梯级泵站综合自动化的架构与实践_董雪旺.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期111文章编号：2095-6835（2023）03-0111-03梯级泵站综合自动化的架构与实践董雪旺，张林虎（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）摘要：以景电工程为例，分析了梯级泵站自动化技术的应用情况及其现状，表明自动化建设为景电工程的运行发挥了至关重要的作用。梯级泵站综合自动化的建设和实施是实现现代化灌区的一项举措，不仅可以有效提高工作效率，提升管理水平和服务水平，还使提水量增加，从而使灌区的经济效益和生态效益有所提升，为灌区脱贫攻坚起到至关重要的作用。关键词：景电工程；自动化；泵站；灌区中图分类号：TV675文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.034随着科学技术的飞速发展，互联网、计算机、信息处理、大数据、工业测控等新兴前沿技术不断应用到社会发展的各个领域，梯级泵站工程的智能化已成为水利工程管理的发展趋势。景电工程在泵站运行和灌区管理方面经过多年自动化升级改造及信息化系统建设，持续改进系统功能和优化结构，不断提升泵站智能化水平，基本建成了调度综合自动化运行管理模式。1梯级泵站自动化系统的架构梯级泵站自动化的实现有赖于以下4个方面功能：能够实现远程监视，实时观测前池水位和机组运行情况；可以实现自动化控制，通过远程联动操控设备开停；能完成现场数据的采集、处理与传输、分析等一系列功能；报警、事故处理等。这些功能的实现必须架构梯级泵站自动化系统，然而自动化系统的实现，就必须是硬件和软件系统有效兼容，再加之其他高新技术的融合。1.1系统硬件梯级泵站自动化系统是由调度中心控制站、泵站监控站及通讯网络组成的集散型控制系统。系统各组件在建设中要对其性能、规格和性价比等进行通盘考量以确保各组件集成在一起能够满足系统设计功能的要求。调度中心的控制功能由若干服务器和工作站以及显示操作设备实现，具体包括前置服务器、实时数据服务器、历史数据服务器和 web 工作站、维护工作站、报表工作站、报警工作站以及调度中心的综合显示操作站等。泵站监控站则由监控服务器、显示器和 PS 640U系列保护测控装置以及泵站视频监控子系统的前端摄像机、网络交换机、泵站存储设备等设备组成。除此之外，梯级泵站综合自动化的实现，还离不开其他辅助硬件，例如综合操显装置、自动控制设备、报警设备等。通讯网络的硬件包括光缆、各种交换机、远动通讯装置和嵌入式测控装置等。1.2软件系统1.2.1计算机监控系统景电工程监控系统采用 H9000V4.0 系统，该系统能够实现集中控制并执行具体操作，可以实现远程开关机组、启闭闸门等操作；并且还能完成诸如电压、电流等各类电气指标和参数的远程测量、传输；另外系统能够对非电量数据进行精准测量，包括压力、温度、压差、流量、水泵状态参数等1。此外，该系统也可以完成远程监视任务，能够对位置、故障预警和事故报警等进行采集和显示；系统在监测与控制方面表现出较强的适用性，同时还具有查询、通信、保护、存贮和统计分析等功能。计算机监控系统如图 1 所示。这套系统采用双以太网通信方式，使调度中心、泵站中控室和厂房运行层三级监控。系统具备自动控制生产过程的能力，可以对整个过程完成集中监测和分散控制，能够根据中心控制站、监控子站进行自动控制和分级控制，并在需要的时候允许现场手动操作。整个系统通过模块化设计使其自身具备了相当程度的升基金项目甘肃省水利科学试验研究及技术推广计划（甘水建管发202259 号，编号：22GSLK021）；甘肃省高等学校创新基金项目（编号：2022B-247）科技与创新Science and Technology&Innovation1122023 年 第 03 期级和扩展能力，使其具有更加理想的系统可靠性、安全性，还彰显出理想的灵活性、开放性和兼容性、适用性。