SCADA系统在水闸联合调度及运行管理中的应用前景

李县林

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东 中山 528403）

1 前言

目前水利部正在大力推进智慧水利总体方案及加快推进省级水网建设,推动物联网、移动互联网、大数据、云计算、遥感与遥测无人机、BIM技术以及人工智能等新兴技术与大湾区水利业务进行深度融合,为大湾区建设及流域的水安全建设提供信息化支撑。在这种大背景下,本文介绍了在其他行业和工程中已有良好应用实例的SCADA系统,论证其在水网地区的水闸联合调度及运行管理中的应用前景。吴海平[1]介绍了分布式数据库的特点,分析了SCADA系统的建设需求和关键技术,并分享了MOSAIC软件做为分布式实时数据库在广域网SCADA系统中的适用性,及其软件的特性和在工业相关领域的应用。田径等[2]则针对集约化供水工程中各泵站信息整合及远程监控的需求,提出并研究了将VPN技术及MOSAIC SCADA软件无缝结合构建横沙岛集约化供水远程监控系统,实现了集约化供水远程监测及自动控制功能,满足系统可靠性、实时性、安全性的要求。张如刚[3]介绍了MOX SCADA监控系统在杭州天然气利用工程中的应用设计,系统应用成功后燃气公司可以根据系统实时数据和报表来准确的预测工业用户的流量,方便生产决策及与上游送气公司的调度和协调。而徐永兵等[4]将MOSAIC SCADA成功引入水利行业,从南水北调东线山东段闸（泵）站监控系统的需求出发,选择了性能优良的MOSAIC SCADA作为监控平台软件,建设了功能完善的监控系统,完全满足了南水北调闸（泵）站的监控业务,同时也为以后类似项目的建设提供成功的范例。有了以上成功案例之后,本文将从水闸的横向调度、纵向调度以及运行管理等三个方面来阐述其在水闸工程中的应用前景,为水利工程的现代化和智慧化提供新思路。

2 系统介绍

SCADA系统,全称Supervisory Control And Data Acquisition 系统,即数据采集与监视控制系统。它是一种以计算机为基础,能对现场运行的设备进行监视和控制,从而达到数据采集与保存、设备控制、测量、参数调节以及各类信号预警目的的自动化监控系统。该系统目前已经广泛应用于化工、燃气、冶金、石油、铁路以及电力等重要领域,尤其以电力系统中的应用最广泛,发展技术最成熟。

不同领域对于SCADA系统的应用要求不尽相同,但SCADA系统的工作架构大体相同,大多由监控计算机、远程终端单元（RTU）、可编程逻辑控制器（PLC）、通信基础设施、人机界面（HMI）组成。同时,一套架构能够实现多重功能,满足多种需求。

图1 SCADA系统架构与功能示意图

3 在水闸横向调度中的应用

水闸的横向调度,即指同一区域或同一河网体系中不同水闸的联合调度。目前部分地区的水闸已实现实时水情监测和实时视频监控,如图2 和图3 一样从显示面板上能够反映同一时刻不同水闸处实时的内外河水位情况和监控画面。

图2 不同水闸处的实时水情监测图

图3 水闸实时监控画面

然而,目前的设施仅仅达到了监测和数据采集的作用,距离设备的实时响应还有一定距离。以水闸的运行调度为例,同一片区的水闸仍然是一个个独立的个体,遵循着各自独立的运行调度原则,并没有体现出它们作为同一防洪体系或是排涝体系中不可分割部分的协同性和联动性。如图4所示,水闸的运行调度目前也停留在水闸各自的运行调度原则之上,尚未形成真正的体系内各水闸合理、高效的联合调度。

图4 某水闸启闭控制流程图

而引入SCADA系统参与水闸的横向联合调度之后,可以发挥的优越性有：

1）“分布式、多线程”监控平台。一套SCADA系统可以根据数量需求分布式地接入多个水闸的端口,每个水闸端口的数据通讯及数据处理均不会对其他水闸端口产生干扰。同一个水闸的不同监控任务之间也可以多线程同时运行,通过系统资源的动态调度来自动配置优先级,避免产生冲突。采用SCADA系统,可以一套系统多个配套,合理有效地利用资源,避免资源的重复建设与过度浪费。

