延安黃河引水工程自動控制體系設計

白秦濤

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概述

延安黃河引水工程位于延安市東北部，是以黃河和清澗河為取水水源，多級加壓的長距離引水工程。2 個水源年取水規模8977 萬m3，供水對象為延安市城區、延長縣城等“一區四縣一鎮六工業園”。工程為Ⅲ等中型供水工程，由2 個取水樞紐、9 座泵站、4 條輸水管線（含9條隧洞）、2 座水庫、1 個泥沙處理站、2 個水廠等組成。工程引水線路穿越延安市寶塔區、延川縣、延長縣、子長縣境內，總長度145.78km。

由于延安黃河引水工程點多、線長、面廣，工程復雜，巡視檢查、檢修的難度較大，加之水工建筑物多，引水工程運行復雜，因此工程需要配套建設功能完備的管理調度系統，通過高標準的信息化數據采集手段及控制設施，對整個工程進行遠距離監控，實現全線集中自動化調度、優化調度，及時掌握工程運行中的各項相關數據并及時分析、處理，實現引水工程的數字化、現代化管理，提高水資源利用效率，確保引水工程安全高效運行。

2 自動控制體系總體結構

延安黃河引水工程自動控制體系是工程管理調度系統的重要組成部分。在管理調度中心統一調度的原則下，根據工程泵站、水廠和水庫等的地理位置分布，同時結合工程管理特點，各站控層管理站監控數據分別上傳匯聚在延水關管理分中心、高家灣管理分中心、永坪管理分中心和延安管理調度中心，并最終納入工程自動控制體系。

管理調度中心層可實現工程的遠程監測、控制、管理，管理分中心層可實現管理區域數據的接收、處理、存儲、整合、轉發及工程運行監控。管理中心與分中心、現地站采用本工程的冗余光纖控制專網連接，實現數據的采集和控制指令的下傳。各泵站、水廠等現地站主要負責接收管理調度中心下達的控制指令，并進一步確認是否執行或者修正執行，同時采集所有下屬PLC、儀器儀表等的實時監測、監視數據。

3 功能要求

（1）整體控制

管理調度中心通過對現地站控層下達控制指令，對工程全線所有引水調度控制設備進行遠程多級聯動啟閉控制，包括泵組轉速（流量）控制、閘閥門控制等。

（2）數據采集

能夠實時采集各個現地站的所有數據信息，并且在畫面中實時展示。

（3）數據存儲

需要存儲各級泵站、重要控制建筑物的監測參數，主要包括電氣量參數、狀態量參數、運行參數、統計參數等，包括完整的實時數據和歷史數據。

（4）畫面展示和監控

以類似3D 的立體效果及半剖面展示畫面，顯示狀態數據和控制數據等。通過監控系統人機界面，可以直接實現遠程對設備的操控功能。

（5）報警事件

可實現聲光報警、短信報警、郵件報警等功能，記錄報警事件的數據信息，同時把所有與該報警事件所有相關的數據、條件記錄到數據庫。

（6）報表

自動生成各類日、月、年報表，操作人員可以在遠程瀏覽查看全部的報表數據。主要包括：生產日報、水量監測報表、設備運轉報表、設備運行操作記錄報表、水質分析報表等。

（7）趨勢曲線

提供多種曲線功能，用戶可以方便的選擇實時曲線、歷史曲線，可以查看水位、水量、電壓、電流的變化趨勢。

（8）身份驗證

可進行系統服務配置、工控畫面操作的授權監管，實現工程控制操作安全管理與事故追責，提供權限屬性用來限制用戶的操作范圍。

（9）系統管理

具有參數配置、界面風格配置、報警界限配置、數據庫配置、采集配置等管理功能，具有相應管理權限的用戶登錄后，可以進行相應的系統管理設置功能。

（10）應用接口

支持通用的數據庫接口，便于日后其他系統調用實時數據，監控組態軟件可將實時數據和歷史數據存貯于數據庫。

4 調度設計

根據日常調度、供水追蹤、報警和預警、應急調度、優化調度的要求，調度工作包括：

（1）用水量預測

以用水單位、泵站、管網的大量實時、歷史數據為基本依據，結合季節、氣候、節假日，以及當天的實際輸水量等約束條件，計算出下一個班次或次日24 小時或者更長時間內供水區域內可能的用水量。該用水量將作為供水計劃制定的主要數據基礎。

