沁水县张峰水库水源工程数据管理与控制系统设计方案

庞宇林

（晋城市水利勘测设计院 山西晋城 048026）

能量管理系统EMS(energy management system)包括四个系统：数据采集与监视控制系统（SCADA）、经济调度控制系统（EDC）、安全分析系统（SA）和高级设备管理系统（AMS）。

水网调度的能量管理系统包括：拓扑分析、状态估计、潮流计算、静态安全、最优潮流、设备管理等系统。

建设水源管理系统的目的是为了水资源合理调配，达到水网平衡、系统安全运行、实现配方管理和配方运行的最佳经济运行模式。

系统的建设中使用统一的标准，统一的结构，强大的冗余功能才能为今后“数字化水务”系统建设中减少设备的重复投资，合理利用资源做好基础工作。

1 水源管理调控平台基本组成

水源管理调度平台主要包括：监控调度信息系统、水源监控系统、泵站监控系统、AMS设备管理系统、管网安全监控系统、数据归档系统、数据灾备中心、数据共享及发布系统、数据报表分析系统、远程视频监控系统、授时中心、管网地理位置信息系统、远程调度VOIP系统、网络安全管理系统、管线巡检单兵等多个系统组成。

SCADA/EMS系统是建立在一个集成多业务多功能平台上的管控中心。沁水县张峰水库水源工程SCADA/EMS系统的建设应当在一个多业务、多功能的属于整个晋城市水网能源管理系统的系统平台框架基础上建立。在不同时期根据相应的任务完成相应的功能模块，系统建设遵循SCADA/EMS系统的设计框架、统一的数据结构及通讯规约，为今后城市“数字化水务”奠定良好的基础。

2 系统设计原则

沁水县张峰水库水源工程SCADA/EMS系统建设将为今后“数字化水务”项目中的一个子项目建设方式。系统遵循：安全性、先进性、实用性、通用性及可冗余性的原则作为设计导向，为整个张峰水库水源SCADA/EMS系统工程搭建一个能安全、合理、经济的数字化运行管理平台。

3 系统结构

整个系统由张峰水库水源监测系统、一二级泵站监控系统、调节水池以及县末端水厂蓄水池监测系统、AMS设备管理系统以及报表数据分析系统组成。

4 分系统功能描述

1）张峰水库水源监测系统主要由在线水质监测系统、水库水位以及淤积监测组成。

（1）在线水质监测系统是为了用水安全建立的，按照国家颁布的标准测定方法对水温、pH、三态氮（硝态氮、亚硝态氮、氨氮）、总磷、COD、BOD5、TOC、TN、金属离子（铜、锌、硒、砷、汞、镉、铬（六价）、铅）等项目实时在线监测。由于在线水质监测系统的投资较大，根据该项目的投资预算，在线水质检测系统可以使用常规定时人工方式的水质监测方法对水源做水质监测工作，但是在系统中预留在线水质监测端口，具有人工水质监测数据录入及分析功能。

（2）水库水位监测以及淤积监测使用多点位多个传感器完成测量工作，保证泵站进水口不出现淤积堵塞，保证减少进水泥沙含量。

2）一二级泵站监控系统主要是：水泵电机运行电参数监测系统、主备泵自动切换系统、水泵运行安全监测系统、工艺数据采集系统、水泵及阀门控制系统、变电站监测系统。其中除了变电站由变电站综合保护系统提供检测功能外，其余的系统由一个SCADA系统组成。

（1）水泵电机运行电参数监测系统是通过电机综合保护器对电机实现过载、过流、欠压、过压、欠流、短路、缺相、漏电、相位等综合保护的同时为泵站系统提供电机运行数据。

（2）水泵运行安全监测系统的主要功能是通过在泵组上建立一套机组状态监测与跟踪分析系统，实现对泵组(包括水泵和电动机)的在线监测、分析与诊断功能，并将数据在网络上与AMS设备高级管理维护系统连接，能使运行管理部门、设备管理及维护工作部门在网络上都可有效地对机组状态进行监测分析，读取相应的自动诊断状态报告，以尽早发现潜伏性故障，提出预警，避免发生严重事故，保证机组的安全、经济运行，提高经济效益和社会效益，同时促进实施泵站“无人值班(少人值守)”的管理模式。

