貴港庫(kù)區(qū)泵站集中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 貴港庫(kù)區(qū)泵站集中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要：為進(jìn)一步提升貴港庫(kù)區(qū)泵站群科學(xué)管理水平，提高泵站運(yùn)行的安全性、可靠性，提高生產(chǎn)效率的目的；廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：西江集團(tuán)）建設(shè)了貴港庫(kù)區(qū)泵站集中監(jiān)控系統(tǒng)。本文主要介紹泵站集中監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案以及集控中心監(jiān)控系統(tǒng)的控制安全性、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：泵站群；集控中心；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制安全性；人機(jī)界面設(shè)計(jì)0引言貴港庫(kù)區(qū)泵站群屬于西江集團(tuán)管理的貴港航運(yùn)樞紐工程的一部分，是以防洪、排澇為主，兼顧灌溉的綜合性庫(kù)區(qū)防護(hù)工程，主要作用是與堤、閘結(jié)合防止外江洪水倒灌，同時(shí)把堤內(nèi)洪水、徑流外

2、排，確保堤內(nèi)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。建有瓦塘江、林橋江、大路橋、大沖二四個(gè)35KV變電站以及包含瓦塘江、林橋江、大路橋、大沖二等25座防洪排澇泵站，分散在貴港郁江兩岸40公里左右的沿江新塘、石卡、瓦塘等3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。庫(kù)區(qū)泵站分布圖如下：為進(jìn)一步提升泵站的科學(xué)管理水平，提高泵站的安全性、可靠性，充分發(fā)揮工程效益，對(duì)泵站群進(jìn)行了自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)庫(kù)區(qū)泵站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，減少了現(xiàn)地人員投入、有效降低了運(yùn)行成本，形成了既可以在各站現(xiàn)地操作設(shè)備，又可以在集控中心對(duì)各站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、操作的運(yùn)行管理模式。1總體設(shè)計(jì)思路目前設(shè)備和運(yùn)行要求相比泵站復(fù)雜多的國(guó)內(nèi)外水電站，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”

3、管理模式的非常普遍。法國(guó)電力公司管轄近500個(gè)電站，僅14個(gè)場(chǎng)所保留值班人員。日本東京電力公司所屬電廠156座，到上世紀(jì)90年代，無(wú)人化已達(dá)到98%以上。如今，國(guó)內(nèi)大多數(shù)電站均按“無(wú)人值班、少人值守”管理模式建設(shè)，流域水電開(kāi)發(fā)公司也都已實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、“集群化”管理，如華能瀾滄江水電有限公司，在昆明集控中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)其下屬漫灣電廠、小灣電廠和景洪電廠等電廠群的的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，集控裝機(jī)容量達(dá)6270MW。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制、視頻數(shù)字化、光纖通訊等技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益普及，技術(shù)上為“無(wú)人值班、少人值守”提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。水電站的集控中心建設(shè)，目前采取的有兩種模式，一是每個(gè)電站具有完整的計(jì)算機(jī)監(jiān)

4、控系統(tǒng)，由現(xiàn)地控制單元LCU、操作員工作站、系統(tǒng)服務(wù)器、通訊工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成，集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般由雙或多操作員站、雙冗余系統(tǒng)服務(wù)器、工程師站、通信工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等構(gòu)成，集控中心的通訊工作站與各電站通訊工作站通訊，實(shí)現(xiàn)集控中心對(duì)下屬電站的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。另一種模式是，所屬管轄各電站距離相對(duì)集中、機(jī)組容量不是很大、機(jī)組臺(tái)數(shù)不多情況下，在其中一個(gè)電站設(shè)置總控制室對(duì)各電站實(shí)行對(duì)各電站的集中監(jiān)視控制，其余電站視為地理位置擴(kuò)大的一個(gè)電廠（即擴(kuò)大廠站）。鑒于貴港庫(kù)區(qū)泵站群泵站相對(duì)數(shù)量較多，分部郁江兩岸等特點(diǎn)。如果借鑒上述第一種方式，需要配置的設(shè)備數(shù)量多、投資大、編程和維護(hù)難度大，由此產(chǎn)生的

