3.1　閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1　系統(tǒng)概述

計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一種集狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、遠程控制、報警管理、運行管理等于一體的綜合性微機自動化系統(tǒng)。對管理區(qū)域內(nèi)的泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、變電所等設(shè)備實行監(jiān)控，實現(xiàn)了對全站絕大部分設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與實時控制，并能夠通過計算機網(wǎng)絡(luò)將泵站整體的運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)實時地上傳至上級管理部門，以便于流域調(diào)度并保障泵站更加安全、可靠、經(jīng)濟地運行。

高港閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用浙江中控研發(fā)的SUPCON JX－300X集散控制系統(tǒng)（DCS），它是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的新一代控制處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用分級分散控制、集中操作管理的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本要求為：采用統(tǒng)一的操作系統(tǒng)跟蹤多個分布的信息資源點，而這些信息資源點的操作監(jiān)控相互獨立，但又通過網(wǎng)絡(luò)得以相互作用。集散式控制處理系統(tǒng)采用現(xiàn)場設(shè)備控制單元、以太網(wǎng)、串口通信交互與現(xiàn)場總線互相結(jié)合的理論構(gòu)架，其目的是提高系統(tǒng)的可靠性與靈活性，原理構(gòu)架如圖3.2所示。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)將自動化、智能化的變配電系統(tǒng)、主輔機系統(tǒng)、閘門啟閉系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)代通信技術(shù)集為一體，實現(xiàn)對閘站所有設(shè)備的測量、控制、監(jiān)視、保護、管理等功能。具體監(jiān)測與控制的主要對象包括：①主水泵；②同步電動機；③供水系統(tǒng)設(shè)備：冷卻供水泵；④清污設(shè)備：清污機、皮帶輸送機；⑤110kV及10kV電源進線保護及測控設(shè)備；⑥高壓開關(guān)柜及保護設(shè)備、主變壓器、站用變、所用變、0.4kV開關(guān)柜；⑦蓄電池及直流系統(tǒng)設(shè)備；⑧逆變電源設(shè)備（UPS電源）；⑨泵站和水閘的閘門啟閉設(shè)備。

高港閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)整體指標(biāo)先進、網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范、實時性好，軟件系統(tǒng)組態(tài)靈活、界面友好、模塊功能齊全，且使用操作維護方便，有較高的信息化水平，確保了高港樞紐技術(shù)的先進性和運行中擁有較高的安全可靠性。

3.1.2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

浙江中控研發(fā)的SUPCON JX－300X集散控制系統(tǒng)（DCS），在整體結(jié)構(gòu)上采用三層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。

最上層為管理網(wǎng)，采用符合TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)，連接了操作站、工程師站、管理計算機等，是實現(xiàn)全所綜合管理的信息通道。

中間層為過程控制網(wǎng)（SCnet），采用符合IEEE 802.4協(xié)議的冗余令牌網(wǎng)，連接操作站、工程師站與控制站，傳輸各種實時信息。

底層網(wǎng)絡(luò)為控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（SBUS），采用主控制卡指揮式令牌網(wǎng)，存儲轉(zhuǎn)發(fā)通信協(xié)議，是控制站各卡件之間進行信息交換的通道。控制站I／O總線結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。SBUS總線是控制站內(nèi)部I／O控制總線，主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I／O卡通過SBUS進行信息交換。

SBUS總線分為兩層：

第一層為雙重化總線SBUS－S2。SBUS－S2總線是系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，物理上位于控制站所管轄的I／O機籠之間，連接了主控制卡和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，用于主控制卡與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡間的信息交換。

第二層為SBUS－S1網(wǎng)絡(luò)。物理上位于各I／O機籠內(nèi)，連接了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和各塊I／O卡件，用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡與各塊I／O卡件間的信息交換。

SBUS－S1和SBUS－S2合起來稱為JX－300 DCS的SBUS總線，主控制卡通過它們來管理分散于各個機籠內(nèi)的I／O卡件。SBUS－S2級和SBUS－S1級之間為數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系，按SBUS總線的S2級和S1級進行分層尋址。

各機組監(jiān)控單元與輔機系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、閘門啟閉系統(tǒng)的控制部分組成一個相對獨立的現(xiàn)地控制單元，各個現(xiàn)地控制單元通過網(wǎng)絡(luò)與位于現(xiàn)地控制系統(tǒng)上的監(jiān)控主機（上位機）進行連接，上位機與各個現(xiàn)地控制單元之間進行控制命令的下載與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳通信，現(xiàn)地控制單元在監(jiān)控主機的控制命令下執(zhí)行獨立的控制任務(wù)。就地控制層與泵站監(jiān)控層的交互結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。

