浙江省泵站运行监控系统架构研究

王立强，项 春

（浙江水利水电学院机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018）

1 问题的提出

目前全省排灌装能力约150万kW，各类大、中、小型固定排灌泵站约5.5万座，担负着省内超过1 000 000 hm2农田的灌溉和近66 667 hm2的纯排涝面积及城镇地区的防洪、供水及配水任务，在保护粮食基地的安全和城市、工矿及国民经济设施免遭洪涝威胁方面做出了巨大贡献，取得了巨大的经济及社会效益。

全省泵站工程点多、面广、量大，泵站工程安全运行管理任务艰巨且繁重，泵站的管理还存在管理基础薄弱及管理方式粗放的问题；各地区间泵站工程管护水平差异大；很多中小型泵站还需有人值守并人工检查巡视，工作量大、效率低、反应慢、成本高。因此实现泵站信息化智能管理，不仅可为泵站的安全运行提供有力保障，还可为泵站节能增效、集中管理奠定基础[1]。

《关于全面推行水利工程标准化管理的意见》（浙政办发[2016]4号）及《关于印发全面推行水利工程标准化管理实施方案（2016 — 2020年）的通知》（浙水科[2016]1号）要求全面推行浙江省泵站运行管理标准化。信息化管理是泵站标准化管理的基础，建立信息化管理平台，实现泵站运行管理信息透明化，有利于资源整合及优化，提高泵站运行管理效率，降低能源消耗，实现泵站安全、高效、可靠运行。

泵站运行管理中，运行监控系统起着重要的作用。泵站运行监控系统，主要有以下4方面作用：①实现泵站高效自动控制及保护；②实现泵站运行信息自动采集、分析、备份及上报；③基于运行信息的分析及智能诊断，可为泵站设备维护保养提供重要参考信息；④可为上层智能运行调度系统提供重要参考信息。因此构建可靠、高效、智能的泵站运行监控系统是实现浙江省泵站信息化管理的基础，有助于推进浙江省泵站的标准化管理。

本文通过分析泵站监控系统国内外现状及发展趋势，提出一种三级泵站运行管理监控系统的新架构，通过对架构中各层级及模块的解析，进一步提出该监控系统平台构建过程中需要注意及考虑的问题，可为浙江省泵站运行管理监控系统建设提供重要参考。

2 泵站监控系统现状[2]

泵站工程是防洪排涝及配水的基础性工程，通过将监控技术与自动控制技术有机结合形成泵站智能监控系统，实现泵站实时智能监测及控制，可实现无人值守或少人值守，确保泵站安全、可靠及高效运行。

我国泵站监控系统起步较晚，其发展基本可分为3个阶段：常规控制并由计算机辅助（简称CASC）、计算机监控与常规控制共同应用（简称CCSC）以及通过计算机系统实现的自动化监控系统（简称CBSC）等阶段。其中，CCSC一般于旧泵站的升级改造，复杂的改造环节不仅增加人力物力成本，也增加系统发生故障的概率，不适宜推广。CBSC自动化监控系统将计算机技术、网络技术、云计算技术有机融合，可实现对泵站安全运行的实时监控，是泵站安全运行技术的大飞跃，目前应用较为广泛。

CBSC自动化监控系统可分为集中式与分布式2种。集中式利用1台或2台计算机实现对泵站中各种设备的实时监控；分布式则采用开放、分层的架构，由主控及现地控制系统（LCU）组成，系统分工明确，主控系统进行泵站全局控制，负责统计分析，而LCU负责收集数据信息，监控设备运行并完成控制操作。在实际应用中大都采用分布式的自动化监控系统实现泵站的监控。泵站自动化监控系统具有设备运行状态检测、运行管理、流量控制系统、调度监控等功能。

泵站监控自动化监控系统普及一个重要的影响因素是监控系统的安全及可靠性。监控系统安全包括软件安全（互联网攻击、软件病毒等）及监控系统硬件（LCU、服务器、PLC、传感器、传感器、控制器、网络设备、电源系统等）的可靠性都会对泵站的安全可靠性造成影响。目前，不少地区泵站监控系统逐步联网，有些泵站还与公网直连，形成复杂的网络系统。然而，一些泵站工程的监控在构建时对安全性考虑不足，导致监控系统运行不稳定，给泵站的安全运行带来较大威胁。因此提高泵站监控系统的可靠性，是泵站自动化监控系统发展很重要的一个环节[3-4]。

