計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在兩岔河水庫的應(yīng)用

張慧媛，曾凡誠，王 兵

(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550000；2.貴州省貴陽市公安局出入境管理分局，貴陽 550081)

在時(shí)代發(fā)展過程中，自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)都在不斷發(fā)展，在這種環(huán)境和大背景下，現(xiàn)代水庫運(yùn)行對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求也在不斷提高，尤其針對(duì)中小型水庫來說，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)水庫的運(yùn)行和維護(hù)有著及其重要的意義。傳統(tǒng)的中小型水庫需要有固定人員進(jìn)行值班看守，而現(xiàn)代通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得水庫的運(yùn)行管理無人化成為可能。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)水庫的正常運(yùn)行，同時(shí)對(duì)水庫的長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)有重要作用[1]。

1 概 況

兩岔河水庫工程地址選于余慶縣關(guān)興鎮(zhèn)沙堆村香樹坪組，水庫規(guī)劃壩址建于烏江一級(jí)支流覺林河沙堆村三岔河以上0.5km處，至余慶縣約80km。

兩岔河水庫的建設(shè)目的是為鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水及農(nóng)田灌溉?？捎行Ы鉀Q松煙鎮(zhèn)集鎮(zhèn)及周邊農(nóng)村生活、生產(chǎn)發(fā)展用水問題。本工程屬中型，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為小(1)型。水庫設(shè)置一座壩后泵站及一座提水泵站，提水泵站為兩岔河泵站，裝機(jī)容量為：(1×450+2×280)kW(280kW電機(jī)運(yùn)行方式為一用一備)，采用10kV異步電動(dòng)機(jī)；提水泵站為三尖土泵站，裝機(jī)容量為：2×45kW，一用一備，采用0.4kV異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)泵站的裝機(jī)規(guī)模及用途，兩岔河泵站主要供水對(duì)象為集鎮(zhèn)，三尖土的裝機(jī)容量較小，因此兩岔河泵站、三尖土泵站負(fù)荷均按等級(jí)按三級(jí)考慮，采用一回10kV電源供電方式，兩泵站之間間隔6km左右。

相對(duì)于人工看守監(jiān)控來說，引入計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)水庫的進(jìn)行日常運(yùn)行和管理，在泵站運(yùn)行、提水及壩區(qū)閘門的開閉過程中，能更準(zhǔn)確的監(jiān)控機(jī)組和閘門的運(yùn)行狀況及水位、水情狀況，盡量避免水資源的浪費(fèi)，提高水庫運(yùn)行的安全性，提高工作效率，降低人工勞動(dòng)成本。

一般來說，水庫計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)直流系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等模塊構(gòu)成[2]。

因此，根據(jù)余慶兩岔河水庫的特點(diǎn)，按“無人值班，少人值守”運(yùn)行方式設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制方式，對(duì)兩個(gè)泵站全站機(jī)組、變壓器、公用設(shè)備及壩區(qū)閘門運(yùn)行、配電系統(tǒng)運(yùn)行等進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)水庫的聯(lián)合調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行，確保水庫安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 水庫計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 水庫計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

水庫采用集中監(jiān)控方式，監(jiān)控系統(tǒng)采用星形光纖單網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]，且按分層分布式結(jié)構(gòu)布置，分設(shè)主控級(jí)和現(xiàn)地單元控制級(jí)，上下級(jí)間采用光纖以太網(wǎng)通信。計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在兩岔河泵站設(shè)置集控中心，通過網(wǎng)絡(luò)各個(gè)模塊連接，并將控制權(quán)分為遠(yuǎn)程調(diào)度層、泵站監(jiān)控層、現(xiàn)地控制層。監(jiān)控層是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，設(shè)備布置在中央控制室內(nèi)，可對(duì)兩岔河泵站、三尖土泵站、壩區(qū)的運(yùn)行過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析并形成報(bào)表；遠(yuǎn)程調(diào)度層可監(jiān)測(cè)兩座泵站和壩區(qū)閘門、設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)并下達(dá)調(diào)度命令；現(xiàn)地控制層分別設(shè)在泵站機(jī)組旁及壩區(qū)配電室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控。