在監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)地控制單元即LCU是泵站信息化系統(tǒng)的底層設(shè)備，主要針對特定的控制對象，如同步電機、變壓器、供水泵、開關(guān)柜、閘門、勵磁設(shè)備等，同時也負擔(dān)了絕大部分監(jiān)控及調(diào)節(jié)工作。它通過與不同模擬量測控設(shè)備進行組合，完成現(xiàn)場設(shè)備中各種數(shù)據(jù)的采集、處理及事件的記錄，信息的傳輸，設(shè)備的控制、保護等工作，且與上級機通過通信協(xié)議互聯(lián)，進行設(shè)備數(shù)據(jù)的實時更新與上傳。

3.1.3　系統(tǒng)主要功能

閘站計算機監(jiān)控系統(tǒng)將監(jiān)測、控制、通信、管理集為一體，實現(xiàn)如下主要功能。

3.1.3.1　數(shù)據(jù)采集、處理、儲存及分析功能

監(jiān)控系統(tǒng)能夠系統(tǒng)地采集閘站機電設(shè)備的實時數(shù)據(jù)與狀態(tài)信號，進行必要的數(shù)據(jù)處理并建立實時及歷史數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)進行分類、統(tǒng)計、分析，對關(guān)鍵信息需進行加密且自動生成相關(guān)報表或曲線，并為相關(guān)人員提供查詢及打印服務(wù)。

（1）采集的數(shù)據(jù)類型分電量參數(shù)、開關(guān)量參數(shù)和非電量參數(shù)。

1）電量參數(shù)：①主變壓器高、低壓側(cè)的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等；②站（所）用變壓器高、低壓側(cè)的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等；③高、低壓配電系統(tǒng)母線、線路等電壓、電流、有功功率、無功功率等；④主機組電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、勵磁電壓、勵磁電流等；⑤閘門啟閉機電機電流、電壓；⑥供水泵電機電流、電壓，清污機及輸送機電機電流、電壓；⑦逆變電源的電流、電壓，直流電源系統(tǒng)的各類電壓、電流等。

2）開關(guān)量參數(shù)：①主變壓器高壓側(cè)斷路器分合狀態(tài)、操作機構(gòu)儲能狀態(tài)、低壓側(cè)斷路器分合狀態(tài)、手車工作／試驗位置、斷路器操作機構(gòu)儲能狀態(tài)、隔離開關(guān)狀態(tài)、接地開關(guān)狀態(tài)、主變壓器中性點接地開關(guān)狀態(tài)；②站（所）用變壓器高低壓側(cè)斷路器分合狀態(tài)、手車工作／試驗位置、斷路器操作機構(gòu)儲能狀態(tài)、接地開關(guān)狀態(tài)；③主機組斷路器分合狀態(tài)、手車工作／試驗位置、斷路器操作機構(gòu)儲能狀態(tài)、接地開關(guān)狀態(tài)、勵磁工作位置、快速閘門控制柜斷路器狀態(tài)、閘門全開和全關(guān)位置以及與主機組控制操作相關(guān)的其他狀態(tài)信號；④輔機系統(tǒng)各種狀態(tài)信號；⑤各種狀態(tài)量的事故及故障信號等。

3）非電量參數(shù)：①主變壓器油溫、站／所用變壓器鐵芯及繞組溫度；②主機組定子線圈溫度、鐵芯溫度、導(dǎo)軸承溫度、推力軸承溫度、上下油缸溫度、葉片角度、轉(zhuǎn)速等；③供水母管壓力、流道壓力；④上下游水位、閘門開度等。

（2）數(shù)據(jù)處理。對模擬量進行數(shù)字濾波、合理性檢查、工程量單位變換、越限報警等處理。對開關(guān)量進行防抖動、硬件及軟件濾波、合理性檢查、變位報警等處理。

（3）計算或統(tǒng)計的數(shù)據(jù)：①上游、下游水位數(shù)據(jù)；②全站開機臺數(shù)；③統(tǒng)計單機及全站當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的運行臺時數(shù)；④計算單機及全站抽水流量；⑤計算單機及全站抽水效率；⑥累計單機及全站當(dāng)班、當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年的抽水量；⑦累計單機及全站的日、月、年用電量（有功、無功）；⑧計算水閘單孔過水流量、總過水流量；⑨累計水閘單孔及總的日、月、年過水水量等。

