泵站计算机自动化及远程监控系统的设计研究

泵站计算机自动化及远程监控系统的设计研究

姓名：邢晓明申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化

指导教师：孙莹2012-10-23

山东大学硕士学位论文随着世界经济的高速发展，水资源的战略地位愈来愈重要，水资源的高效利用和有效管理越来越得到世界各国的高度重视。我国是农业大国，也是水利大国，水利在国民经济发展中占有举足轻重的地位。泵站一水的唯一人工动力来源，泵站根据其作用不同，可分为机电排灌泵站、城镇供排水泵站、工业供水泵站和增压泵站等类型。作为重要的工程措施，它在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用。随着水泵机组设计制造技术水平的不断提高，大容量水泵机组、大中型水泵站在我国的应用日益增多。如我国长江流域、黄河流域的不少省份都是水利大省，由于经济建设的需要，往往建有几万甚至几十万千瓦装机容量的大型泵站。这些泵站的运行一般具有操作次数多、启停频繁等特点。对于泵站来说，它既有泵站机组间优化调度的要求，也有同一地区或同流域不同泵站间的优化调度的要求。这些大中型水泵站在运行中也面临着可靠性、稳定性、安全性和经济性的问题。如果我们能在总结以往的经验教训的前提下，使今后的泵站计算机自动化的效益显著提高，使之成为泵站工程中人工不可代替的重要组成部分，那么泵站自动化的才能得到更好的推进。因此，本论文立足于探讨我国大型泵站新型、性价比高的计算机自动控制系统的设计与研究。关键词：泵站计算机监控系统远程监控系统ＰＬＣＩＩｌ山东大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｔｈｔｈｅｒ印ｉｄｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｎａｃｈｅｓｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｔｈｅｅ筒ｃｉｅｎｔｕｓｅ柚ｄｅ仃．ｅｃｔｉｖｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｈａｓｂｅｅｎｍｏｒｅｇｏｖｅｍｍｅｎｔｓａｕｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｃｈｉｎａｉｓａａｌａ唱ｅａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｃｏｕｎｔｒｙ，ｗａｔｅｒｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙｂｉｇｃｏｕｎ句阱ｗａｔｅｒｏｃｃｕｐｉｅｓｔｈｅｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔＯｆｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｏｍｙ．ｐｉｖｏｔａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎＴｈｅｐｕｍｐｓｔａｔｉｏｎ—ｗａｔｅｒｏｎｌｙａｎｉｆｉｃｉａｌｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ，ｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｒｒｏｌｅｉｓｄｉ仟－ｅｒｅｎｔ，ｃａｎｂｅｄｉＶｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅ妙ｐｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａＪｌｉｃａｌｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄｄｒａｉｎａｇｅｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ，ｕｒｂａｎｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙａ１１ｄｄｒａｉｎａｇｅｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｎｄｕＳｔｒｉａｌｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓａｎｄｂｏｏｓｔｅｒｓｔａｔｉｏｎｓ．Ａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓ，ｉｔｉ１１ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅｒｏｌｅｉｎｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｆｒｅｓｏｕｒｃｅｓｐｌａｙｓａ１１ａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．ｐｕｍｐｕｎｉｔｄｅｓｉｇｎａｎｄＷｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｍｐｒｏＶｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｌｅＶｅｌｏｆｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’ｌａ唱ｅｃａｐａｃｉ妙ｐｕｍｐｕｎｉｔ，ｌａ唱ｅａＪｌｄｍｅｄｉｕｍ－ｓｉｚｅｄｐｕｍｐｓｓｔａｎｄｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．ＭａｎｙｐｒｏｖｉｎｃｅｓｏｆｔｈｅＷｒａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙｐｒｏＶｉｎｃｅ，ｄｕｅｔｈｏｕｓａｎｄｓｏｒｅＶｅｎＹ抽ｇｔｚｅＲｉｖｅｒ，ｔｈｅＹｂｌｌｏｗＲｉｖｅｒＢａｓｉｎｔｏｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎ，ｏＲｅｎｔｅｎｓｏｆｈｕｎｄｒｅｄｓｏｆｔｈｏｕｓａｎｄｓｏｆｋｉｌｏｗａｔｔｓｉｎｓｔａｌｌｅｄｃａｐａｃｉ妙ｏｆｌａ玛ｅｐｕｍｐｉｎｇａｓｔａｔｉｏｎｂｕｉｌｔ．ＴｈｅｓｅｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓｔｈｅｍｎｎｉｎｇｇｅｎｅｒａｌｌｙｈａＶｅｓｔａｎｎｕｍｂｅｒｏｆｏｐｅｒａｔ主ｏｎｓ，ａｎｄｔｏａｎｄｓｔｏｐ矗．ｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ，ｉｔｈａｓｂｏｔｈｔｈｅｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔａｒｅａｏｒｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｃｈｅｄｕＩｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｔｈｅｓ锄ｅｏｐｔｉｍａｌｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇｉｎｔｈｅｗａｔｅｒｓｈｅｄｂｅ附ｅｅｎｔｈｅｄｉ行ｅｒｅｎｔｐｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｓｅｌａｒｇｅａｎｄｍｅｄｉｕｍ—ｓｉｚｅｄｐｕｍｐｓａｒｅａｌｓｏｆａｃｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｓｓｕｅｏｆｒｅｌｉａｂｉｌｉ劬ｓｔａｂｉｌｉ以ｓｅｃｕｒｉ够ａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃＳｔａｎｄｉｎｇｉｎｔｈｅｍｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｕｍｐｉｎｇｓｔａｔｉｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＲｅｍｏｔｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＰＬＣ山东大学硕士学位论文第一章绪论１．