兩岔河泵站具備對(duì)三尖土泵站、壩區(qū)閘門及電氣設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能，三尖土泵站設(shè)備信息通過無線網(wǎng)絡(luò)送至兩岔河泵站，壩區(qū)閘門、電氣設(shè)備信息通過光纖送至兩岔河泵站。

2.2 水庫計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 監(jiān)控層兼遠(yuǎn)程調(diào)度層

監(jiān)控層是水庫計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了水庫的日常運(yùn)行過程的監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、匯總打印、通信調(diào)度等核心功能[4]。兩岔河泵站監(jiān)控層兼遠(yuǎn)程調(diào)度層，設(shè)置1臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)工程師工作兼操作員工作站、1臺(tái)通信工作站、1臺(tái)打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、GPS時(shí)鐘、無線通訊管理器等。

主控級(jí)除負(fù)責(zé)全站監(jiān)控工作外，同時(shí)負(fù)責(zé)與調(diào)度中心及其它系統(tǒng)通信的工作。中控室僅設(shè)置必要的供緊急操作的按鈕及開關(guān)，運(yùn)行人員通過中控室上位機(jī)，依靠顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)全站設(shè)備的監(jiān)控。兩岔河泵站監(jiān)控層兼遠(yuǎn)程調(diào)度層除具備一般泵站監(jiān)控層功能外，還應(yīng)具備下列功能：

1)對(duì)三尖土泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

2)對(duì)壩區(qū)閘門及電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3)流量平衡、聯(lián)合調(diào)度與優(yōu)化運(yùn)行。

4)站間通信。

5)與其他系統(tǒng)通信。

2.2.2 現(xiàn)地控制層

三尖土泵站兩臺(tái)低壓機(jī)組配置一臺(tái)機(jī)組LCU。兩岔河泵站三臺(tái)高壓機(jī)組分別配置一臺(tái)機(jī)組LCU，公用設(shè)備設(shè)置一臺(tái)公用LCU。

泵站監(jiān)控層通過光纖以太網(wǎng)的方式與兩岔河現(xiàn)地LCU進(jìn)行通信。

1)機(jī)組LCU：

機(jī)組LCU配置以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)與主控級(jí)通信的功能；同時(shí)，每套機(jī)組LCU均配置一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理單元，通過串口實(shí)現(xiàn)監(jiān)控機(jī)組的微機(jī)保護(hù)裝置及其它自動(dòng)安全裝置通信的功能，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊，傳送至泵站監(jiān)控層計(jì)算機(jī)。

機(jī)組LCU主要完成監(jiān)控機(jī)組的數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理功能，同時(shí)也可以對(duì)機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)地控制、操作及監(jiān)視。同時(shí)也需針對(duì)它與系統(tǒng)脫離及重新建立聯(lián)系的情況下所應(yīng)具備的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其在脫機(jī)狀態(tài)下仍能對(duì)機(jī)組進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制，包括機(jī)組的啟動(dòng)及停止操作、監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行狀況及參數(shù)。當(dāng)故障排除，重新建立聯(lián)系后又可自動(dòng)地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

2)公用設(shè)備LCU：

兩岔河泵站配置一套公用LCU，布置于中控制室內(nèi)，用于對(duì)泵站公用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。LCU配置以太網(wǎng)模塊，能直接與主控級(jí)通信；同時(shí)配置一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)公用系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的功能，并具備與直流系統(tǒng)及其它公用設(shè)備及裝置進(jìn)行通信，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)到主控層計(jì)算機(jī)的功能。

三尖土泵站設(shè)置一臺(tái)現(xiàn)地LCU，同時(shí)配置無線通訊管理器，相關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS/4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控級(jí)上位機(jī)。