图 1计算机监控系统1.2.2视频监控系统泵站视频监控系统由前端图像获取、网络存储处理平台和终端管理 3 部分组成，其中前端图像获取主要依赖于高清网络摄像机完成，图像由网络平台的服务器集群来实现，在终端管理部分则集成了客户端管理软件。在摄像机选型上统一选择高清网络摄像机来保证图像的质量，为了能够让监控实时性得以实现，在前后端设备和系统间建立了双向语音对讲系统，所有视频图像信息通过高规格双绞线和光纤进行传输，能够保证传输的效率和质量，另外控制中心软件系统具有操控声光铃和警示灯的功能。在对监控数据的存储和处理中采取了集中存储和分布式存储，保证了数据的安全和处理的灵活性，能够完成手动、定时、警报等等的控制实现2。1.2.3PS 640U 保护测控系统景电工程采购了国电南京自动化股份有限公司（以下简称“国电南自”）的 PS 640U 系列的测控系统用于高压自动控制监测，国电南自的这套测控系统主要有 4 种：PSL 641U 线路保护测控系统主要作用是线路过流保护、零序保护、过负荷保护以及低频减载、低压减载等；PSM 641U 电动机保护测控系统的作用是差动保护、差速保护、过热监测、过负荷监测和对电机的电压、电流的对比显示等；PST 645U 变压器保护测控的作用是对变压器过流、过负荷以及零流、零压进行保护，同时还对变压器电压和非电量等进行监测、控制；PSV 641U 母线电压保护测控的作用是对各母线的电压范围进行监测控制，确保母线电压处于一个合适的范围之内，从而确保用电负载的安全运行。2其他现代化技术在景电工程自动化系统中的应用景电工程在运行过程中，先后开展了灌区通信专用网、办公局域网、泵站综合自动化、水量自动计量、闸门远程监控、灌区用水管理、远程图像监控、水费管理等信息系统的建设。这套自动化系统彰显了时代性、先进性，在实际运行过程中还使用了一些现代化技术作为系统辅助设备，使系统迈入更加智能化的领域。2.1软交换技术的应用对于水利自动化系统而言，数据通信与采集属于一项重要工作，在此过程中，是以智能设备为主要手段，借助数据采集软件的智能化，体现出信息化网络的优势，以 TCP/IP 网络协议为基础，实现信息通信与采集的信息智能装置。调度中心监控层和泵站监控层均采用双以太网络结构；现地测控层采用嵌入式微机测控装置就地分散安装在高压配电设备上的方式，通过双以太网实现与泵站监控层和远程调度中心监控层连接，其他智能设备通过 RS-485 等现场总线或以太网实现与泵站监控层和远程调度中心监控层连接，然后通过交换机完成系统的数据处理。网络交换架构图如图 2 所示。图 2网络交换架构图2.2视频会议、通话技术的应用景电工程建成 45 个高清会场终端，采用 1080P 接入到视频会议控制中心，视频会议控制中心配置 1 台MCU、1 套会议管理平台。从视频会议终端的角度分析，其以非生产承载网为主要载体，使其与中心 MCU呈现连接关系，在上传信号的过程中，将接收到语音、视频等数据，对其完成编码工作后，通过网络传输到中心，实现了扩散与控制的目的。语音通信系统中将行政电话和调度业务电话进行物理分离，2 个子系统分别建立综合网管系统，保证 2个子系统在运行过程中互不干扰，同时也可有效对 2个子网的网络设备进行拓扑建设、配置管理、性能监控、安全保障和故障监测等管理工作3。此系统实现了业务内容的融合和创新，使得平台具备了多业务处理能力和多终端融合能力，也进一步保证了电话系统运行的安全性和可靠程度。2.3传感技术和自动计量技术的应用要实现景电泵站自动化就必须大量应用传感器和甘肃省景电二期泵站调度自动化系统总一泵站总二泵站总四泵站总三泵站总五泵站总八泵站总六泵站水位曲线灌区布置图控制权限水位监视总七泵站拦污栅压力监视系统配置总十三泵站总十二泵站总十一泵站总十泵站总九泵站光字牌泵站区间流量软拷贝浏览水泵性能曲线管道流量图流量棒图总干渠水系图泵站布置图GPS+北斗卫星对时历史、实时服务器1n网络打印机调度、维护、报表、报警工作站Web浏览远控服务器交换机检修队监维网防火墙景电专网隔离装置Web服务器调度大屏交换机数字矩阵以太网规约转换触摸屏泵站监控后台智能设备嵌入式测控装置以太网保护测控装置泵站1泵站N保护测控装置泵站监控1N公用单元RS-485总线高压单元Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期113自动测量技术，从而获取准确性高、实时性好的数据，一般采集的数据包括电量、非电量的模拟量以及其他开关量。