A、水泵安全运行主要的监测项目有：水泵和电机的轴XY向摆度、水泵轴承座XY向振动、水泵水导端盖处振动、泵壳振动、电机轴承座处振动、液控蝶阀出口压力、水泵进口压力、水泵出口压力、水泵出口流量、水泵及电机的轴承温度、转速转向、电机转子及定子温度等数据。

B、在系统运行中，为了防止水锤发生，系统中使用了液控逆止阀。在系统出现故障或主备水泵切换时，为了防止液控逆止阀失效，整个系统的软件中必须具有ESD功能的紧急故障处理程序，由于系统中使用的阀门开关速度没有液控逆止阀快，但紧急停车模块作为二次保护功能模块会增加系统运行安全性。

C、水泵运行安全系统其中有一部分为泵房安全，泵房安全常规安全措施是消防安全。消防安全的重点主要应具备火灾监测和控火灭火设备。对于有人值守的泵房应当具有泵房环境监测系统。主要用来监测现场环境的有害气体、空气中的氧气及二氧化碳含量、环境温湿度等威胁人身及设备安全的环境数据。现代化的泵房大部分为无人值守方式，由于该项目设计的泵房高度低于取水的水平面，在出现建筑结构破坏、设备破损和维修泄漏时很容易将水倒灌至泵房，会对泵房的工作人员及设备造成安全隐患，所以泵房应当具有自动排污系统，在泵房的最低处设置污水池以及两台以上高效排污泵，在SCADA系统中能实时监测排污泵及污水池水位状态，通过对排污泵及污水池的数据监测能及时预知泵房结构及设备的安全运行情况。

（3）工艺数据采集主要是：进出口压力、瞬时流量、累计流量、温度等数据的采集，其中流量计尽量采用智能流量计，一台设备能同时采集多个值，即使在系统故障时也能单独运行，为今后计量计费数据做有力保障。

（4）水泵和阀门的控制系统属于整个SCADA系统中末端的执行子系统，它依据现场的工艺数据、安全数据以及操作人员的指令和配方操作指令系统对水泵电器、阀门和电源的手动及自动操作进行调节。这个操作系统基本操作程序必须具有互锁、连锁防止误操作的功能，比如一键启动、紧急停车和主备快速切换功能。

（5）变电站的监控系统按照国家标准由变电站综合保护装置完成，其中的电参数由变电站综合保护装置采集，为SCADA系统提供数据接口，实现变电站的远动功能。后备电源主要由直流屏、监控机房UPS和后备发电机组成，设备的运行数据和电源的远程监测及快速切换统一由SCADA系统完成。备用发电机应当具有快速自启动的功能，并且备用发电机的功率应满足自动排污系统的功率需求。

3）调节水池和末端水厂蓄水池检测系统主要检测水池的水位以及淤积数据，用来监测库容量，为水网平衡调节做基础。

4）系统的报表及数据统计分析是能源管理系统中最为重要的人机交互、数据分析功能模块，其中报表和数据分析的格式应当为开放的自由编辑方式，以便于根据不同的数据结构做出不同的分析结果。所有的报表应当能兼容Microsoft Excel，以Excel Report的形式直接设计一种功能强大的报表生成器。在Excel中，可以简单、方便地直接创建模板。若针对某个确定的时段创建报表，则系统可以访问相应模板，并使用过程数据库中的数据自动填写该模板。另外，也可以根据时间对报表的创建、打印和存储工作进行控制，无需任何用户干扰。

5）设备高级维护套件(AMS)是一种进行参数设置的便捷工具，可高效地规划、管理、执行和控制维护工作以及故障补救。它不但可以节省成本，提高系统质量，而且还可使用SCADA进行扩展。其具体功能如下：

（1）获得所有事件的概述（事件概述）。

（2）自动生成作业指令（作业指令）。

（3）记录每个应用程序的工艺路线（操作规划）。

（4）定义正常情况下将执行的操作（升级方式）。

（5）优化备件库存（备件优化）。

（6）确保系统质量的稳定（质量保证）。

（7）通过单击按钮检索知识（知识库）。

（8）更高效地控制维护任务（维护管理）。