2）“分级式”报警及预警系统。所谓“分级式”,一是通过定义的报（预）警类型,根据报警描述、闪烁颜色、声音来判断报（预）警级别；二是通过区域内上游水闸的报警及预警,为下游水闸的水情预判争取时间,提前响应,形成区域内水情警报的分级式、递减式的局面。

3）“联动式”控制和响应平台。SCADA系统通过将各水闸的实时水位数据收集统计,通过提前预判与预警将实时水位数据与各水闸的目标水位进行对比计算。计算结果将用于水闸联动控制的逻辑判断,通过指针来动态比较判断计算值,从而判断如何响应及在哪里响应。通过建立数组将区域内上下游的水闸数据串联起来,实现水闸的横向调度。

4 在水闸纵向调度中的应用

1）在高感潮河段的水利工程中,通常会采用修建一闸和二闸联合挡水的方式来解决水闸内外水头差较大的问题。但外江水位是时刻变化的,提前获知外江水位的变化趋势并提前采取相应措施,对于充分保证水利工程的安全是十分有利的。在水闸的纵向调度中引入SCADA系统,可以根据水闸运行工况在系统内预设水位及水头差阈值,基于水位实时监测数据的传输及与目标阈值的对比,自动控制一闸、二闸的闸门启闭,从而动态调节外江、一闸与二闸之间、内河的水头差,确保水闸闸室及上下游翼墙的稳定及安全。

2）在珠三角地区,部分水闸通常会兼顾通航功能,依靠在内外闸首与船室之间设置输水孔来控制通航水位。部分水闸其平面布置见图5。

图5 某通航水闸平面布置图

当闸门挡水水头差较大或船室段较长时,外江与船室、船室与内河之间的平压需耗费大量时间,待内外水位平衡后船只才能安全通过,通航效率较低。而在引入SCADA系统后,可以通过采集每天船只的通航时间数据,与系统内采集的每天各时段水位数据进行对比分析,在系统内预设输水孔闸门的响应水位及响应时刻,提前进行内外闸首与船室之间的平压工作,缩短船只等待时间,提高通航效率,为经济发展保驾护航。

5 在水闸管理中的应用

目前的水闸管理工作中,水闸运行管理的特征数据大多依靠人工记录。当水闸运行工作时间过长时,可能出现数据缺失和资料丢失的情况。而引入SCADA系统参与水闸的日常管理之后,具有以下优势：

1）先进的数据资源库。在对水闸管理、监测数据进行梳理整合后,可以建立先进的数据资源库,形成统一的数据资源目录和明确的数据更新维护责任清单。同时,为进一步形成更高平台的闸与闸、区域与区域、各省级水网、各流域之间的水利数据联动共享机制打下夯实基础,而不会因为档案搬迁、人员更迭造成基础数据的丢失。

2）数据压缩与归档。水利工程的监测数据,具有结构简单但数量巨大的特征。以水情监测为例,监测数据结构为测点-时间-水位,结构十分简单。但随着数据采集时段的加长,监测数据可以达到惊人的数量。为避免产生大量无效数据的存储,可以在系统内预设阈值,除超过阈值的特殊数据剔出单独保存外,其余数据可以进行压缩存储。同时,数据的归档可以采用复式滚动的方法。

3）实时数据查阅。根据系统配置及权限设置,支持画面漫游,画面分层管理,允许权限范围内的工作人员随时随地在移动端调阅各水闸的实时监测画面及各项记录数据,不用再专门去档案室借阅存档资料,极大地增加了专业交流或者技术汇报的便利,省时省力省心。

4）实现水情追忆。基于时间轴线或者特征值捕捉进行记忆工作,全面分析历史发展趋势,有效追忆历史预警记录和历史时间记录。该功能可以有效地记录各水闸的运行大事记,极大地方便了水闸的运行管理,同时也可以在进行水闸安全鉴定以及水闸拆除重建的水文论证等工作中发挥重要作用。

6 结论

按照国家水利大数据中心总体框架的蓝图,未来一段时间内我国水利事业将逐步形成由点及面、聚面成网的大数据模型。本文仅以SCADA系统在水闸调度与管理方面等方面能够发挥的部分优势,阐述其在水闸联合调度及运行管理中的广阔应用前景。希望通过将SCADA系统不断地引入智慧水利工程建设,逐步拓展融合,最终打造成预测预报、合理调度、辅助决策、动态优化的水利工程网络。