东深供水改造工程计算机监控子系统.docx

东 深 供 水 改 造 工 程 计 算 机 监 控 子 系 统 (深圳市东深电子技术有限公司, 0755-26611488 ) 1 概述1.1 工程概况东深供水改造工程是由东江取水,经四级泵站提升加压,采用专用输水管道向香港、深圳以及工程沿线东莞城镇提供饮用原水及农田灌溉用水的跨流域大型调水工程。供水管路总长60多公里，沿线设太园泵站（6台异步2800KW全调节泵组，其中1台备机）、莲湖泵站（8台3000KW全调节泵组，4台同步、4台异步其中2台备机）、旗岭泵站和金湖泵站（每站为8台5000KW全调节泵组，4台同步、4台异步，其中2台备机），另外有36个分水点及两个110KV供电电源点。1.2 全线计算机监控系统的网络结构及特点1.2.1 网络结构实现全线监控系统按“无人值班、少人值守”的设计原则进行。采用开放、分层分布式计算机系统。整个系统由调度中心层-粤港供水调度中心、泵站控制层（太园、莲湖、旗岭及金湖泵站）、现地控制层（泵组LCU1-8、变电站设备及共用辅助设备的LCU9-10单元，36个分水点和两个110KV电源点设备的RTU单元）构成。全系统的网络结构及设备配置见图1所示。整个计算机监控子系统的专用广域以太网络由三个层次实现:在调度层，采用两个冗余的核心路由交换机Cisco 4503，通过光纤与太园、莲湖、旗岭、金湖泵站组成骨干网，实现4个泵站VLAN之间的数据交换。在泵站层，太园、莲湖、旗岭和金湖泵站采用两台Cisco 2950交换机，并利用虚拟网络技术（VLAN） 组成自身冗余的、独立的10/100M子网络。在现地层采用10 M子网络与泵站层的监控系统相连，同时，采用Modbus和Profibus与各种传感器、智能设备、自动化元件相连。通过上述三个层次的连接，就形成了以调度中心为核心的星型结构的广域以太网。在SCADA广域以太网拓扑结构中存在着核心交换机的概念，网络中所有泵站相互通信必须通过核心交换机，如果两台核心交换机同时出现故障，甚至由于不可抗拒的因素，整个调度中心瘫痪，那么，整个网络通信都会中断，因此从计算机监控系统网络可靠性考虑，利用本项目提供的综合通信网（OTN）系统, 在金湖泵站增加一个路由器Cisco 2601，建立一个以金湖泵站为核心的另一个星型网，并实现与其他站子网的路由, 这样既提供了SCADA网络的另一备用通道，同时又建立了金湖泵站应急调度中心。通过在太园、莲湖、旗岭和金湖泵站的公用LCU10上的串行通信口,实现专用点对点的数据光纤总线连接，用于交换上下游泵站之间安全闭锁所需要的信息。当站间所有的以太网络通信都失败时,可以利用每个站的公用LCU10之间串行通信总线,交换站间安全闭锁信息，确保各泵站泵组的安全闭锁控制。1.2.2 SCADA网络的主要特点1.2.2.1多层冗余网络整个监控系统的网络以光缆为主要介质,由两个独立传输系统组成：一个以调度层为中心的星型SCADA广域网络，另一个是采用综合通信网,以金湖泵站为备用调度中心的备用SCADA网络。两个网络均采用双网容余配置，这样构成的4个热备用通道来实现网络的高可靠性。在太园、莲湖、旗岭及金湖4个泵站层间敷设光纤，进行点对点的专通道通讯，采用CMM协议，交换少量安全闭锁信息，形成泵站间安全控制的另一通道。1.2.2.2网络资源配置优化考虑监控系统各控制层的信息量实际，本网络系统在现地控制层采用10M网络，在泵站层采用100M网络，而在调度控制层的各个交换机、服务器之间则是1000M网络。这样就形成了高效、合理、结构清晰的网络，不仅资源配置优化，而且合理地分配了网络负载。