3 泵站监控系统发展趋势

泵站自动化监控系统具有一体化、故障诊断功能越来越完善、数据传输实时化、安全加强化的发展趋势。

3.1 一体化发展

各种集成系统，智能控制器及集成式新型控制技术不断结合，泵站自动化监控系统朝着集成化和一体化的方向发展，还可实现多泵站集群自动化监控，实现协调控制和统一调度。

3.2 故障诊断功能越来越完善

泵站运行发生故障时要求能够及时发现并进行停机保护，这就要求系统能实时监测系统运行状态及运行参数，并具有智能的故障诊断功能，在停机保护的同时，还能给出可能故障的原因，甚至还可自动切换至其他机组或备用机组运行确保防洪排涝工作的顺利进行。将智能算法（BP神经网络、模糊运算等）、数据挖掘技术及云计算等新技术融入至泵站自动化监控系统，可提升系统的故障诊断功能，甚至还能实现故障预测功能，可进一步提升泵站运行的可靠性。

3.3 数据传输实时化

泵站运行控制策略依赖于泵站运行的各种动态、实时数据信息的获取，这就要求系统运行信息的传输具有实时性。将实时卫星云图数据、实时巡视情况、设备实时状态信息引入泵站自动化监控系统，同时通过云平台实现各个泵站监控系统之间进行实时数据共享及交互，不仅可实现泵站的高效、实时监控及数据信息的实时化管理，还可实现泵站设备健康状况实时管理。

3.4 安全加强化

泵站运行监控系统的安全涉及到泵站运行的可靠性，因此在泵站设计及改造时，必须从软件及硬件2个层面，进行必要的安全冗余设计及考虑，以确保泵站运行监控系统能确实提高泵站运行管理效率，减少经济损失及安全事故的危害。

4 泵站监控系统平台架构[5 - 9]

依据2016年发布的《浙江省泵站运行管理规程（试行）》及《浙江省水利工程标准化管理验收办法（试行）》，结合制造业信息化管理经验，建立泵站运行监控系统平台架构（见图1）。泵站运行监控系统可分为信息管理层、区域总/分运行控制层以及泵站实时监控层3个层级。

图1 泵站运行监控系统平台架构图

4.1 信息管理层

信息管理层又称管理信息网，可实现全省范围的泵站运行管理信息数据共享，联网的计算机或手机客户端可根据其权限可查询泵站档案信息、实时或历史数据、运行调度记录、安全及应急管理事件、运行日志等信息，提高泵站运行管理的效率。信息管理层通过以太网（WLAN）与运行控制层进行数据交互，同时用户可通过PC或手机客户端以太网（有线或无线）方式接入管理信息网。

4.2 区域总/分运行控制层

区域总/分运行控制层又称调度中心，该系统利用网络将区域内的各个泵站实时监控系统连接起来，调度中心可以对各个泵站进行调度控制，通过各个泵站通过网络将其运行数据及视频反馈至调度中心。调度中心设网络数据服务器及交换机、大屏幕、监控主机及备份机以及管理维护终端等。调度中心主要实现如下功能：

4.2.1 泵站档案及健康监测

从泵站实时监控层获取区域内各个泵站的档案及泵站的健康状态信息，以便调度中心实时掌握区域内泵站的实际可调用机泵资源。

4.2.2 调度控制

对区域内泵站实时监控系统进行调度控制，具有泵站群控功能，可实现泵站群的系统优化调度控制。

调度中心根据系统运行实际要求（如目标流量）及现场机组运行工况发送调度控制指令给目标泵站的实时监控系统，目标泵站的实时监控系统收到调度控制指令后，按照运行要求执行自动起停机组。调度运行过程中，调度中心可对泵站机组的运行、厂外环境、人员工作等情况进行实时监视。

4.2.3 运行记录管理

记录每次调度运行情况，并将泵站反馈回来的运行台时数、排水量、耗电量等数据，一同记录，作为调度运行情况的统计数据，以便后期通过统计分析，提高调度运行系统效率。

4.2.4 安全及应急管理

调度中心安全及应急事件管理系统接受泵站实时监控层反馈的相关记录及报告数据，并进行智能分析、总结及备案。通过预设不同阈值或故障及事故情况，可将系统报警分为4 个级别。通过运行历史数据查询，结合经验数据库或智能算法，即可给出报警的可能原因及其他重要信息（如发生时间、位置及故障发生前后的相关状态参数等），为快速分析及处理安全事故提供有效支持。

4.2.5 报表及台账管理

具有自动报表及台账功能，可实现用运行用电量、过水量、机组运行台时数等运行信息统计。报表有多种预定义模板可供选择，同时还可由用户自定义模板。

4.2.6 日志记录及管理

对调度系统中所有操作记录及重要状态参数进行自动记录，形成历史数据，以便有迹可循，做到所有操作及重要状态参数可追溯。

4.3 泵站实时监控层

泵站实时监控层又称泵站监控系统，区域内每个泵站需建立独立运行的包括泵站实时监控系统和机组现地控制系统（LCU）的泵站监控系统。现地控制系统负责主机组的控制与调节，以及设备的数据采集与处理，并将运行状态数据通过工业现场总线反馈至泵站实时监控系统。