１技术发展及研究现状当今世界经济迅速发展，水作为战略资源的地位愈来愈重要，世界各国高度重视水资源的高效利用和有效管理。我国不但是农业大国，也是水利大国，水利在我国经济发展中有着举足重轻的作用。水的唯一人工动力来源就是泵站。机电排灌站、城镇供排水泵站、工业供水泵站和增压泵站等是泵站根据作用划分比较常见的类型。泵站作为重要的水利设施，在水资源的合理调度和管理中发挥着不可替代的作用。随着经济的发展和社会的进步，对水的需求量越来越大，水资源的供需矛盾将日益突出，跨流域调水是解决该地区水资源短缺的重要途径。根据胶东地区各市水资源状况和当前干旱缺水的实际情况，考虑到该地区各市社会经济发展对水资源的要求，结合南水北调东线山东供水区工程总体布局及地方配套工程规划，确定南水北调东线胶东输水干线供水范围共涉及８个市中的５７个县、市、区，土地面积５．７７万ｋｍ２。南水北调东线胶东输水干线线路长，沿途用水部门多，供水与用水过程不一致，为了保证用水，除各市地必须有蓄水工程进行调蓄外，规划西段新建东湖水库、双王城水库。东湖水库作为济南～引黄济青段工程的一个重要组成部分，应与干线输水工程同步实施，待干线工程通水时，能与之联合调度，最大限度地发挥供水效益。南水北调的泵站既有泵站机组间优化调度的要求，也有同一地区或同流域不同泵站间的优化调度的要求。东湖水库及双王城等各泵站在运行中也面临着可靠性、稳定性、安全性和经济性的问题。１．１－ｌ泵站远程监控系统国内外现状．放眼国际，国外的泵站大多呈现运行、管理高度自动化、监控系统完善化、规范化的特点，使得泵站呈现出安全、可靠和经济的特点，一方面实现了人力资源的高度释放，另一方便也为工程维护带来了可信赖的依托。目前美、日、英、荷等国家在泵站管理和运行方面的自动化水平居于世界前列。这些国家泵站的优势主要体现在：（１）装备性能优越，技术先进国外水泵在性能指标、机组的结构、配套设施和传动方式等方面明显优于国内。国外应用的水泵，一般具有流量大、转速高、体积小、重量轻等国产水泵不具备的优点。１山东大学硕士学位论文如荷兰产１．８ｍ的水泵与我国２．８ｍ的水泵功能相同，但重量却相差一倍以上，前者明显更轻便。另一方面，国外水泵一般采用齿轮传动，这样就会极大的减小电动机的体积、重量。如国外某采用齿轮变速传动结构设计的口径为３．６ｍ的贯流泵，其配套的高速电机直径仅为１．２ｍ。而我国采用直接传动结构设计的贯流泵电机直径却达到了６．１ｍ，重量４９吨，反差巨大。国外机组具有运转快，体积小、重量轻的特点，这些特点也很大程度上降低了投资方对厂房、土建的投入，尤其是考虑不同机组的装置形式对泵房结构设计的影响后，其优越性更是显而易见。（２）自动化程度高，管理规范完善国外泵站的自动化程度较高，管理方式规范、完善，对泵站运行的各种指标都会进行长期的跟踪、监测、记录，有利于发现问题立即解决。而且，长期累积的记录数据能够为未来新型水泵的开发研制、性能完善提供可靠经验依据。最为重要的好处是，国外泵站因为实现了高度自动化，因而极少发生重大事故和故障，有效降低了泵站管理、工作人员的从业危险性。例如：７０年代中期，位于美国加州的调水工程就率先安装了计算机自动监控系统，该系统能够通过计算机的帮助对１７座大中型泵站以及电厂，和７ｌ座节制闸中的１９８套闸门和其他各种设备，实现基于计算机的通信、监控、检测和调度，大量节省了人工资源。另外，日本早己完成对上世纪六十到七十年代建设的水利工程设备改扩建，配置了新型计算机监控系统。该监控系统大部分都通过分层分布式结构进行集中管理，即统一在整个水系上设置控制站，采用计算机遥测、遥控装置对各种泵站、水闸、倒虹、渠道等水工建筑物进行集中监控管理，以达到综合利用水资源的目标。（３）人力资源效用最大化国外泵站的管理人员大多为专业人士，具有足够的工作经验、业务素养和专业技能，工作过程中，能够做到及时甄别、发现故障，正确、妥善的应对突发事件和设备故障。目前国外泵站的管理人员总数不足我国人数的一成，然而其泵站的运行管理工作长期保持正常运转状态，各项工作按规范要求一步步规范开展。