（4）記錄存儲的數(shù)據(jù)。實時存儲電量、非電量以及運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括：①對主機組、輔機、變配電、閘門、勵磁、直流等設(shè)備發(fā)出的各種控制及調(diào)節(jié)命令信息，包括命令時間、命令內(nèi)容、操作人員等信息；②開關(guān)量變位、復(fù)歸等相關(guān)信息；③各類故障和事故信息，包括故障和事故發(fā)生時間、內(nèi)容及特征數(shù)據(jù)等；④系統(tǒng)的自診斷信息，包括時間、診斷內(nèi)容、診斷結(jié)果等。

3.1.3.2　監(jiān)測功能

閘站監(jiān)測的主要內(nèi)容包括主機組、輔機、變配電、閘門等設(shè)備的運行參數(shù)和運行工況。發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)、運行參數(shù)越限或者參數(shù)變化值異常時，進行報警和相關(guān)信息顯示。監(jiān)視主機組開停機過程、變配電系統(tǒng)送停電過程、輔機設(shè)備啟停過程、閘門升降過程等。發(fā)生過程受阻時，給出報警提示和受阻原因。當(dāng)發(fā)生報警時，報警信息在界面上突出顯示。報警信息包括報警對象名稱、發(fā)生時間、性質(zhì)、確認時間、消除時間等。顯示顏色按報警類別確定。能通過報警窗口進行報警確認，包含該報警點的所有畫面上的對象或者參數(shù)也應(yīng)改變?yōu)閳缶_認狀態(tài)。

3.1.3.3　控制功能

此功能能夠自動根據(jù)閘站當(dāng)前的運行狀態(tài)，對所屬電氣設(shè)備、主機組、閘門等進行自動控制調(diào)節(jié)，具體的控制調(diào)節(jié)功能如下：

（1）采用現(xiàn)地控制、站控級遠程控制兩種方式對主機組、輔機、變配電設(shè)備、閘門等對象進行控制。兩種控制方式的優(yōu)先級由高至低為現(xiàn)地控制、站控級遠程控制。現(xiàn)地控制和站控級遠程控制方式轉(zhuǎn)換采用LCU上的硬件開關(guān)切換。

（2）能實現(xiàn)對主機組的開機順序控制、停機順序控制、事故停機順序控制、變配電設(shè)備順序控制等。實現(xiàn)水泵葉片的調(diào)節(jié)操作；實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)操作。

（3）實現(xiàn)輔機設(shè)備的操作和控制，包括供水系統(tǒng)啟停控制、排水系統(tǒng)啟停控制、消防供水系統(tǒng)啟停控制等。

（4）實現(xiàn)對主變壓器、站（所）用變壓器等變配電設(shè)備的投入和退出控制。

（5）實現(xiàn)對所有閘門啟閉控制，以及按給定開度、設(shè)定流量自動控制閘門升降。

3.1.3.4　數(shù)據(jù)通信功能

泵站的主控層、操作員站、各個現(xiàn)地控制單元能夠通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行通信，實現(xiàn)整個泵站的協(xié)調(diào)工作，達到科學(xué)管理的要求。

3.1.3.5　優(yōu)化調(diào)度功能

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)下達的優(yōu)化調(diào)度指令以及水泵機組的運行工況，通過自動控制技術(shù)自動調(diào)整水泵機組的運行工作點，保證水泵機組在高效工作區(qū)。

3.1.3.6　人機接口功能

人機接口功能分為監(jiān)控級人機接口和現(xiàn)地級人機接口。監(jiān)控級的監(jiān)視操作畫面包括電氣主接線圖、變配電系統(tǒng)運行監(jiān)控圖、機組運行監(jiān)控圖、全站溫度監(jiān)視圖、機組開停機流程監(jiān)視圖、勵磁裝置運行監(jiān)視圖、直流系統(tǒng)圖、監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖、冷卻水系統(tǒng)運行監(jiān)控圖、排水系統(tǒng)運行監(jiān)控圖、閘門運行監(jiān)控圖等。能夠提供主機組運行日報表、主機組溫度日報表、變配電設(shè)備運行日報表，以及泵站運行日報表、月報表、年報表等運行報表。

