南水北调中线干线工程闸站监控系统初探

吴少华，薛 伟

（南水北调中线干线工程建设管理局河北直管项目建设管理部，050035，石家庄）

南水北调中线干线工程是缓解京、津、冀、豫等北方地区水资源短缺状况，优化我国水资源配置的一项战略性基础设施工程。中线干线工程全长1 431.945 km，输水干渠包括总干渠和天津干渠两部分。总干渠自陶岔渠首至北京团城湖长1 276.414 km，其中河南段长731.722 km，河北段长464.640 km，北京段长80.052 km。天津干渠起于河北省徐水县西黑山村北的分水闸，终止于天津外环河，全长155.531 km。总干渠输水形式以明渠为主，自陶岔渠首至河北段为明渠，北京段和天津干渠采用管涵方案。渠道运行控制采用节制闸闸前常水位的实时闭环自动控制方式，主要利用地势条件，基本实现自流输水。

南水北调中线干线工程建设期项目法人为南水北调中线干线工程建设管理局，建设完成后将采用公司管理的运营模式，分为1个总公司和5个分公司。为了对南水北调中线干线工程进行全面、系统的管理，按统一调度层、管理执行层和现地操作层设立三级管理机构。

一、输水模式

南水北调中线干线工程从丹江口水库陶岔引水闸至北京惠南庄泵站约1 200 km，采用明渠输水，沿线无调蓄设施。水量调度与输水控制通过沿线分水口门、节制闸、退水闸、排水闸及惠南庄泵站等控制类工程实现，因此，根据水量调度需求及工程实际，对沿渠各类闸站实现全线闭环自动控制是安全可靠输水的基本需求，也是闸站监控系统建设的核心任务。

当调度系统根据水源来水和沿程需水申请，确定实时调度方案后，闸站联合控制模型根据调度方案指标和当前渠道供水状况，给出各个闸的开度控制指令，闸站控制系统将闸站开度控制指令自动下达到相应的闸孔,控制闸门启闭，同时，将闸门启闭后渠道输水状态反馈给闸站联合控制模型，提出新的闸站开度控制修正指令，直至平衡实现调度指标，构成闭环自动控制。

二、需求分析

为实现全线自动化统一调水过程，系统采用全线水量调度和闸站监控一体化调度控制作业，对全线实行统一调度，所有闸站实行统一控制，保证全线渠道水位保持在一个目标水位下。

1.控制功能需求

根据管理处和现地站所具有的业务，均需要闸站监测功能。具体功能需求如表1。

①身份验证：要求通过用户输入用户名和密码，能够对用户身份进行确认，并赋予用户相应权限，能够进行相应操作。

②控制：要求能够根据用户下达的各种控制指令，向PLC发送闸门启闭命令。

③运行状态：要求能够根据用户的监控范围，以图表的方式显示所有闸站的运行状况。

④实时监测：要求能够按照用户选择，显示单一闸站的实时监测数据。

⑤告警：要求能够实时监测用户管辖闸站的告警信息，并以表格的形式显示。

⑥查询统计：要求能够根据用户的选择，查询闸站的基本情况、最新情况、历史数据、控制记录，以图表形式统计水量和运行情况。

⑦模拟：要求能够根据用户的选择，模拟显示单个闸站水位变化或一段渠道的水面线变化。

⑧趋势：要求能够根据用户的选择，显示单个闸站在一段时间内水位、流量、电压、电流的变化趋势。

⑨管理：要求能够对系统用户、运行参数、代码等进行管理，对PLC和远程监控软件进行远程维护。

⑩PLC测控：要求PLC系统具有数据采集与处理、闸门控制、安全保护等功能。

2.数据需求

干渠上参与控制的闸站有：节制闸、分水闸、退水闸、工作闸、倒虹吸和泵站，每个采集站点采集的信息内容和具体要求如下：

（1）数据采集内容

每个采集站点要采集的监控信息主要包括：闸前水位、闸后水位、流量、闸门启闭状态或液压机状态、开启高度、电流、电压、温湿度、限位保护、荷重保护、相序故障、PLC状态等。

（2）具体要求

①闸（泵）站信息采集应能以秒级粒度完成闸（泵）站实时运行信息采集、控制信息采集。

②要求实时采集闸（泵）站运行及其相关数据，并进行汇集、处理、存储。

③要求有完善的安全机制，保证对闸门(泵机)控制的安全。

④要求有完善的访问机制、访问接口和信息流程，应对上级系统访问。

三、设计方案

闸站监控系统是“南水北调中线干线自动化调度与运行管理决策支持系统”关键系统之一，担负着全线所有闸站的生产运行任务。在设计中应本着安全输水、精确量水的思想，结合工程条件、机构设置和管理要求，制定出完善的控制策略和存储机制；运用先进的三层架构，构造高效、快捷的监控服务体系；将闸站抽象为监控对象，作为监控服务的基本单元，既便于运行维护，又便于系统集成；根据生产运行的实际需要，合理设计系统的冗余和安全；根据系统特点，设计友好简洁的用户界面，做到操作方便快捷。