3) 壩區(qū)LCU：

壩區(qū)配置一套LCU柜，布置于壩區(qū)低壓配電室內(nèi)。壩區(qū)LCU與兩岔河泵站上位機(jī)通信通過光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；LCU柜內(nèi)配置一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理單元，通過串口與壩區(qū)智能設(shè)備進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到主控層計(jì)算機(jī)。

2.2.3 自動(dòng)化元件

機(jī)組自動(dòng)化元件按無人值班(少人值守)的原則進(jìn)行配置和選型，滿足自動(dòng)化和安全監(jiān)控的要求，實(shí)現(xiàn)少量操作指令即可完成機(jī)組工況的轉(zhuǎn)換。

機(jī)組各測(cè)溫點(diǎn)配備測(cè)溫元件，供溫度監(jiān)測(cè)和保護(hù)，其它非電氣量運(yùn)行參數(shù)應(yīng)通過相應(yīng)的變送器轉(zhuǎn)換成4mA-20mA的模擬量或通過通信總線送給單元控制級(jí)LCU。

3 水庫計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置通常采用整流型或晶體管型，調(diào)試工作量大。而計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)僅采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成保護(hù)工程，通過相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的功能，簡(jiǎn)化調(diào)試程序，且具有自診斷功能，大大減少了運(yùn)行維護(hù)的工作量。目前，計(jì)算機(jī)保護(hù)裝置均采用模塊化設(shè)計(jì)，按使用場(chǎng)景的不同配置相應(yīng)的模塊，成套的計(jì)算機(jī)保護(hù)裝置，為設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)試人員的工作帶來了極大的便利。

兩岔河水庫主要電氣設(shè)備的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置按《電力裝置繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50062-2008)和《水利水電工程繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/455-2010)的要求進(jìn)行配置，各保護(hù)均采用微機(jī)型成套保護(hù)裝置。電氣主要元件的保護(hù)配置如下：

3.1 兩岔河泵站

10kV線路保護(hù)(包括三段式過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低周減載功能)；10kV無功補(bǔ)償斷路器保護(hù)(包括限時(shí)電流速斷、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、低壓保護(hù)、不平衡電壓保護(hù)、單臺(tái)電容器專用熔絲保護(hù))；10kV電機(jī)保護(hù)(包括三段式過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、過熱保護(hù)、低電壓保護(hù)、 過電壓保護(hù)、非電量保護(hù))；站用變保護(hù)(包括限時(shí)電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低壓側(cè)零序保護(hù)、非電量保護(hù))；小電流接地選線裝置；電弧光保護(hù)裝置；微機(jī)消弧消諧裝置。

3.2 三尖土泵站

10kV無功補(bǔ)償斷路器保護(hù)(包括限時(shí)電流速斷、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、 低壓保護(hù)、不平衡電壓保護(hù)、單臺(tái)電容器專用熔絲保護(hù))；0.4kV電機(jī)保護(hù)(電動(dòng)機(jī)電流速斷保護(hù)、定子繞組低電壓保護(hù)、相電流不平衡及斷相保護(hù)、定子繞組相間短路保護(hù)、定子繞組單相短路保護(hù)、定子繞組過負(fù)荷保護(hù))；小電流接地告警裝置；電弧光保護(hù)裝置。

4 計(jì)算機(jī)直流系統(tǒng)

兩岔河泵站控制電源采用直流電源，配置一套交直流一體化電源系統(tǒng)進(jìn)行供電。三尖土泵站因規(guī)模較小，控制電源均采用交流220V，不設(shè)直流系統(tǒng)，選用一套不<3kVA 的UPS電源作為備用電源。

4.1 直流系統(tǒng)部分

直流系統(tǒng)采用單母線接線，采用220V直流供給泵站計(jì)算監(jiān)控、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明及斷路器合閘等直流負(fù)荷。以單回路輻射型給保護(hù)屏、LCU屏和自動(dòng)裝置等集中布置的設(shè)備供電；以雙回路環(huán)網(wǎng)方式給10kV開關(guān)柜供電。