以荷兰为例，其水泵制造厂除了负责核心部件的生产和总装，还负责机组的大修，而泵站的管理人员只需负责日常运行管理、定期检视、维护设备情况等工作。１．１．２我国泵站的现状我国目前已拥有大型泵站三百余座，使得机电排灌工程在数量上和工程规模上均己接近或达到国外先进水平，特别是在鄂，赣、徽、湘、粤等大型泵站所占比例较高的省山东大学硕士学位论文份，逐步形成了主干为大型泵站的跨流域调水工程及排涝防洪体系、主体为重点中型泵站的流域内的调水、排灌体系和以中小型泵站为主导地位的地区性排涝、灌溉工程网络。水利事业的蓬勃发展也带动了我国大中型泵站的建设，从根本上增强了各地防御各种自然灾害的能力，有效促进了国民经济快速、稳定、健康地发展。我国大多数的泵站已服务了近半个世纪，在发挥了巨大的防洪抗灾作用同时，由于技术水平，工程质量、管理以及经济效益指标等方面所限，一定程度上落后于国外水平。另一方面这些泵站使用年限较长，己很难适应水利工程自动化、现代化的要求。主要体现在以下几个方面：一是设备技术落后，无法满足现代水利系统的新要求。我国传统抽水泵站大多数采用常规的设备，尤其是二次设备中的继电保护采用电磁型或晶体管装置…，这种结构复杂但可靠性低，且不具备故障自诊能力，只能依靠每年的校验才能发现问题，这样一来调整与检修流程就必须等到保护装置发生拒动、误动后才能触发，延误了最佳维修时机［２］二是达不到实时控制的要求。泵站的运行过程中必须及时掌握水泵控制系统运转情况，才能采取一系列的控制、调节手段，从而实现水泵系统安全、高效的运行。但我国传统的抽水泵站无法实现及时提供运行参数的要求，不可能实现实时控制，因而对于水电工程安全、稳定运行存在较大隐患。三是水泵控制室占用土地资源。传统的抽水泵站与综合自动化抽水泵站相比，在一次设备方面其实并没有明显区别，而二次设备则存在较大差别。传统的抽水泵站的二次设备很多都采用的是电磁式、晶体管式，由于大体积、高重量而造成主控制室、继电保护室占地面积大，占用土地资源多的结果，如能实现综合自动化，必将大大降低土地占用率，减小泵站占地面积。四是维护工作量大，不利于提高运行管理水平和自动化水平。五是耗费人力、运行效率低、成本高。目前，国际上泵站计算机监控技术已趋于成熟，不仅限于对单座泵站的监控，且成功的将监控对象扩大到了同一个流域的泵站群，实现了对泵站运行的远程监控和整个流域的水文等信息的共享。如日本为提高流域内泻洪泵站运行和维护的可靠性及其管理的集中化，研制了“江河泻洪泵站检测管理系统”【３】。反观我国，虽然自６０年代起出于经济发展的需求和环境保护的目的，各地陆续兴建了一批大中型泵站，如沙集、刘老涧、泅阳二站等，但都是多人值守，自动化程度低，监控分散，管理水平低的传统型泵站，无法与国际先进水平接轨。众所周知，我国存在的泵站工程的数量巨大，全国机电排灌总装机容量己近７００万ｋＷ，拥有２００多座大中型山东大学硕士学位论文泵站，但这些泵站效率却非常低，大多为３０％左右，低的甚至仅为２０％，因此，及时引入先进的计算机技术，努力提高泵站的自动化管理水平，具有巨大的现实意义，并能带来客观的经济利益。早在６０年代初我国水利系统就引进了电子计算机技术，８０年代后计算机技术得到了更加迅速的发展。但计算机应用范围主要集中在科研计算、勘测规划、工程设计、各类教学和办公自动化等领域。最初的时期泵站计算机监控系统的建设一般停留在实验室阶段，而一般研究成果转化为工程化应用要经历一个过程，难免出现技术相对滞后、可靠性不高、缺少评测标准等问剧３１。而近十年来随着工控计算机技术的持续发展，电子计算机才正式作为主要自动化方式运用到泵站来提高泵站的运行和管理水平。计算机最初是作为测量仪表的重要部分进入到泵站的监控领域以实现测量仪表的现代智能化。水利自动化系统的真正发展是近年来的事情，上世纪８０年代我国的水利事业中，自动化仍采用体积大、效率低、可靠性差、漂移大的分立元件；一直到９０年代的后期，我国水利才在一些泵站和闸门工程项目中采用以计算机为基础的自动化系统。特别是进入了二十一世纪，随着社会经济发展，用水量日渐增多，各地水资源不平衡，国家启动了跨流域调水工程，水资源日渐稀缺，国家和有识之士也把水作为一种商品进行了大量的投资，为了提高调水的效率和效益，人们日渐认识到水利自动化在水利事业中发挥的重要作用。