3.1.3.7　自診斷與自恢復(fù)功能

計算機監(jiān)控系統(tǒng)能對自身的硬件和軟件進行故障自診斷。LCU的CPU卡采用1∶1冗余，在主設(shè)備發(fā)生故障時，能自動切換到備用設(shè)備。監(jiān)控級具有計算機硬件設(shè)備故障、軟件進程異常、與LCU的通信故障、與上級調(diào)度運行管理系統(tǒng)通信故障、與其他系統(tǒng)通信故障等自診斷能力。當(dāng)診斷出故障時能報警。LCU能在線進行I／O模件異常、與其他智能測控設(shè)備通信故障等故障自診斷。當(dāng)診斷出故障時能報警，并閉鎖相關(guān)控制操作。

3.1.4　高港節(jié)制閘過閘流量自動調(diào)節(jié)控制的實現(xiàn)

目前，水閘的引流控制方式為現(xiàn)場手動控制和控制中心遠方控制，確定閘門開高的依據(jù)是：根據(jù)上下游水位組合情況和上級調(diào)度流量要求，對照始流時“閘下安全水位—流量”關(guān)系曲線，確定始流時可泄放的最大流量，然后根據(jù)調(diào)度要求的流量，從“閘高—水位—流量”關(guān)系曲線中查得閘門開高，當(dāng)調(diào)度流量大于始流值時，則必須分級開啟，引流流量必須與上游、下游水位相適應(yīng)，使水躍發(fā)生在消力池內(nèi)。開閘時應(yīng)由中間向兩邊依次對稱開啟，關(guān)閘時次序相反。

高港節(jié)制閘下游引水河道直接與長江相連，屬于感潮河段，水位變幅大，變化頻繁，傳統(tǒng)的控制方式無法動態(tài)跟隨水位變化，不能及時調(diào)節(jié)閘門開高滿足引水的流量要求，同時很可能造成超流量引水，破壞水閘穩(wěn)定和河道安全。基于上述情況，運用監(jiān)控系統(tǒng)SUPCON JX－300X DCS開發(fā)出高港節(jié)制閘過閘流量自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)定流量的自動控制，即上下游水位變化后，可以自動調(diào)節(jié)閘門高度，既能保障調(diào)度指令的嚴格執(zhí)行，又能促進水閘的安全運用，減輕運行人員勞動強度，實現(xiàn)真正意義上的水閘控制運用自動化。

高港節(jié)制閘自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.5所示，包括現(xiàn)場采集控制單元、控制中心操作單元，其中，現(xiàn)場采集控制單元負責(zé)控制程序的存儲和邏輯運算，控制指令的傳輸和執(zhí)行，信息的交互以及水位、閘高、電機電流、設(shè)備狀態(tài)的模擬和數(shù)字信號的采集，現(xiàn)場采集控制單元設(shè)有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、設(shè)備控制模塊；控制中心操作單元負責(zé)對現(xiàn)場采集控制單元采集到的信息進行組態(tài)，依據(jù)管理單元的指令對設(shè)備進行遠方控制、網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)測；控制中心操作單元與現(xiàn)場采集控制單元之間采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確保監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運行。

高港節(jié)制閘基于監(jiān)控系統(tǒng)，運用系統(tǒng)組態(tài)和控制算法流程圖，編寫自動控制程序，實現(xiàn)了過閘流量的自動調(diào)節(jié)控制。節(jié)制閘過閘流量自動調(diào)節(jié)控制算法流程如圖3.6所示。

用監(jiān)控系統(tǒng)流程圖軟件制作的自動控制流程界面如圖3.7所示，運行人員可通過“引流控制鈕”進行流量自動調(diào)節(jié)，還可對閘門進行提、落、停控制，或?qū)﹂l門進行定高度控制，界面顯示數(shù)據(jù)信息包括下游水位、上游水位、閘門高度、上級要求的日平均調(diào)度流量、值班員根據(jù)調(diào)度流量設(shè)定的設(shè)定流量、程序根據(jù)上下游水位和設(shè)定流量計算得出的閘門應(yīng)開啟的高度、程序根據(jù)上下游水位和當(dāng)前閘門高度算出的實際流量、閘門的運行狀態(tài)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)日平均流量、今日引水時數(shù)、今日引水量等。除流程界面外，系統(tǒng)對閘門開高、水位、流量等重要參數(shù)的趨勢變化進行跟蹤，以趨勢圖記錄，方便分析。