5、相應(yīng)管理費(fèi)和人工費(fèi)等均明顯較多。為此采用了一種基于貴港庫(kù)區(qū)泵站群的全開(kāi)放的、分層分布式的“增強(qiáng)型擴(kuò)大廠站”模式的整體解決方案，總體設(shè)計(jì)方案如下：將分布在郁江兩岸的泵站分別視為地理位置擴(kuò)大的一個(gè)泵站（借鑒水電站擴(kuò)大廠站模式），在江兩岸泵站容量大、人員相對(duì)集中的林橋站和瓦塘江站設(shè)立兩個(gè)分中心，在貴港庫(kù)區(qū)辦公樓設(shè)置集控中心。各個(gè)泵站根據(jù)泵組臺(tái)數(shù)、公用設(shè)備和開(kāi)關(guān)站分部情況設(shè)置現(xiàn)地控制單元LCU，LCU具備監(jiān)控范圍內(nèi)完整功能，可脫網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，配置觸摸屏作為人機(jī)界面。除了林橋站、瓦塘江站及集控中心外，其余泵站均不設(shè)置上位機(jī)計(jì)算機(jī)。設(shè)置在集控中心的上位機(jī)，主要配置系統(tǒng)服務(wù)器、歷史服務(wù)器、操作員工作站、通訊工

6、作站等，可直接對(duì)各泵站的所有LCU進(jìn)行集中監(jiān)控。設(shè)置在林橋站、瓦塘江站的上位機(jī)，配置系統(tǒng)服務(wù)器兼操作員站，OPC通訊服務(wù)器，可直接對(duì)所屬泵站的所有LCU進(jìn)行監(jiān)控。在貴港庫(kù)區(qū)辦公樓設(shè)置集控中心和管理、維護(hù)及辦公基地，對(duì)所有泵站進(jìn)行日常運(yùn)行、管理工作。兩個(gè)分中心通常只監(jiān)視，必要時(shí)可接替集控中心對(duì)所屬泵站進(jìn)行日常運(yùn)行及管理。采用這種設(shè)計(jì)方案，集控中心與所有泵站即構(gòu)成了一個(gè)物理距離擴(kuò)大的廠站，所有泵站按照“無(wú)人值班、少人值守”的運(yùn)行管理模式，值班人員統(tǒng)一在集控中心運(yùn)行。同時(shí)也可在分中心實(shí)現(xiàn)對(duì)所屬泵站的集中監(jiān)控，所以此種方案又比通常“擴(kuò)大廠站”模式有所加強(qiáng)。2庫(kù)區(qū)泵站群網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案根據(jù)設(shè)計(jì)思路，貴港庫(kù)區(qū)

7、泵站群集控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎没旌闲屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，環(huán)型拓?fù)洹⑿切屯負(fù)?、?shù)形拓?fù)浠旌隙傻沫h(huán)-星-樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。核心節(jié)點(diǎn)集控中心和兩個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)林橋分中心、瓦塘分中心各部署1臺(tái)高速以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，傳輸介質(zhì)采用單模光纖。左岸的沖塘、大沖一、王玉站等7個(gè)泵站以樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)接入林橋分中心，林橋站LCU和林橋站上位機(jī)以星型網(wǎng)接入林橋分鐘中心交換機(jī)；右岸的石古塘、木橋沖、古蘭、大陸橋等15個(gè)泵站以樹(shù)形網(wǎng)接入瓦塘分中心，林橋站LCU和林橋站上位機(jī)以星型網(wǎng)接入林橋分鐘中心交換機(jī)，傳輸介質(zhì)采用單模光纖或無(wú)線(xiàn)通信。混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：1）網(wǎng)絡(luò)可靠、核心交換機(jī)端口利用率提高。2）故障診斷和隔離較為方便。一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，

8、只要診斷出哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有故障，將該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和全網(wǎng)隔離即可。3）易于擴(kuò)展。可以加入新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也可在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中留出一些備用端口。4）安裝方便。網(wǎng)絡(luò)的主鏈路只要連通匯聚層設(shè)備，然后再通過(guò)分支鏈路連接匯聚層設(shè)備和接入層設(shè)備。5）有效地節(jié)約光纜布線(xiàn)投資。3集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)集控中心采用了南京南瑞集團(tuán)公司基于NC2000組態(tài)軟件的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于分布式對(duì)象計(jì)算技術(shù)，從系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)到提供給用戶(hù)的組態(tài)工具、應(yīng)用界面都使用了面向?qū)ο蟮目缙脚_(tái)技術(shù)。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、JDBC、Java、RMI、OPC等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和被廣泛使用的軟件工具，具有