表1 各级管理机构功能需求表

图1 闸站监控系统结构图

1.监控机制

按照总控制方式，闸门控制分为手动和自动两种。手动方式下，只有在现地通过手动装置才能够进行闸门控制。自动方式又分为远程和现地，现地方式下，只能通过现地工控机或现地手动装置进行闸门控制；远程方式下，总公司、分公司、现地站均可进行闸门控制。

系统在正常情况下，控制方式应该为远程方式。根据调水业务需要，正常情况下，只有总公司、分公司和现地站有控制权，且现地站级别最高，总公司次之，分公司最低。一般情况下，闸站按照总公司或分公司下发的调度指令 （日流量曲线）对闸门（泵）进行启闭操作，以满足沿线分水和等水位控制要求。当遇到紧急情况时，闸站可根据实际情况，对本闸站进行启闭操作，并发出告警信息，报告紧急情况和处理操作。

2.系统总体构成

闸站监控系统分为远程闸站监控系统和现地站监控系统。远程闸站监控系统又分为总公司、分公司、管理处三级远程闸站监控子系统和监控服务共四部分。

远程闸站监控系统构架于统一监控服务平台之上，监控服务平台是总公司、分公司和管理处三级远程监控子系统运行的基础，它分布于总公司、分公司和管理处三级监控节点，是分布式监控平台，各监控平台节点按照统一的协议进行通信和交互，为闸站对象和各级远程监控系统提供监控和数据库服务。系统结构如图1所示。

①现地闸站监控子系统

现地闸站监控系统共有监控站点261个。每个监控站点配置一台工控机（退水和排冰站除外）和一套PLC，各监控站点的采集设备，通过各自电缆线连接 PLC，PLC和工控机均接入通信机房交换机，构成现地站局域网，组成现地闸站监控子系统。

不同类型闸站，监控内容不尽相同，应根据水量调度、生产运行和闸站类型确定内容。系统监控的站点大部分为涵闸，涵闸监控至少应包含以下监控内容：闸前水位、闸后水位、流量、闸门启闭状态、开启高度、电流、电压、温湿度、限位保护、荷重保护、相序故障等信息。为了保证干渠水位测量的安全、准确、可靠，在节制闸的闸前和闸后各设两个水位测量点，分别测出两个闸前水位和闸后水位，以消除横比降并互相作为冗余配置；退水闸只测量一个闸上水位，不测闸下水位，其他类型的涵闸测量一个闸上水位和一个闸下水位；节制闸和分水闸测量流量，退水闸和倒虹吸工作闸不测流量；按照闸门个数来测量闸门开启高度。

节制闸和倒虹吸工作闸使用的是液压启闭机，其监控内容应包括液压系统运行信息。分水阀监控内容较少，只监控分水流量和阀门开启状况。还需要监测每个闸站0.4 kV系统的电流、电压和运行状况以及中心开关站电流、电压和运行状况。

②远程闸站监控子系统

系统采用三层架构模式。三层架构分别为表现层、业务层、数据源层。其中，业务层又可分为两个子层：监测、控制逻辑子层和数据访问子层。

表现层是系统的外观，它调用业务层的各项功能，依赖于业务层。从直观上来说，表现层负责用户和系统的人机交互界面，以及与调度系统的调用接口。其中调度系统接口包括调度目标接口、控制指令接口、告警设置接口、历史数据接口和实时数据接口，闸站监控系统界面包括身份验证、数据监测与告警、闸门控制、告警设置、数据检索和系统管理等功能。

业务层界于表现层和数据源层之间，处理表现层所有需要的业务逻辑、计算与数据源交互的数据访问等系统核心内容。

数据源层负责数据的存储和管理。在该系统中，数据的来源有两类：数据库数据和PLC及泵站接口数据。

远程监控系统可以实现与调度系统进行数据接口、身份验证、闸站信息采集与告警、闸站控制、信息存储、信息查询与检索、系统管理等功能。

四、结 语

南水北调中线干线工程闸站监控系统在“南水北调中线干线自动化调度与运行管理决策支持系统”中承担着非常关键的作用，闸站监控系统的成功与否关系到自动化调度系统能否成功运行，因此，必须采用合理、科学、实用的设计思想，才能确保闸站监控具有先进性、实用性，才能满足南水北调中线干线工程复杂的调水需要。

[1]杨开林.关于“数字南水北调工程”的设想[J].中国水利，2003（5）.

[2]董延军，蒋云钟，韩亦方，等.南水北调中线供水调度特性浅析[J].中国水利，2007（4）.

[3]张瑜洪.统筹规划 开拓创新 推进南水北调工作深入开展——访水利部南水北调规划设计管理局局长祝瑞祥[J].中国水利，2011（24）.

[4]李清林.科学统筹 全力攻坚 努力实现水利发展改革新突破[J].河北水利，2010（3）.

[5]吕书广，刘萍萍.南水北调建管单位质量管理工作探讨[J].河南水利与南水北调，2011（23）.