泵站监控系统，以分布式总线的智能测控网络为主站，在其所有设备中集成各种传感器，利用传感探测技术，自动监测和控制水泵、电机、闸门、供电设备的运行、操作、管理等生产过程状态及运行参数。泵站监控系统主要实现如下功能：

4.3.1 泵站档案及健康监测

通过引入泵站档案及健康监测子系统，可对泵站的工程及设备设施等级及安全鉴定结果进行实时跟踪，并对设备、设施建立健康档案，对维护养护周期、维修养护记录等进行记录，并能及时提醒管理人员哪些设备设施何时需要保养及维修养护。

4.3.2 机泵操作控制

由计算机实现多台机组的起停控制及工作故障保护，并实时监测各机组的运行状态及运行参数（如机组运行温度、轴承温度、电压、电流、前池水位等），同时将实时监测数据反馈至调度中心，形成调度运行的闭环控制。

机泵操作的故障保护，可通过设定各种运行参数的允许上限及下限，故障发生时停机保护机组，同时根据故障前、后相关运行状态的监测数据，对故障原因进行智能诊断，并给出报警内容及处理建议。

4.3.3 机泵运行监测

通过直流模拟量传感器，实现电机、水泵、温度、前池水位、直流电压等的监测；通过开关量传感器，实现高压开关柜隔离刀闸位置、断路器分合判断及控制以及指示信号、保护信号的监测；通过互感器及交流量传感器，实现电压、电流、功率、功率因数、电量、频率等的监测。

电压、电流显示实时数据，可采用数字仪表或模拟仪表的方式显示；电度、温度、水位、流量等可采用模拟图表（直方图、柱状图、曲线图）显示实时或历史数据。

泵站监控状态、机组运行状态、开关位置、阀门位置等各种运行状态，可采用模拟指示灯、模拟开关或动态图像的方式进行显示。

4.3.4 安全及应急事件管理

可对防汛物资管理、安全事故记录报告管理及应急管理相关事件进行记录，并上传至调度中心备案。

4.3.5 报表及台账管理

系统自动记录泵站操作记录、统计各种数字，自动输出用户需要的报表，以用于运行调度层进行统计分析。

4.3.6 日志记录及管理

日志记录及管理对泵站运行中的所有操作记录及相关参数进行记录，以便有记录可查，做到任何操作可追溯。

5 泵站监控系统平台建设关键问题

泵站监控系统平台建设的关键问题包括泵站健康监测系统设计、机泵操作控制系统可靠性设计以及监控系统数据交互安全策略。

5.1 泵站健康监测系统设计要求

泵站健康监测系统，应对包括泵站工程、设备及设施建立完整的健康档案，如设备生产厂商、生产时间、投入运行时间等，并对保养、维修周期等进行明确，每次保养、维修记录均录入系统。泵站操作控制系统会在泵站运行过程中，对主机组等运行状况进行检测，并可进行实时故障智能诊断，当发生硬件损坏等故障时，除故障诊断结果提示外，应在泵站健康监测系统中，对健康出问题的设备进行提示。对工程检查过程中发现的设备故障问题，也应及时录入该系统，以便及时跟踪泵站设备健康状态，提高泵站系统安全及可靠性。

5.2 机泵操作控制系统的可靠性设计要求

机泵操作控制系统，中心控制室应设2套主机兼操作员工作站、1套通信及工程师工作站、2台网络打印机、2套不间断电源UPS电源、1套GPS同步时钟系统、1套网络设备和控制台、坐椅等。两套监控操作员站互为热备份，当主站发生故障或异常退出时，备用站可自动或手动切换为主站[7]。

同时，机泵运行过程中，应结合智能故障诊断系统的诊断结果，迅速执行故障保护动作，确保泵站故障时，不发生安全事故。

5.3 监控系统数据交互安全策略

鉴于3个层级之间通过WLAN进行数据交互，且信息管理层与用户之间有WLAN或WIFI数据交互，因此监控系统数据交互应确保监控系统数据交互安全。

可通过身份控制、数据加密、设置数据库热备份等确保监控系统数据安全及监控系统安全运行。

6 结 语

本文设计了泵站监控系统平台的架构，提出平台建设的关键问题，并对关键问题解决提出明确的要求。进一步深入研究，可将该监控系统架构应用于区域泵站智能群控系统，实现智慧泵站，极大提高泵站群运行效率，节约人工，提高系统可靠性，为浙江省泵站运行管理标准化提供重要参考。

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[6] 拓万虎.泵站监控与信息化管理系统在兴电灌区成功应用[C]//2007全国水利信息化论坛论文集.北京：水利水电出版社，2007：365 - 369.

[7] 郑艳丽，李战涛，李全生.尔王庄明渠泵站信息化改造[J].科技咨询导报，2009(29)：74.

[8] 杨永聪.试论大型泵站信息化改造[J].科协论坛（下半月），2011(9)：69 - 70.

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