可以说实施泵站自动化的基础在于传感器和自动测量技术的应用。在本系统中利用电量变送器来完成电量相关数据的采集，包括机组的有功功率、无功功率、功率因数、交流电压、定子电流、励磁电压和励磁电流以及站变的电压和电流等4。非电量数据的采集形式多种多样，例如采用水位传感器、压力变送器、各式流量计以及温度传感器、震动传感器分别来采集水位、压力、流量、温度和振动等现场参数。系统的开关量的采集通常利用信号继电器和断路器的辅助触点来实现，开关量的主要作用是反映系统中的设备、仪表和仪器的位置和状态，因此也被叫做状态量，它能够提供各种设备的开关闭合等状态信息，比如记录断路器位置、继电器的触头状态等等。2.4变频技术的应用景电工程对高压变频技术和泵站自动化系统的综合应用，使调度人员可以通过对水位变化的实时监测，结合实际运行情况远程调整高压变频机组工作频率，促使运行水位保持在合理位置。高压变频器调频精度通常为 0.01 Hz，其可以在一定范围内采用平滑的方式实施调节，有效解决了梯级泵站之间存在的流量不平衡问题，进而保证各梯级流量处于一个合理范围内的需求。3梯级泵站综合自动化在景电的实践成果经过综合自动化系统的建设和运用，推动了景电工程实现标准化、信息化与现代化、科技化的速度，对现代新型设施与技术的应用，更是提高了自动化和智能化的程度。3.1供水能力增强、效率提高当前，景电工程计算机远程控制系统可以对水泵进行整体分析、判断以及指导每个泵站的具体操作和运行，保证了稳定、高效、环保目的的实现，现代化技术的介入使灌区的供水能力得到保障，工程原有的设计流量、加大流量从原来的 33.33 m3/s 和 39.28 m3/s，分别提高到现在的 37.4 m3/s 和 43.8 m3/s，近 3 年平均提水量达到 5.74 亿 m3。同时节能降耗效果明显，一期工程每立方米水耗电量由 1.47kWh 下降到 1.32 kWh，下降了10.2%，二期工程由原来的 2.12 kWh 下降到 1.81 kWh，下降了 14.6%，年节电累计达到 0.94 亿 kWh。3.2安全、管理、服务综合能力提升景电工程合理利用现代化技术与手段，使 43 座泵站建筑物防洪标准都达到使用与设计要求，基础建筑物与设施 100%保持完好，安全运行率也达到了 100%。现代化技术应运于工程建设与管理机构，使工程建设更加规范，管理水平显著提高，泵站计算机监控系统和视频监视系统的运用，为景电“无人值班、少人值守”的示范泵站提供了技术支撑，极大提高了景电工程管理水平和应急响应能力，使灌区的服务水平得到了相应提高，群众满意度也得到提升。3.3经济、生态效益提升景电灌区灌溉面积由设计的 97.43 万 hm2，提升了30%以上，目前有效灌溉面积达到了 125.37 万 hm2；极大提升了灌区的综合生产力，统计数据显示，截至当前灌区粮油总产量达到 73.86 万 t，农业总产值达到18.86 亿元，同比分别上涨了 37.1%与 62.45%。景电工程近年来灌溉水的利用率有了很大提高，节约的水资源用于灌区生态恢复和改善，灌区的林地覆盖面积由原来的 8%提升到 14%，构建了灌区生态屏障5。4结语综上所述，随着社会发展和科技进步，景电工程凭借高标准、严要求，经过多年自动化升级改造及信息化系统的建设，取得了一些先进技术成果，也总结了不少成功经验。在促进农民持续增收、改善区域生态环境、优化区域水资源配置、统筹城乡和谐发展等方面发挥了重要作用。但是，为了达到较低能耗下最优效果和利益最大化的