计算机自动控制系统在两岔河水库的应用

张慧媛，曾凡诚，王 兵

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550000；2.贵州省贵阳市公安局出入境管理分局，贵阳 550081)

在时代发展过程中，自动化技术和计算机技术都在不断发展，在这种环境和大背景下，现代水库运行对计算机自动控制系统的要求也在不断提高，尤其针对中小型水库来说，计算机自动控制系统对水库的运行和维护有着及其重要的意义。传统的中小型水库需要有固定人员进行值班看守，而现代通信技术及计算机技术的飞速发展使得水库的运行管理无人化成为可能。计算机自动控制系统的应用，不仅可以实现水库的正常运行，同时对水库的长期运行维护有重要作用[1]。

1 概 况

两岔河水库工程地址选于余庆县关兴镇沙堆村香树坪组，水库规划坝址建于乌江一级支流觉林河沙堆村三岔河以上0.5km处，至余庆县约80km。

两岔河水库的建设目的是为乡镇供水及农田灌溉。可有效解决松烟镇集镇及周边农村生活、生产发展用水问题。本工程属中型，工程等别为Ⅲ等，工程规模为小(1)型。水库设置一座坝后泵站及一座提水泵站，提水泵站为两岔河泵站，装机容量为：(1×450+2×280)kW(280kW电机运行方式为一用一备)，采用10kV异步电动机；提水泵站为三尖土泵站，装机容量为：2×45kW，一用一备，采用0.4kV异步电动机。根据泵站的装机规模及用途，两岔河泵站主要供水对象为集镇，三尖土的装机容量较小，因此两岔河泵站、三尖土泵站负荷均按等级按三级考虑，采用一回10kV电源供电方式，两泵站之间间隔6km左右。

相对于人工看守监控来说，引入计算机自动控制系统对水库的进行日常运行和管理，在泵站运行、提水及坝区闸门的开闭过程中，能更准确的监控机组和闸门的运行状况及水位、水情状况，尽量避免水资源的浪费，提高水库运行的安全性，提高工作效率，降低人工劳动成本。

一般来说，水库计算机自动控制系统由计算机监控系统、计算机继电保护系统、计算机直流系统、计算机视频监控系统等模块构成[2]。

因此，根据余庆两岔河水库的特点，按“无人值班，少人值守”运行方式设计，采用计算机自动控制方式，对两个泵站全站机组、变压器、公用设备及坝区闸门运行、配电系统运行等进行自动化监控，以实现水库的联合调度和优化运行，确保水库安全、平稳、经济运行。

2 水库计算机监控系统

2.1 水库计算机监控系统整体设计

水库采用集中监控方式，监控系统采用星形光纤单网结构[3]，且按分层分布式结构布置，分设主控级和现地单元控制级，上下级间采用光纤以太网通信。计算监控系统结构详见图1。

图1 计算机监控系统结构图

在两岔河泵站设置集控中心，通过网络各个模块连接，并将控制权分为远程调度层、泵站监控层、现地控制层。监控层是监控系统的核心，设备布置在中央控制室内，可对两岔河泵站、三尖土泵站、坝区的运行过程进行数据采集、分析并形成报表；远程调度层可监测两座泵站和坝区闸门、设备实时运行状态并下达调度命令；现地控制层分别设在泵站机组旁及坝区配电室内，实现现地设备的自动监控。

两岔河泵站具备对三尖土泵站、坝区闸门及电气设备进行远程监视的功能，三尖土泵站设备信息通过无线网络送至两岔河泵站，坝区闸门、电气设备信息通过光纤送至两岔河泵站。

2.2 水库计算机监控系统模块设计

2.2.1 监控层兼远程调度层

监控层是水库计算机监控系统的核心，承担了水库的日常运行过程的监控、数据收集、存储、汇总打印、通信调度等核心功能[4]。两岔河泵站监控层兼远程调度层，设置1台操作员工作站、1台工程师工作兼操作员工作站、1台通信工作站、1台打印机、网络交换机、GPS时钟、无线通讯管理器等。

