SCADA系統在水閘聯合調度及運行管理中的應用前景

李縣林

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 前言

目前水利部正在大力推進智慧水利總體方案及加快推進省級水網建設,推動物聯網、移動互聯網、大數據、云計算、遙感與遙測無人機、BIM技術以及人工智能等新興技術與大灣區水利業務進行深度融合,為大灣區建設及流域的水安全建設提供信息化支撐。在這種大背景下,本文介紹了在其他行業和工程中已有良好應用實例的SCADA系統,論證其在水網地區的水閘聯合調度及運行管理中的應用前景。吳海平[1]介紹了分布式數據庫的特點,分析了SCADA系統的建設需求和關鍵技術,并分享了MOSAIC軟件做為分布式實時數據庫在廣域網SCADA系統中的適用性,及其軟件的特性和在工業相關領域的應用。田徑等[2]則針對集約化供水工程中各泵站信息整合及遠程監控的需求,提出并研究了將VPN技術及MOSAIC SCADA軟件無縫結合構建橫沙島集約化供水遠程監控系統,實現了集約化供水遠程監測及自動控制功能,滿足系統可靠性、實時性、安全性的要求。張如剛[3]介紹了MOX SCADA監控系統在杭州天然氣利用工程中的應用設計,系統應用成功后燃氣公司可以根據系統實時數據和報表來準確的預測工業用戶的流量,方便生產決策及與上游送氣公司的調度和協調。而徐永兵等[4]將MOSAIC SCADA成功引入水利行業,從南水北調東線山東段閘（泵）站監控系統的需求出發,選擇了性能優良的MOSAIC SCADA作為監控平臺軟件,建設了功能完善的監控系統,完全滿足了南水北調閘（泵）站的監控業務,同時也為以后類似項目的建設提供成功的范例。有了以上成功案例之后,本文將從水閘的橫向調度、縱向調度以及運行管理等三個方面來闡述其在水閘工程中的應用前景,為水利工程的現代化和智慧化提供新思路。

2 系統介紹

SCADA系統,全稱Supervisory Control And Data Acquisition 系統,即數據采集與監視控制系統。它是一種以計算機為基礎,能對現場運行的設備進行監視和控制,從而達到數據采集與保存、設備控制、測量、參數調節以及各類信號預警目的的自動化監控系統。該系統目前已經廣泛應用于化工、燃氣、冶金、石油、鐵路以及電力等重要領域,尤其以電力系統中的應用最廣泛,發展技術最成熟。

不同領域對于SCADA系統的應用要求不盡相同,但SCADA系統的工作架構大體相同,大多由監控計算機、遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎設施、人機界面（HMI）組成。同時,一套架構能夠實現多重功能,滿足多種需求。

圖1 SCADA系統架構與功能示意圖

3 在水閘橫向調度中的應用

水閘的橫向調度,即指同一區域或同一河網體系中不同水閘的聯合調度。目前部分地區的水閘已實現實時水情監測和實時視頻監控,如圖2 和圖3 一樣從顯示面板上能夠反映同一時刻不同水閘處實時的內外河水位情況和監控畫面。

圖2 不同水閘處的實時水情監測圖

圖3 水閘實時監控畫面

然而,目前的設施僅僅達到了監測和數據采集的作用,距離設備的實時響應還有一定距離。以水閘的運行調度為例,同一片區的水閘仍然是一個個獨立的個體,遵循著各自獨立的運行調度原則,并沒有體現出它們作為同一防洪體系或是排澇體系中不可分割部分的協同性和聯動性。如圖4所示,水閘的運行調度目前也停留在水閘各自的運行調度原則之上,尚未形成真正的體系內各水閘合理、高效的聯合調度。

圖4 某水閘啟閉控制流程圖

而引入SCADA系統參與水閘的橫向聯合調度之后,可以發揮的優越性有：

1）“分布式、多線程”監控平臺。一套SCADA系統可以根據數量需求分布式地接入多個水閘的端口,每個水閘端口的數據通訊及數據處理均不會對其他水閘端口產生干擾。同一個水閘的不同監控任務之間也可以多線程同時運行,通過系統資源的動態調度來自動配置優先級,避免產生沖突。采用SCADA系統,可以一套系統多個配套,合理有效地利用資源,避免資源的重復建設與過度浪費。