网络系统能够根据网络流量实现自动分配管理，通过适当的配置，可以实现对端对端设备、VLAN、通信流和策略的管理，扩展控制平面数据包转发性能以及安全、高可用性和 QoS 方面的智能服务。2 全线监控系统功能2.1 主要功能模块SCADA系统的功能从控制权限来分有三层：调度控制层、泵站控制层及现地控制层，另在中心调度控制层瘫痪情况下，金湖泵站可同时作为紧急调度中心使用。系统既具备通用的数据采集与处理、运行监视、集中控制与调节及报表系统制作等基本的监控系统功能,也具有为满足工程特点所要求的安全闭锁、流量平衡控制及优化方面的功能。系统功能模块见图2所示。数据库管理及报表生成模块全线优化调度模块培训仿真模块变电站监视、控制模块 全厂共用设备监视、控制模块安全分析与控制模块流量平衡控制模块泵 站 层 监 视、控 制 模 块调 度 层 监 视、控 制 模 块泵组 监视、控制模块 图2：系统功能模块结构图2.2 系统功能模块应用2.2.1 系统基本功能模块本系统的基本功能模块包括: 调度层监控模块、泵站层监控模块、变电站监控模块、全厂共用设备监控模块、泵组监控模块及数据库管理及报表生成模块。调度层监控模块是基于德国CEGELEC公司提供的VIEWSTAR2000软件平台开发而成的。运行环境为两台冗余应用服务器(DELL POWEREDGE 2600)及两台冗余操作员工作站(DELL P530),操作系统采用Windows 2000 Advance Server/Professional。两台冗余应用服务器通过专用的光纤传输网络完成各泵站层数据库服务器的数据采集的上传以及调度中心控制指令的下达。调度中心冗余操作员工作站的数据显示及控制指令的下达通过两台冗余应用服务器来完成。调度层监控模块能实现远程的数据采集、远程的集中控制与调节、提供系统运行管理的友好界面（如：报警、操作）。泵站层监控模块也是基于德国CEGELEC公司提供的VIEWSTAR2000平台软件开发而成的。运行环境为两台冗余数据库服务器(DELL P530)及两台冗余操作员工作站(DELL P530),操作系统采用Windows 2000 Advance Server/Professional。泵站层数据库服务器通过专用的光纤传输网络完成同调度控制层两台冗余应用服务器的数据交换（采集数据的上传以及调度中心控制指令的下达），同时通过泵站内10M以太网络完成同现地控制层LCU1-LCU10间的数据传输。泵站监控模块能实现本站的数据采集、泵站内中央控制与调节、提供系统运行管理的友好界面（如：报警、操作）。数据库管理及报表生成模块其功能分布于调度控制层的数据库服务器及泵站控制层的数据库/应用服务器。调度控制层的数据库服务器配置有MS SQL Server 2000数据库软件，通过历史数据的统计、分析可编制用户所需的各种报表；泵站控制层的数据库管理及报表生成模块则是通过CEGELEC公司提供的VIEWSTAR2000内置式数据库管理软件，可完成泵站内运行管理所需的报表。变电站监控模块、全厂共用设备监控模块及泵组监控模块均属于现地控制层（LCU或RTU）功能模块。其主要由美国GE公司提供的CIMPLICITY组态软件及VERSEPRO可编程逻辑编程软件开发而成。运行环境为GE公司的90系列化产品和GE的工业控制机。具有对各LCU/RTU所监控设备的现地监视、控制及报警功能。2.2.2 流量平衡控制模块本工程为封闭管道供水工程,全长60多公里，供水线路由管道、箱涵、渡槽、隧道及河道构成，全线的水量自调节及蓄水功能较差，流量的站间及全线的平衡全由流量平衡控制模块。所谓流量平衡其包括泵站的流量平衡、起始流量控制的全线流量平衡和终端流量控制的全线优化调度流量平衡。