南水北调东线山东段泵站自动化系统改造实践

李庆涛，邵在栋，刘鸿五

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

近年来，随着社会经济的快速发展，我国在水利建设方面的投资不断增加，使得相关的管理要求也同步提升[1]。同时伴随科学与计算机技术的不断发展与应用，自动化调度在调水工程中逐步实现，通过将计算机、网络、通信、电子、自动控制、多媒体等先进技术进行不同的组合[2]，形成适合于各调水工程的自动化调度系统，有效地提高了调水效率和管理水平。随着计算机数字控制技术、网络通讯技术的发展，工业自动化控制系统己进入一个全新的工业控制网络化时代[3]。目前国内长距离调水工程，如南水北调工程、粤港供水工程等均采用了自动化调度技术。在调水工程中，闸泵站控制是其中一个非常重要的环节[4]，相应的自动化控制系统应用越来越广泛。

1 工程调度控制情况

南水北调东线一期山东段工程的调度控制工程由东平湖以北的渠道控制工程和东平湖以南的梯级泵站工程组成。其中东平湖以北的渠道控制工程由鲁北段渠道控制工程和胶东段渠道控制工程组成。胶东及鲁北段输水工程以渠道及暗涵输水，以节制闸、倒虹控制闸进行渠段调度控制，通过控制分水闸来满足用户用水需求，3 个平原水库作为用水户进行调度控制。东平湖以南采用7 级泵站提水，以运河、湖泊输水。

全线以东平湖为控制节点，把南水北调东线工程山东段分为3 个大的调度控制单元，鲁南调度控制单元（鲁南段）、鲁北调度控制单元（鲁北段）、胶东调度控制单元。调度时鲁北段、胶东段汇集末端用户用水需求，形成东平湖引水过程，为了保证东平湖输水水位稳定，鲁南段需要补充东平湖。

南水北调东线一期工程山东段干线水量调度采用“两级调度、三级管理”模式，全线直到每个引水口的水量分配方案由调度中心统一制定，下发至各分调中心，分调中心根据水量分配方案制定每个调度控制建筑物为控制单元的调度指令并下发各管理处执行。出现应急情况，调度中心可根据相应的处理预案，授权调度分中心制定所辖范围的水量调度方案，下发现地站执行并反馈控制，以实现对所辖范围控制建筑物的调度。

2 泵站自动化系统建设概况

2007—2013 年间，南水北调东线山东段各泵站、水库自动化系统分别进行设计、实施。各系统能够实现水位、流量、机组运行状态等重要运行信息采集及现地泵站机组控制。由于设计单位不同，时间跨度大，设计标准不统一，实施时间不一致，建设完成后各站点自动化系统都存在一定差异，设备配置、功能实现等方面多种多样。随着自动化系统相关产品及技术更新换代，早期建设的站点部分设备性能落后且停产，若使用替换产品，需重新梳理系统架构，如视频监控系统由模拟型改为数字型、现地PLC 柜内CPU、I/O 模块停产等。同时，各泵站自动化系统建设时间不一致，使用的平台软件不一，人机界面不同，开机流程各不相同，不便于统一标准化运行维护管理，且与调度运行管理系统难以实现对接，不能够实现区域远程集中控制。

由于各泵站自动化系统建成运行时间普遍超过6 年以上，各泵站自动化系统的LCU 信息采集、网络结构、视频监控、上位机组态软件及中控室环境等方面软硬件性能下降，设备设施老化，时常发生问题，存在信息采集不稳定、不准确情况，各泵站机组尚不能实现远程集中控制，不能满足今后调度、生产和运行、维护管理需求。针对上述问题，有必要对各泵站自动化系统在计算机监控系统、计算机网络、视频监控系统及中控室环境方面进行升级改造。同时结合当前大数据、云计算及物联网技术的发展，开发泵站智能运行信息化系统，实现部分智能应用。

3 泵站自动化系统升级改造

3.1 升级改造方案

泵站自动化系统主要由计算机监控系统、计算机网络、视频监控系统等组成，系统示意图如图1 所示。

图1 泵站自动化系统示意图

计算机监控系统负责对泵站主机组、辅机、变配电、闸门等设备进行监控和保护，并对泵站运行进行管理，系统采用分级分布式体系结构，自下而上分成现地级、泵站级、省（分）调度中心级；信息管理系统是泵站运行管理单位的网络平台和管理平台，实现泵站运行、管理信息采集、处理、存储和发布等功能。信息管理系统又分为安全监测和视频监视等系统，其中，安全监测系统负责对泵站水工建筑物的运行状况进行监测、分析及预警，为泵站安全提供技术保障；视频监控系统实现对泵站运行关键区域或重点位置的实时图像监控，具有历史图像信息查询和回放等功能，是实现泵站安全运行和管理的辅助手段。计算机监控系统与信息管理系统相互独立设置，系统之间通过隔离网闸进行信息交换。