9、充分的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性和異構(gòu)平臺(tái)適應(yīng)性。集控中心配置有6臺(tái)上位機(jī)，分別為：2臺(tái)熱備冗余系統(tǒng)服務(wù)器、1臺(tái)歷史服務(wù)器、2臺(tái)操作員站、1臺(tái)通訊機(jī)。兩個(gè)分中心各設(shè)置有2臺(tái)熱備冗余系統(tǒng)服務(wù)器兼有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及操作員站功能?，F(xiàn)地控制單元由控制柜、開(kāi)關(guān)柜、UPS電源組成?？刂乒裰邪琍LC、觸摸屏、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等設(shè)備，動(dòng)力柜包含軟啟、接觸器、斷路器等設(shè)備。在控制上，現(xiàn)地控制單元分手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制狀態(tài)。其中手動(dòng)回路可以保證在PLC故障的情況下，通過(guò)按鈕啟停電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制。自動(dòng)則是通過(guò)PLC對(duì)電機(jī)狀態(tài)、水位信息實(shí)時(shí)收集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的自動(dòng)啟停及保護(hù)。3.2系統(tǒng)功能泵站集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能迅速可靠、

10、準(zhǔn)確有效地完成對(duì)各泵組的安全監(jiān)視和控制，以及對(duì)整個(gè)泵站的運(yùn)行管理。主要功能包括：1）集中控制功能系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效的完成各泵站的集中監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方式分為集控中心控制、分中心控制和泵站現(xiàn)地控制。系統(tǒng)控制權(quán)轉(zhuǎn)換按現(xiàn)地優(yōu)先和無(wú)擾動(dòng)的原則設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的控制功能主要有泵組的啟/?？刂?、斷路器/隔離開(kāi)關(guān)合/分以及其他設(shè)備控制。2）數(shù)據(jù)的采集根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)采集單元，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊，采集各個(gè)現(xiàn)地控制單元及故障信息，采集泵站電機(jī)電壓、電流、功率、設(shè)備狀態(tài)、水位信息，電源系統(tǒng)狀態(tài)，通道狀態(tài)及其它有關(guān)操作信息，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用于顯示器畫(huà)面更新、控制調(diào)節(jié)、記錄檢索、操作指導(dǎo)及事故記錄和分析。3）人機(jī)界面數(shù)據(jù)畫(huà)面

11、以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、模擬畫(huà)面等來(lái)形象的反映泵站的實(shí)時(shí)水位、電機(jī)運(yùn)行的電壓和電流信號(hào)，以不同顏色字符串顯示設(shè)備狀態(tài)或故障以及各種不滿(mǎn)足操作條件的提示等。運(yùn)行值班人員可以直接通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。4）統(tǒng)計(jì)和計(jì)算功能監(jiān)控系統(tǒng)還能對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，某些信息還將自動(dòng)提示給操作值班人員，統(tǒng)計(jì)的類(lèi)型包括設(shè)備正常及非正常投切次數(shù)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間等。對(duì)于各設(shè)備狀態(tài)還將進(jìn)行變位及變位時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成一覽表及日志，必要時(shí)還可產(chǎn)生報(bào)警。另外，系統(tǒng)還可以對(duì)泵站的運(yùn)行狀態(tài)作詳細(xì)統(tǒng)計(jì)記錄，并可以自動(dòng)生成運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表，還可以根據(jù)實(shí)際水位及水泵運(yùn)行情況計(jì)算抽水量并記錄。5）系

12、統(tǒng)自檢和故障處理監(jiān)控系統(tǒng)具備完善的系統(tǒng)自檢、診斷與自恢復(fù)功能，主要包括主機(jī)自檢、軟件任務(wù)超時(shí)處理及通道故障檢測(cè)，故障點(diǎn)能診斷到模塊。當(dāng)診斷到外圍設(shè)備故障時(shí)，能自動(dòng)將其切除并發(fā)信號(hào)，軟件超時(shí)還能實(shí)現(xiàn)部分功能軟件的故障自啟動(dòng)功能。通道檢測(cè)包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)、通信通道、I/O過(guò)程通道在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)的內(nèi)容有通道數(shù)據(jù)有效性合理性判斷、故障點(diǎn)自動(dòng)查找及故障自動(dòng)報(bào)警等功能。3.3VLAN劃分為限制網(wǎng)絡(luò)上的廣播，將網(wǎng)絡(luò)劃分為3個(gè)VLAN，集控中心、瓦塘分中心、林橋分中心各劃分至一個(gè)VLAN內(nèi)，以減少參與廣播風(fēng)暴的設(shè)備數(shù)量，提高局域網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)性能。分中心部署華為S3700交換機(jī)，而集中中心部署S5700。集控