我国在对水利自动化系统的要求中也开始提出“人力资源有效利用，减少人工投入”的要求，因此近年来水利自动化系统得到了迅速的发展。１．１．３泵站自动化及远程监控系统的发展方向泵站控制技术经历了常规自动化控制、计算机辅助控制和计算机监控三个阶段。相对应的，我国泵站工程的发展进程中，泵站控制技术的应用也有过几个不同的发展阶段：５０—６０年代，泵站一般采用自动化程度低下、元器件多、体积庞大、操作复杂的继电器常规自动控制方式，这种方式不能使应有的生产效益得到发挥：７０—８０年代，泵站通过晶体管集成电路控制技术进行自动化控制，但操作过程依然复杂，生产效益只得到一定程度的提高：９０年代以来，泵站均采用计算机监控技术进行控制。随着计算机监控系统在泵站的越来越多的应用，满足了泵站运行自动化技术不断提高的要求，并体现出一系列优势，如响应速度快、信息存储可靠、具有运算和逻辑思维判断功能等。泵站计算机监控系统可实现的功能包括对泵站主要电机、变配电所运行参数、水情数据的测量处理、分析计算等功能，做到对泵站运行参数、状态的实时记录，以及远程操作控制、保护等。如对水泵机组的启停控制、泵站辅机设备的控制、上下游阀门的控制、变电所４山东大学硕士学位论文的主变和站用变的控制保护、励磁调节与控制等幢１。因此，使用计算机监控技术已经成为我国泵站自动化发展的一个新趋势，近几年新建泵站时都会考虑采用计算机自动化方案ｎ１。但实际使用过程中也存在一些问题，如很多新建泵站的自动化系统发生故障多，甚至出现无法使用的废弃状态。其原因主要在于：（１）功能有待完善。目前使用的计算机自动监控系统设备配置相对较简单、体积也小，信息资源容易共享，但大部分还处于仅能实现巡回检测、数据处理、事故报警、制表打印功能的阶段等，有的也开始用计算机保护代替以往的继电保护。由于计算机的计算速度快，且储存、运算、和逻辑判断等功能并没有得到很好发挥。因此，大部分泵站的计算机监控系统仍然无法实现故障分析和处理、安全运行、经济运行等方面的效能。（２）效益不明显。泵站效益即泵站的投入产出的关系。目前不少计算机监控方案投资很大，少则几十万，多则几百万，甚至几千万元。而泵站效益主要体现在维护管理费用和耗电费用的减少。由于目前的不少泵站计算机自动化在自动开停机和计算机保护方面的投资占有很大比例，其效益主要体现在用计算机监控系统代替开停机的手工操作和人工抄表等。即便减少运行抄表人员，但维修管理人员仍无法减少。所以，泵站总的人员编制和人员工资仍然难以减少：有的泵站虽然有了计算机自动化系统，系统储存和打印出来的数据一般仍限于电流、电压、温度等参数，而最基本的水泵机组参数，如流量、扬程、功率、转速、效率和能耗等还是无法显示和打印，更谈不上故障分析及处理，安全运行和优化运行等，节省耗电费用和维修管理费用的目标也难以实现。因此，前大部分泵站计算机监控自动化的效益仍然不很明显。（３）资金投入不足。目前，由于泵站自动化的效益不明显，再加上水费征收困难，资金来源并没有得到根本解决，因此，排灌泵站的改造和维护管理资金投入严重不足己是普遍存在的问题。不少泵站在职工工资发放尚存在困难的情况下，要拿出钱来去搞那些被认为是花架子的计算机监控系统，就更加困难。但是，各行各业在微型计算机及其监控技术在近十几年的发展速度可以称得上是突飞猛进，一年一个新品牌，不等泵站自动化功能的全面发挥，所选用的自动化设备就被淘汰。一旦设备损坏或被淘汰后，又需要增加维修或改造经费，给管理单位带来很大困难。（４）技术力量不足。从目前的计算机自动化项目实施情况看，参与项目的不少技术人员在计算机及自动控制方面具有较高的技术水平。但是，他们对水泵机组的技术特性、经济运行的基本知识、泵站技术管理基本要求等方面的了解较少，而泵站技术人员又对计算机自动化方面的知识比较缺乏，对计算机自动化提不出很具体的技术要求。因此，目前的计算机监控系统，多半是建立一个数据处理的平台，若要使其功能得到更大的发挥，必须请泵站方面的专家，另行安排项目。另外，由于系统功能没有充分得到发挥，山东大学硕士学位论文自动化效益不明显，改造和维修管理经费不足，和社会上其他部门相比，泵站本身的技术人员的待遇不可能很高，因此，能够掌握自动化的这部分技术人员，很容易流失。这样，即使建立了计算机监控系统，结果还是管理不好，或无人管理，已经建立起来的自动化系统很快将会无法持续使用。