主控级除负责全站监控工作外，同时负责与调度中心及其它系统通信的工作。中控室仅设置必要的供紧急操作的按钮及开关，运行人员通过中控室上位机，依靠显示器和键盘、鼠标实现对全站设备的监控。两岔河泵站监控层兼远程调度层除具备一般泵站监控层功能外，还应具备下列功能：

1)对三尖土泵站的远程监视。

2)对坝区闸门及电气设备的远程监视。

3)流量平衡、联合调度与优化运行。

4)站间通信。

5)与其他系统通信。

2.2.2 现地控制层

三尖土泵站两台低压机组配置一台机组LCU。两岔河泵站三台高压机组分别配置一台机组LCU，公用设备设置一台公用LCU。

泵站监控层通过光纤以太网的方式与两岔河现地LCU进行通信。

1)机组LCU：

机组LCU配置以太网模块，实现与主控级通信的功能；同时，每套机组LCU均配置一台网络管理单元，通过串口实现监控机组的微机保护装置及其它自动安全装置通信的功能，同时将相关数据通过以太网模块，传送至泵站监控层计算机。

机组LCU主要完成监控机组的数据采集以及预处理功能，同时也可以对机组进行现地控制、操作及监视。同时也需针对它与系统脱离及重新建立联系的情况下所应具备的功能进行设计，使其在脱机状态下仍能对机组进行必要的监视和控制，包括机组的启动及停止操作、监视机组运行状况及参数。当故障排除，重新建立联系后又可自动地服从上位机系统的控制和管理。

2)公用设备LCU：

两岔河泵站配置一套公用LCU，布置于中控制室内，用于对泵站公用设备进行监视和控制。LCU配置以太网模块，能直接与主控级通信；同时配置一台网络管理单元，实现对公用系统的智能数据进行采集的功能，并具备与直流系统及其它公用设备及装置进行通信，同时将数据发到主控层计算机的功能。

三尖土泵站设置一台现地LCU，同时配置无线通讯管理器，相关数据通过GPRS/4G/5G网络传输至主控级上位机。

3) 坝区LCU：

坝区配置一套LCU柜，布置于坝区低压配电室内。坝区LCU与两岔河泵站上位机通信通过光纤以太网实现；LCU柜内配置一台网络管理单元，通过串口与坝区智能设备进行通信，将数据及时发送到主控层计算机。

2.2.3 自动化元件

机组自动化元件按无人值班(少人值守)的原则进行配置和选型，满足自动化和安全监控的要求，实现少量操作指令即可完成机组工况的转换。

机组各测温点配备测温元件，供温度监测和保护，其它非电气量运行参数应通过相应的变送器转换成4mA-20mA的模拟量或通过通信总线送给单元控制级LCU。

3 水库计算机继电保护系统

传统的继电保护装置通常采用整流型或晶体管型，调试工作量大。而计算机继电保护仅采用一台计算机完成保护工程，通过相应的程序实现各种复杂的功能，简化调试程序，且具有自诊断功能，大大减少了运行维护的工作量。目前，计算机保护装置均采用模块化设计，按使用场景的不同配置相应的模块，成套的计算机保护装置，为设计、运行、维护、调试人员的工作带来了极大的便利。

两岔河水库主要电气设备的继电保护和安全自动装置按《电力装置继电保护和自动装置设计规范》(GB50062-2008)和《水利水电工程继电保护设计规范》(SL/455-2010)的要求进行配置，各保护均采用微机型成套保护装置。电气主要元件的保护配置如下：

3.1 两岔河泵站

10kV线路保护(包括三段式过流保护、过负荷保护、低周减载功能)；10kV无功补偿断路器保护(包括限时电流速断、过电流保护、过电压保护、低压保护、不平衡电压保护、单台电容器专用熔丝保护)；10kV电机保护(包括三段式过流保护、过负荷保护、过热保护、低电压保护、 过电压保护、非电量保护)；站用变保护(包括限时电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、低压侧零序保护、非电量保护)；小电流接地选线装置；电弧光保护装置；微机消弧消谐装置。