13、交換機(jī)與分中心交換機(jī)通過(guò)Eth-Trunk組網(wǎng)保證可靠性。3.4控制安全性集控中心的功能包括對(duì)所屬泵站實(shí)行集中控制、實(shí)時(shí)采集各級(jí)電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)等。泵站的控制可分3個(gè)層次：各泵站LCU就地控制，分中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的廠站級(jí)控制，集控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制?？刂频臋?quán)限按就地、廠站、集控中心從高到低，控制權(quán)限可通過(guò)操作開(kāi)關(guān)和計(jì)算機(jī)軟件切換或閉鎖。從集控中心運(yùn)行人員在操作員工作站發(fā)出控制命令，到電站現(xiàn)地執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，中間要經(jīng)過(guò)多個(gè)計(jì)算機(jī)硬件和軟件及長(zhǎng)短不一的通信通道，它們的物理特性、軟件策略各不相同。為保證控制（包括負(fù)荷調(diào)節(jié)）的安全可靠，在集控中心設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)必須對(duì)整個(gè)梯級(jí)系統(tǒng)的控制安全性進(jìn)行認(rèn)

14、真、仔細(xì)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。集控軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)充分考慮了以下要點(diǎn)：1）控制和調(diào)節(jié)方式的切換應(yīng)有相應(yīng)的閉鎖條件，以保證電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)不產(chǎn)生波動(dòng)?？刂品绞降脑O(shè)定和切換應(yīng)不影響數(shù)據(jù)采集的進(jìn)行，包括各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，以及各級(jí)的數(shù)據(jù)采集。2）任何一級(jí)（LCU、廠站級(jí)、集控中心級(jí)）系統(tǒng)或通信通道的局部故障或重置，都應(yīng)保證整個(gè)系統(tǒng)的控制安全和穩(wěn)定。緊急狀態(tài)下，根據(jù)調(diào)度規(guī)程實(shí)現(xiàn)緊急控制。3.5人機(jī)界面設(shè)計(jì)集控中心包括24個(gè)規(guī)模各不相同的泵站，泵站內(nèi)的各種主輔設(shè)備、主接線(xiàn)等監(jiān)視操作畫(huà)面。各泵站的信息匯總到集控是大量的，人機(jī)界面如果不經(jīng)過(guò)認(rèn)真設(shè)計(jì)就提交給集控中心運(yùn)行人員，毫不夸張地說(shuō)，那對(duì)集控中心運(yùn)行人員將是災(zāi)

15、難性的。所以對(duì)貴港集控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)本著下面兩個(gè)基本原則：可立即找到想監(jiān)控的頁(yè)面頁(yè)面信息量要豐富如貴港庫(kù)區(qū)泵站分布圖，在此畫(huà)面匯總顯示了各泵站最重要的信息，如綜合故障、泵站水位、泵組運(yùn)行狀態(tài)，而且每個(gè)泵站顯示區(qū)域與該泵站詳細(xì)監(jiān)控畫(huà)面做了鏈接，可以一鍵打開(kāi)各泵站監(jiān)控圖，此畫(huà)面即是日常運(yùn)行人員最關(guān)注的監(jiān)視畫(huà)面，也是導(dǎo)航頁(yè)面。貴港庫(kù)區(qū)泵站分布圖，發(fā)現(xiàn)某一泵站綜合報(bào)警信號(hào)變紅（變紅表示有報(bào)警信息），點(diǎn)擊該泵站區(qū)域，即可調(diào)出該泵站監(jiān)控圖，如點(diǎn)擊瓦塘站，調(diào)出瓦塘泵站監(jiān)控圖，圖如下：該畫(huà)面匯總顯示泵站所有泵組的電流、電壓、故障報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)等詳細(xì)信息，并且點(diǎn)擊想要操作的機(jī)組，在控制權(quán)允許的情況下便可進(jìn)行對(duì)泵組的啟/停操作。4結(jié)語(yǔ)貴港庫(kù)區(qū)泵站集中監(jiān)控系統(tǒng)