2）“分級式”報警及預警系統。所謂“分級式”,一是通過定義的報（預）警類型,根據報警描述、閃爍顏色、聲音來判斷報（預）警級別；二是通過區域內上游水閘的報警及預警,為下游水閘的水情預判爭取時間,提前響應,形成區域內水情警報的分級式、遞減式的局面。

3）“聯動式”控制和響應平臺。SCADA系統通過將各水閘的實時水位數據收集統計,通過提前預判與預警將實時水位數據與各水閘的目標水位進行對比計算。計算結果將用于水閘聯動控制的邏輯判斷,通過指針來動態比較判斷計算值,從而判斷如何響應及在哪里響應。通過建立數組將區域內上下游的水閘數據串聯起來,實現水閘的橫向調度。

4 在水閘縱向調度中的應用

1）在高感潮河段的水利工程中,通常會采用修建一閘和二閘聯合擋水的方式來解決水閘內外水頭差較大的問題。但外江水位是時刻變化的,提前獲知外江水位的變化趨勢并提前采取相應措施,對于充分保證水利工程的安全是十分有利的。在水閘的縱向調度中引入SCADA系統,可以根據水閘運行工況在系統內預設水位及水頭差閾值,基于水位實時監測數據的傳輸及與目標閾值的對比,自動控制一閘、二閘的閘門啟閉,從而動態調節外江、一閘與二閘之間、內河的水頭差,確保水閘閘室及上下游翼墻的穩定及安全。

2）在珠三角地區,部分水閘通常會兼顧通航功能,依靠在內外閘首與船室之間設置輸水孔來控制通航水位。部分水閘其平面布置見圖5。

圖5 某通航水閘平面布置圖

當閘門擋水水頭差較大或船室段較長時,外江與船室、船室與內河之間的平壓需耗費大量時間,待內外水位平衡后船只才能安全通過,通航效率較低。而在引入SCADA系統后,可以通過采集每天船只的通航時間數據,與系統內采集的每天各時段水位數據進行對比分析,在系統內預設輸水孔閘門的響應水位及響應時刻,提前進行內外閘首與船室之間的平壓工作,縮短船只等待時間,提高通航效率,為經濟發展保駕護航。

5 在水閘管理中的應用

目前的水閘管理工作中,水閘運行管理的特征數據大多依靠人工記錄。當水閘運行工作時間過長時,可能出現數據缺失和資料丟失的情況。而引入SCADA系統參與水閘的日常管理之后,具有以下優勢：

1）先進的數據資源庫。在對水閘管理、監測數據進行梳理整合后,可以建立先進的數據資源庫,形成統一的數據資源目錄和明確的數據更新維護責任清單。同時,為進一步形成更高平臺的閘與閘、區域與區域、各省級水網、各流域之間的水利數據聯動共享機制打下夯實基礎,而不會因為檔案搬遷、人員更迭造成基礎數據的丟失。

2）數據壓縮與歸檔。水利工程的監測數據,具有結構簡單但數量巨大的特征。以水情監測為例,監測數據結構為測點-時間-水位,結構十分簡單。但隨著數據采集時段的加長,監測數據可以達到驚人的數量。為避免產生大量無效數據的存儲,可以在系統內預設閾值,除超過閾值的特殊數據剔出單獨保存外,其余數據可以進行壓縮存儲。同時,數據的歸檔可以采用復式滾動的方法。

3）實時數據查閱。根據系統配置及權限設置,支持畫面漫游,畫面分層管理,允許權限范圍內的工作人員隨時隨地在移動端調閱各水閘的實時監測畫面及各項記錄數據,不用再專門去檔案室借閱存檔資料,極大地增加了專業交流或者技術匯報的便利,省時省力省心。

4）實現水情追憶。基于時間軸線或者特征值捕捉進行記憶工作,全面分析歷史發展趨勢,有效追憶歷史預警記錄和歷史時間記錄。該功能可以有效地記錄各水閘的運行大事記,極大地方便了水閘的運行管理,同時也可以在進行水閘安全鑒定以及水閘拆除重建的水文論證等工作中發揮重要作用。

6 結論

按照國家水利大數據中心總體框架的藍圖,未來一段時間內我國水利事業將逐步形成由點及面、聚面成網的大數據模型。本文僅以SCADA系統在水閘調度與管理方面等方面能夠發揮的部分優勢,闡述其在水閘聯合調度及運行管理中的廣闊應用前景。希望通過將SCADA系統不斷地引入智慧水利工程建設,逐步拓展融合,最終打造成預測預報、合理調度、輔助決策、動態優化的水利工程網絡。