直流電源部分配置高頻開關(guān)模塊電源1套，4只10A充電模塊，絕緣監(jiān)測(cè)裝置1臺(tái)；通信電源部分配置220V/48V DC/DC電源模塊3只，額定電流20A。直流饋線開關(guān)報(bào)警接入直流系統(tǒng)綜合監(jiān)控單元，監(jiān)控單元、微機(jī)直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置分別通過內(nèi)部RS485通信線接至一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)通過RS485通信接口接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

泵站配置200Ah/220V蓄電池一組，蓄電池均采用2V，104只全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池，構(gòu)成無端電池直流系統(tǒng)。

4.2 交流不間斷電源部分

泵站監(jiān)控系統(tǒng)、遙視系統(tǒng)等交流工作電源，均采用經(jīng)站內(nèi)直流逆變后的電源。泵站選用6kVA UPS 2臺(tái)，逆變器直流由泵站直流系統(tǒng)取一路電源，經(jīng)逆變后輸出AC220V交流電源。逆變電源配備逆變監(jiān)控器，對(duì)直流逆變電源系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)出線開關(guān)報(bào)警接入點(diǎn)應(yīng)接入逆變監(jiān)控器，逆變監(jiān)控器過內(nèi)部RS485通信線接至一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)通過RS485通信接口接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

5 計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

水庫設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)的目的是對(duì)整個(gè)水庫樞紐進(jìn)行全方位的監(jiān)控和管理，工作人員在集控中心通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠直觀地觀察整個(gè)水庫的運(yùn)行狀況，減少運(yùn)行值班費(fèi)用。因此，在兩岔河泵站內(nèi)設(shè)置一套計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)主廠房、高/低壓配電室、主變、控制室等房間內(nèi)部情況和設(shè)備的運(yùn)行操作情況進(jìn)行監(jiān)視。攝像頭分為固定式及旋轉(zhuǎn)式，合理分布在泵站的主廠房及副廠房?jī)?nèi)，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)和及時(shí)處理問題，將故障造成的損失降到最低。

計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)視系統(tǒng)主機(jī)設(shè)在泵站中央控制室內(nèi)，同時(shí)配置大屏彩色顯示器，運(yùn)行人員可以通過顯示器可以站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀況和站內(nèi)安防情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視并進(jìn)行相關(guān)紀(jì)錄。泵站運(yùn)行維護(hù)人員通過業(yè)務(wù)臺(tái)或監(jiān)控主機(jī)對(duì)監(jiān)控范圍目標(biāo)區(qū)域中的設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)在業(yè)務(wù)臺(tái)或監(jiān)控主機(jī)上完成對(duì)攝像機(jī)的控制(左右、上下、遠(yuǎn)近景、調(diào)焦等)，畫面切換的控制和錄像控制。壩區(qū)通過光纖將視頻圖像傳輸至兩岔河泵站集控中心，并可在集控中心進(jìn)行監(jiān)控。三尖土泵站的視頻圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至兩岔河集控中心。

三尖土泵站設(shè)置3個(gè)室內(nèi)攝像頭數(shù)量，用于監(jiān)控廠房?jī)?nèi)部及電氣設(shè)備運(yùn)行情況；兩岔河泵站主、副廠房攝像頭數(shù)量按18個(gè)配置，用于監(jiān)控廠房?jī)?nèi)部、全站機(jī)組、電氣設(shè)備運(yùn)行狀況；壩區(qū)攝像頭數(shù)量按8個(gè)配置，用于監(jiān)視庫區(qū)、取水口啟閉機(jī)室及溢洪道的狀態(tài)。

6 結(jié) 語

根據(jù)兩岔河水庫的工程特點(diǎn)和管理維護(hù)要求，應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)能夠有效解決水庫內(nèi)部泵站位置分散、調(diào)度運(yùn)行及管理不便等方面的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)度，提高泵站及壩區(qū)設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性，為水資源的優(yōu)化配置和提高水庫工程信息化、現(xiàn)代化管理水平創(chuàng)造了條件。