（2）日常調度

日常調度主要負責在指定的時刻，根據預測的用水量以及調度人員設置的約束條件制定出下一個班次的水量計劃以及水泵機組開停及調頻計劃，并提交審批及提醒。當調度計劃進入到執行階段，日常調度將對計劃的執行情況進行實時監測，以便對調度計劃進行調整。同時，對下達的計劃、調度方案和控制指令進行存儲備案。

（3）供水追蹤

當各類供水計劃下發執行后，對計劃的執行情況進行一系列的追蹤，主要包括：基礎數據追蹤、供水狀況追蹤、調度方案追蹤。這些數據有的可以直接進行采集，有一部分需要進行統計計算生成。

（4）生產運行報警及預警

當追蹤的數據出現異常時，調度系統將立刻出發報警或預警。包括供水事件預警的級別、類別、起始時間、可能影響范圍、危害程度、緊急程度和發展態勢、警示事項以及應采取的相關措施等。

（5）調度指令執行

當供水計劃制定后，調度系統將水泵機組開停及調頻計劃或閘閥門開啟計劃等分解為具體的調度控制指令，并直接下發給泵站等現地站的計算機監控系統執行。

對于現場的實際情況，總中心調度人員并不比現場工作人員更清楚（如總中心調度人員無法聞到設備的異味，而現場工作人員在巡檢的時候能及時發現），出于安全的考慮，總中心的調度系統也可以選擇將調度指令或要求下發給泵站等現地站的調度客戶端上，現地工作人員看到調度指令或要求后，如果該指令可行，那么確認并在計算機監控系統上操作并執行控制，如果該指令不可行，那么工作人員反饋不執行的理由。這樣可以保證調度的安全性、豐富調度經驗庫，提高調度管理水平。

（6）調度評價

調度評價的角度包括：輸水效率的評價、調度效果的評價、運行費用的評價等。

（7）優化調度

1）科學選擇各供水泵站的水泵型號和開啟臺數的最優組合方案；

2）合理確定變頻泵的最佳運行頻率；

3）合理制訂水池、水庫的貯水策略；

4）合理利用不同時段不同電費的價格政策；

5）科學制訂各種調控設備(流量控制閥、壓力控制閥，止回閥、開關閘門等)的控制策略。

5 權限管理

工程由管理調度中心統一調度，遠程控制和現地站控兩級控制。管理調度中心的權限管理平臺負責統一管理用戶與權限，為每個用戶配置相應的角色、權限和區域。用戶權限分為數據瀏覽、中心級別設置、現場設備控制、用戶管理等不同類型。添加、刪除、修改的所有操作均被記錄成日志信息。

在中心權限管理界面中，設置“現場/遠程”方式切換選項，當設置為“現場”時，操作人員可在現場廠站控制室的監控站上對設備進行控制；當設置為“遠程”時，泵組或閘門設備由監控中心進行統一調度管理及控制，場站計算機監控系統僅是執行中心的調度指令，沒有獨立的控制權限。出于對控制安全性的考慮，當網絡中斷，現場控制站無法與管理調度中心建立連接時，權限控制模塊會立即恢復現場監控站的控制權限，避免出現現場監控站無人可控的情況。

為了保證控制的安全，分清各控制層的責任，同一時間只允許唯一的對象進行控制。所有的控制及控制權限切換均記錄到日志中，以便日后的分析追蹤。

6 總結

自動控制體系是工程管理調度系統的重點及難點，鑒于本工程的特殊性和復雜性，需要認真研究梯級泵站聯合調度與優化調度的相關問題，確保工程優化運行的可實施性。