另外，泵站保护系统一般采用的是由常规继电器组成继电保护系统，因继电器固有的缺陷，经常造成接点抖动、粘连、误动，给安全生产带来极大的威胁。由于大部分继电器为六、七十年代产品，己极难找到相应配件，给运行维护造成很大困难。泵站励磁装置一般也是在老的励磁装置基础上加上微机励磁控制器组成的，运行基本稳定，但仍然存在很多缺陷，如励磁变压器老化严重，柜体结构陈旧，柜门变形、脱落严重。更关键的是，旧励磁装置无法与目前飞速发展的计算机监控系统通信，无法实现对电机的全面控制和监视。综上所述，目前泵站计算机自动化的问题很多，关键问题在于投入不少而效益不大，如果我们能在总结以往的经验教训的前提下，使今后的泵站计算机自动化的效益显著提高，使之成为泵站工程中人工不可代替的重要组成部分，那么泵站自动化的才能得到更好的推进。因此，本论文立足于探讨我国大型泵站新型、性价比高的计算机自动控制系统的设计与研究。１．２本论文的选题背景济南～南水北调段工程是南水北调东线第一期工程胶东输水干线工程的重要组成部分，该段工程自小清河睦里庄跌水至小清河分洪道子槽南水北调上节制闸，输水线路全长１５０．３８４ｋｍ，其中小清河睦里庄跌水以下利用小清河干流输水段长４．６４５ｋｍ，沿小清河左岸新辟无压暗涵穿济南市区段２３．２６９ｋｍ，出济南市区后沿小清河左堤外新辟输水渠段８７．８０８ｋｍ，进入小清河分洪道后，开挖疏通分洪道子槽３４．６６２ｋｍ，与南水北调工程衔接。为确保供水工程安全运行，提高供水保证程度，需在济南～南水北调段新建东湖、双王城两座干线调蓄水库。东湖水库的兴建，主要是为了调蓄干线引江水量，解决干线输水与支线取水之间时空分配矛盾，提线输水保证程度，保障南水北调东线胶东输水干线完成供水目标。东湖水库为围坝式平原水库，位于济南市东北部历城区郭店镇老僧口村东北部白云湖与小清河之间，胡家岸引黄灌区内，距济南市区约３０ｋｍ。库址北靠小清河，南邻白云湖，西侧为井家排水沟，东邻四干排水沟。水库占地８０７３．５６亩。南水北调东线胶东输水干线线路长，沿途用水部门多，供水与用水过程不一致，为了保证用水，除各市地必须有蓄水工程进行调蓄外，规划西段新建东湖水库、双王城水６山东大学硕士学位论文库。东湖水库作为济南～南水北调段工程的一个重要组成部分，应与干线输水工程同步实施，待干线工程通水时，能与之联合调度，最大限度地发挥供水效益。南水北调东线工程是一项跨流域的特大型调水工程。工程区域内河道、湖泊及各类水工建筑物众多；新建与原有工程设施之间水平档次参差不齐，虽部分泵站和水文站安装了自动监测设备，但输水调度仍以人工调度为主；工程调水与防洪、排涝、灌溉和航运等功能相互结合；供水区内现有的跨流域调水和新增的调水并存，沿线取水口门众多，水量调度关系复杂，水量计量设施落后；受沿线排放的污废水影响，水质污染严重，水质保护任务艰巨。为保证南水北调东线一期工程安全、可靠、长期、稳定的经济运行，合理调配区域内水资源，利用先进的信息采集技术、通信网络技术、现代遥感技术以及计算机控制处理技术，建设一个集信息采集、计算机监控、调度运行管理、水资源优化配置于一体的自动化系统是非常必要的。南水北调东线一期工程山东段调度运行管理系统由信息采集系统、通信与计算机网络系统、计算机监控系统、视频监视系统和调度管理应用系统等子系统组成。其中计算机监控系统可在山东省内实现对省内全部泵站及重要闸站（分水口门）的实时监控：调度管理应用系统在统一的通信网络及计算机平台上，根据采集的各种数据信息，运用计算机控制处理技术、数据库分析技术等现代先进技术，实现对全线各类信息全方位、多层次、多任务、多功能的采集、分析、处理和存储，实现系统的调度运行管理功能。根据《南水北调东线第一期工程总体可研报告》原则和南水北调工程建设委员会办公室协调意见，山东省境内南水北调工程拟设置三级管理机构：一级管理机构为山东干线公司、二级管理机构包括在各市设管理局、三级管理机构为在泵站、水库或输水河渠设的管理处。东湖泵站确定为三级管理处。南水北调东线山东段工程总体布置图浒汁帐崮件帐禽黟碍山东大学硕士学位论文本文的主要工作包括以下几方面：（１）结合东湖泵站的应用需求，完成了东湖水库泵站监控系统的主体设计。