控制的基本功能也相应分四个层次：安全的分析和控制、流量平衡和泵组自动控制、全线调度及全系统的优化调度。控制功能的优先级由高到低依次为安全分析及其控制、流量平衡和泵组自动控制、调度层的全线流量调度、调度层的优化调度。流量控制安全保护和优先级别的闭锁功能主要由上下游泵站间的站间联锁功能来实现。从流量平衡控制由低到高的权限来看，将流量平衡控制模块分设备控制层、泵组控制层、泵站控制层及调度控制层。通过每一层的现地/远程开关切换至上一级控制层，每一层的设定数据和控制命令均受到现地/远程开关的限制，但是紧急停机或事故停机不受现地/远程开关的限制。设备控制层主要指泵组的控制单元,其可根据流量的设定值计算，完成水泵叶片角度的闭环控制和流量的闭环控制。本系统采用单泵组差压测流装置，但在实际调试时，由于压力波动较大，流量值偏差较大，目前仍采用厂家提供的叶片角度、扬程、流量曲线进行插值计算。泵组现地控制单元（泵组LCU1-LCU8）完成单台泵组的正常启动、正常停泵和事故停泵等过程。机组LCU对水泵的控制方式分为角度控制方式、流量控制方式和自动控制方式。自动控制方式是由泵站控制层内专用于流量控制和安全闭锁的公用LCU10来进行流量的分配与控制。泵站控制层主要由专用于流量控制和安全闭锁的控制单元公用LCU10来完成流量控制的。公用LCU10的流量控制有泵站流量控制模式和全线流量控制模式。泵站流量控制模式是操作员根据进水池水位的变化情况设定泵站流量设定值，泵站流量设定值按一定原则自动分配流量到各个泵组。全线流量控制模式是基于泵站流量控制模式上的，进水池水位的变化由PI控制器计算泵站流量的设定值，泵站流量设定值再分配到各个泵组。调度控制层的全线调度控制功能是指当4个泵站都运行在全线流量控制下的一种控制方式。全线流量平衡的自动控制要求是在调度中心输入全线起点流量设定值（太园泵站流量设定值）或全线终点水量设定值（深圳水库水量设定值），全线的泵组将根据当前流量值、机组运行状态及效率自动启动或停止各泵站的机组，使全线的实际流量将达到设定流量的要求。3 全线优化调度模块优化调度的主要目标是在流量平衡的情况下，尽可能减少机组的启停次数；在供给管线末端深圳水库所需的水量下，尽可能减少运行成本。当系统将调度中心设置在全线调度控制功能（深圳水库入水量设定值）、4个泵站设置在全线流量控制模式下时，根据优化目标模型（考虑机组效率、上下游水位、同步或异步机组），使系统运行成本最小；当任何一个泵站未设置在全线流量控制模式时，系统将会自动退出此工作模式，并产生报警信信。4 培训仿真模块4.1培训仿真系统的结构仿真系统共设水利模型服务器、应用服务器、教练员工作站、操作员工作站和4套GE90-30系列的仿真PLC组成，见仿真结构图3 4.2 培训仿真模块功能4.2.1 培训运行操作人员主要是对泵站操作人员进行计算机监控系统操作的培训,通过仿真培训系统，用户可以：熟悉供水系统流程和操作规程；可以进行各种运行操作的演练；可以设置各种故障状态,让运行人员分析。4.2.2 供水系统控制系统的研究和水力过渡过程的研究仿真系统可以模拟泵站各种可能出现的运行方式，包括对供水系统水力过渡过程进行模拟分析，确保系统的正常稳定运行，满足供水要求，并能对可能发生的事故预设解决对策和报警提示。4.2.3优化调度仿真在给定一个总流量的前提下，仿真系统可以通过分析对四个泵站进行流量分配调度，以确保流量平衡，并找出泵站最优运行方式。5 结束语东深供水改造工程计算机监控子系统是本工程的技术亮点，在系统实施过程中广泛应用了计算机网络技术、数据库技术、总线技术，水利模型计算等。从现在已投入的系统运行来看，技术先进、可行、稳定，为国内外同类型的水利项目计算机技术推广应用提供尝试。