程方面的工作。Email：lizhian@sgepri.sgcc.com.cn

Key Functions Realization of Monitoring and Control System for the Long Distance Water Diversion Project

KONG Bin,LI Zhian
(NARI GROUP CORPORATION, Nanjing 210003,China)

This paper introduced the general situation of the Dahuofang Water Diversion Project. T System structure and function are given. This paper emphasized on elaboration the functions of writing data to service network; double-channel control; the opening of regulating valve control; calculation of cumulative flow; audio alarm. The realization of these functions can provide safe, reliable technique for the operation management of the Dahuofang water diversion project.

water diversion；monitoring and control system；NC2000