3.1.5　高港泵站X形流道雙向抽排及下層流道自流引江的實現(xiàn)

高港泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用浙江中控研發(fā)的SUPCON JX－300X集散控制系統(tǒng)（DCS），實現(xiàn)對變壓器、主輔機、閘門啟閉機及高低壓電氣設(shè)備等進行監(jiān)視、控制和管理。

高港泵站采用雙層X形流道，上下游側(cè)各設(shè)2個平面快速閘門，通過調(diào)節(jié)上下游側(cè)快速閘門，可實現(xiàn)抽引、抽排雙向運用，同時還可開啟泵站下層流道，實現(xiàn)自流引江160m3／s，上下游側(cè)快速閘門均可由微機集中遠程控制和現(xiàn)場控制箱手動控制。泵站站身剖面圖如圖3.8所示。

3.1.5.1　排澇功能

當(dāng)內(nèi)河側(cè)地區(qū)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害時，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的排澇工況、設(shè)備的運行狀態(tài)及開機排澇指令，首先開啟下層流道D閘門，將下層流道與內(nèi)河連通，然后在啟動機組的同時進行邏輯判斷和順序控制，自動開啟上層流道A閘門，當(dāng)機組正常運行時，水流經(jīng)D閘門被水泵機組抽到上層流道，通過A閘門排到長江，從而實現(xiàn)了泵站的抽排功能。機組運行狀況監(jiān)控界面如圖3.9所示。

3.1.5.2　灌溉功能

當(dāng)內(nèi)河側(cè)地區(qū)出現(xiàn)嚴重干旱災(zāi)害時，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的灌溉工況、設(shè)備的運行狀態(tài)及開機灌溉指令，首先開啟下層流道B閘門，將下層流道與長江連通，然后在啟動機組的同時，進行邏輯判斷和順序控制，自動開啟上層流道C閘門，當(dāng)機組正常運行時，水流經(jīng)B閘門被水泵機組抽到上層流道，通過C閘門排到引入內(nèi)河地區(qū)，從而實現(xiàn)了泵站的抽引功能。

3.1.5.3　自流引江自控功能

當(dāng)節(jié)制閘自流引江流量不能滿足內(nèi)河側(cè)地區(qū)的生產(chǎn)生活用水時，利用長江高潮位，打開內(nèi)河側(cè)下道D閘門，利用監(jiān)控系統(tǒng)的控制程序，設(shè)定引水流量，自動調(diào)節(jié)控制長江側(cè)B閘門，水流直接從下層流道引入內(nèi)河側(cè)地區(qū)，從而實現(xiàn)了泵站下層流道自流引江功能。下層流道自流引江監(jiān)控界面如圖3.10所示。

下層流道自流引江時，由于長江側(cè)（下游）水位受長江中游、上游暴雨、洪水和長江口海洋潮汐等綜合因素的共同影響，變幅大，變化頻繁，水位變化雖有一定規(guī)律，但不規(guī)則，傳統(tǒng)控制方式無法動態(tài)跟隨水位變化，不能及時調(diào)節(jié)閘門開高、有效控制引水流量，常常出現(xiàn)引水不足或超設(shè)計流量運行等情況，為確保下層流道自流引江安全、可靠、高效運行，開發(fā)了下層流道過閘流量自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

下層流道過閘流量自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定流量及上下游水位，不斷自動調(diào)節(jié)高度，但存在失控的現(xiàn)象，經(jīng)分析，產(chǎn)生失控問題的原因是下道閘門（B閘門）運行速度過快，計算機采集到閘門高度信號，發(fā)出停止指令到閘門實際停止有時間差，導(dǎo)致閘門實際高度與計算高度存在誤差，當(dāng)誤差超過一定值時，閘門就處于失控狀態(tài)。為了解決下道閘門運行速度過快的問題，對長江側(cè)閘門控制柜進行了改造，改造后的閘門控制原理簡圖如圖3.11所示，每臺控制柜增加一臺18.5／22kW的變頻器（電機額定功率為15kW）及27Ω、10kW的制動電阻，采用先進的變頻和可靠的控制技術(shù)，通過降低電源頻率來降低電機速度，電源頻率由50Hz降低為25Hz，閘門啟門速度降為1.34m／min，啟停控制高度誤差在1cm內(nèi)，達到了閘門自控預(yù)定的效果。