3.2 三尖土泵站

10kV无功补偿断路器保护(包括限时电流速断、过电流保护、过电压保护、 低压保护、不平衡电压保护、单台电容器专用熔丝保护)；0.4kV电机保护(电动机电流速断保护、定子绕组低电压保护、相电流不平衡及断相保护、定子绕组相间短路保护、定子绕组单相短路保护、定子绕组过负荷保护)；小电流接地告警装置；电弧光保护装置。

4 计算机直流系统

两岔河泵站控制电源采用直流电源，配置一套交直流一体化电源系统进行供电。三尖土泵站因规模较小，控制电源均采用交流220V，不设直流系统，选用一套不<3kVA 的UPS电源作为备用电源。

4.1 直流系统部分

直流系统采用单母线接线，采用220V直流供给泵站计算监控、继电保护、自动装置、事故照明及断路器合闸等直流负荷。以单回路辐射型给保护屏、LCU屏和自动装置等集中布置的设备供电；以双回路环网方式给10kV开关柜供电。

直流电源部分配置高频开关模块电源1套，4只10A充电模块，绝缘监测装置1台；通信电源部分配置220V/48V DC/DC电源模块3只，额定电流20A。直流馈线开关报警接入直流系统综合监控单元，监控单元、微机直流系统绝缘在线监测装置分别通过内部RS485通信线接至一体化电源系统监控系统主机，监控系统主机通过RS485通信接口接入计算机监控系统。

泵站配置200Ah/220V蓄电池一组，蓄电池均采用2V，104只全密封免维护铅酸蓄电池，构成无端电池直流系统。

4.2 交流不间断电源部分

泵站监控系统、遥视系统等交流工作电源，均采用经站内直流逆变后的电源。泵站选用6kVA UPS 2台，逆变器直流由泵站直流系统取一路电源，经逆变后输出AC220V交流电源。逆变电源配备逆变监控器，对直流逆变电源系统工作状态进行监控，进出线开关报警接入点应接入逆变监控器，逆变监控器过内部RS485通信线接至一体化电源系统监控系统主机，监控系统主机通过RS485通信接口接入计算机监控系统。

5 计算机视频监控系统

水库设置视频监控系统的目的是对整个水库枢纽进行全方位的监控和管理，工作人员在集控中心通过视频监控系统能够直观地观察整个水库的运行状况，减少运行值班费用。因此，在两岔河泵站内设置一套计算机视频监视系统，对主厂房、高/低压配电室、主变、控制室等房间内部情况和设备的运行操作情况进行监视。摄像头分为固定式及旋转式，合理分布在泵站的主厂房及副厂房内，随时发现和及时处理问题，将故障造成的损失降到最低。

计算机视频监视系统主机设在泵站中央控制室内，同时配置大屏彩色显示器，运行人员可以通过显示器可以站内设备的运行状况和站内安防情况进行实时监视并进行相关纪录。泵站运行维护人员通过业务台或监控主机对监控范围目标区域中的设备或现场进行监视，同时在业务台或监控主机上完成对摄像机的控制(左右、上下、远近景、调焦等)，画面切换的控制和录像控制。坝区通过光纤将视频图像传输至两岔河泵站集控中心，并可在集控中心进行监控。三尖土泵站的视频图像通过无线网络传输至两岔河集控中心。

三尖土泵站设置3个室内摄像头数量，用于监控厂房内部及电气设备运行情况；两岔河泵站主、副厂房摄像头数量按18个配置，用于监控厂房内部、全站机组、电气设备运行状况；坝区摄像头数量按8个配置，用于监视库区、取水口启闭机室及溢洪道的状态。

6 结 语

根据两岔河水库的工程特点和管理维护要求，应用计算机自动控制技术能够有效解决水库内部泵站位置分散、调度运行及管理不便等方面的问题，实现对水库运行状态的实时监测和调度，提高泵站及坝区设备的运行效率和安全性，为水资源的优化配置和提高水库工程信息化、现代化管理水平创造了条件。