1）计算机监控系统升级改造。统一传感器等数据信息采集、存储及处理方式，划分参控数据和非参控数据，数据分层处理，明确数据通信协议与接口标准、设备接口标准，实现数据采集准确、稳定。所有现地LCU 柜实现现地控制功能，能独立工作。根据各泵站机组运行状况，针对目前上位机组态软件及系统功能多样性的情况，基本统一软件选型，统一系统界面，统一系统功能，基本统一各站点开机流程。对目前计算机监控系统的硬件配置进行优化，更新上位机，配备应用系统服务器和数据库服务器，并考虑必要的冗余。最终在保证现地机组控制稳定的基础上实现各泵站机组区域远程集中控制。

2）计算机网络升级改造。对泵站自动化系统网络结构进行优化，针对各泵站“一张网”现状，根据不同业务需求及安全级别，将网络分为控制专网和业务内网。计算机监控系统使用控制专网，视频监控系统、信息管理系统等使用业务内网，控制专网与业务内网实现物理隔离，考虑与调度运行管理系统对接需要并预留接口，根据需要增加相应的网络设备。以邓楼泵站为例，改造后网络结构如图2 所示。

图2 邓楼泵站改造后计算机网络结构图

3）视频监控系统升级改造。为了更好地满足调度生产中信息实时监视需求，将台儿庄、万年闸、韩庄、二级坝、八里湾泵站视频监控系统模拟监控设备及大屯水库视频监控系统清晰度较差的数字设备更换为数字监控设备，同时根据需要在某些关键位置或者重点区域适当增加部分监控设备，实现泵站生产区域视频监控全覆盖。统一存储策略及访问机制，实现与调度运行管理系统的对接。

4）中控室环境升级改造。对各泵站中控室环境进行升级改造，主要包括中控室装修（墙壁粉刷、吊顶更换、中控室照明灯更换、静电地板更换等）、监视墙升级改造、操作台升级改造等内容。各泵站中控室装修统一风格、统一材料要求，实现标准化配置；监视墙统一采用小间距LED 拼接屏和双基色LED 显示屏组合显示；操作台统一采用4 面标准尺寸的台面。

5）泵站智能运行信息化系统开发。结合泵站运行实际情况及应用需求，利用当前大数据、云计算、物联网等新技术，开发泵站智能运行信息化系统，探索泵站运行调度决策智能化应用。实现设备状态监测与智能诊断、泵站性能计算和分析、调度辅助决策系统及泵站信息平台展示等功能。其中，泵站的设备运行实时工况数据、设备报警信息数据、视频监控数据等集中展示，泵站信息展示平台要求实现信息联动、视频联动等功能，灵活切换，实时在线掌控泵站现场环境和设备运行状态。

3.2 升级改造组织实施

1）前期准备。首先组织专业人员赴现场调研，将各泵站自动化系统存在的主要问题进行了梳理、归纳、总结及分析，提出了泵站自动化系统升级改造项目设计技术要求，编制完成了泵站自动化系统升级改造项目设计招标技术文件。然后召开专家咨询会，专家们通过查现场、听取汇报，对泵站自动化系统升级改造项目设计招标技术文件提出意见和建议，进一步明确了升级改造项目的设计要求和技术内容。最后鉴于泵站（水库）自动化系统升级改造任务复杂，技术难度较大，不同于新建工程，初期不宜大规模开展，需分批次逐步进行，积累相关经验后不断优化调整，确定以邓楼泵站为试点，开展升级改造工作。

2）技术实施方案设计。通过公开招标的方式选取了国内高水平的设计单位承担南水北调东线一期山东段泵站自动化系统升级改造技术实施方案设计。设计单位通过现场踏勘、查阅资料，结合设计要求完成了《南水北调东线一期山东段泵站自动化系统升级改造技术实施方案》（总体要求）和《邓楼泵站自动化系统升级改造技术实施方案》。随后组织专家审查会对设计方案进行了审查，设计单位根据专家意见对方案进行修改完善后由公司批复，作为下一步施工单位招标技术依据。

3）施工单位选取。考虑邓楼泵站自动化系统升级改造项目实施技术难度大，可选择的施工队伍范围有限，为保障项目实施质量和进度，确定通过公开招标方式选择国内有类似泵站、水电站新建或升级改造经验和专业水平高的自动化系统开发建设施工队伍。

4 实施效果

项目实施完成后，开发了邓楼泵站一体化管理平台；完成计算机监控系统升级改造、视频监控系统升级、中控室环境改造、泵站智能运行信息化系统4 部分内容。PLC 数据采集准确、稳定，各类软件运行正常；实现计算机监控系统一键开停机，实时视频同步展现；实现整个泵站参数“一张表”展示与实时预览，设备温度、电流、振动摆度等状态参数智能分析等功能。在保证泵站机组现地控制稳定的基础上实现各泵站区域远程集中控制，对南水北调东线一期工程山东段运行提供了有力技术支撑。