本文从设计需求入手，从设计原则、主要技术要求、系统结构、控制模型等多方面完成了对南水北调东湖泵站监控系统的总体设计，奠定了开发监控系统的工作基础。（２）完成了南水北调东湖泵站监控系统的详细设计和技术实现。本文完成了系统主要功能模块的详细设计，并重点完成了泵站控制模型、用户系统交互、表现层设计、检测控制子层设计、数据访问子层及源层设计。论文的组织结构：第一章主要讨论了课题提出背景、技术发展和研究现状以及本文的主要工作。第二章对泵站监控系统进行了大体的论述。第三章详细介绍了东湖泵站监控系统设计，介绍了系统的设计原则和功能实现。第四章论述了东湖泵站远程控制系统的功能与设计。第五章论述了计算机监控系统作为南水北调东线第一期工程山东段调度运行管理系统中的意义并对下一步的研究工作进行了展望。９山东大学硕士学位论文第二章泵站计算机自动控制系统结构及原理２．１泵站计算机自动控制系统的结构泵站计算机自动控制系统一般由计算机监控系统、计算机继电保护系统、计算机直流系统、计算机励磁系统、计算机视频监控系统等构成。㈠一服务嚣．·ｏ卜蠹ｉ溺磊ｉ｛魏ｊ；豢ｉ础站』：勰＿｝卜垂巫亟；“慧”黑墨默巩一一——————＇。服务罄．终稿；·一：｝．；一ｒ●～—－“卜ｉ计算帆直涟綦莰ｌ￣▲、▲、Ｉ▲▲▲，，Ｉ爨鎏。黑．备峨ｌ视簇：｜２：ｉ曩蔟．。”。ｏ一。图２一ｌ泵站自动控制系统构成实行监视和控制，以实现对全站设备的数据采集和实时控制：通过通信服务器负责对监控系统以外的所有设备如保护、直流、励磁等站内计算机自动化设备及整个枢纽中其他工程的自动化设备的数据采集与部分控制，并实时传送给泵站内各监视站点：通过厂长终端使领导能及时了解到泵站机组运行工况，以实现对泵站机组的远方启停控制：通过视频监控系统将现场图像实时传送至中控室，以直观视频图像信号及时了解现场环境、人员工作、设备运行情况、安全保卫等。２．２泵站计算机控制系统分类从目前采用计算机控制系统的泵站来看，常见的计算机控制系统类型主要有集中式处理系统和分层分布式处理系统两种。山东大学硕士学位论文集中式处理系统指将该系统的各种功能，如数据采集、数据处理、人机通信等均集中完成。这里既包括逻辑上的集中，同时也含有物理上集中的意思。集中式处理系统是通过数据采集系统对水泵站运行过程及参数进行采集、处理、分析计算，并将结果用于控制水泵站的自动化运行操作和监督报警。该系统通常是全泵站只设置一台或二台监控计算机，对整个泵站进行集中监视、控制。由于水泵站所有信息都要送到计算机进行处理，所有操作、控制命令都由计算机发出，因而计算机的工作负荷大，对计算机可靠性要求很高，若计算机出现故障，将导致全系统瘫痪。其次，生产过程所需采集的状态和参数均直接引入计算机，当泵站机组台数较多时，现场敷设电缆会过多过长，不仅成本高，安装维护不方便，而且抗干扰能力差，信号误差大，且系统的可扩展性和可维护性较差。目前大型水泵站均不采用集中式处理系统，但在一些泵机组台数不多、控制功能要求较简单的中小型水泵站中，仍然可以采用这种方式的监控系统，如图２—２所示。其控制计算机的配置方式可采用双机冗余配置方式。ｌ一，，集中控卅计算机◆，ｉ』』串控室……一７～一一一１一一一一一一一’一一一一弋～一一一…一＼＼＇葺串串≥｝√Ｌ二二是～互［二７，、、、。～芒！竺Ｊ坠图２—２集中式处理系统２．２．２分层分布式处理系统美国电工电子学会计算机学会给分布系统的定义为：“分布计算系统是这样一种系统，其中包含多个相连的物理资源，它们能够在全系统范围的统一控制下，对单一问题进行合作，而最少依赖集中的处理、集中的数据或集中的硬件”。而英国国家科学研究委员会下属计算科学委员会的定义为：“分布计算系统是这样一种系统，其中包含多个但又有交互作用的计算机，它们对一个共同问题进行合作。这种系统的特性是包含多个控制路径，它们执行一个程序的不同部分而又相互作用”。山东大学硕士学位论文分布式系统最基本要求是：多个分布的资源：统一的操作系统：资源而又相互作用。可按功能、对象以及两种方式结合构成应用系统。分层控制理论是２０世纪８０年代发展起来的一种新理论，它是控制系统理论的一个分支，是从控制论的角度来研究多个互相影响的系统的控制方法。它把“的控制中心”对“各子系统的控制中心”的监视，以及确定“各子系统控制中心”的控制方向问题提高到理论上来，从控制命令的产生、命令执行结果信息的反馈流向、被采集的信息上传关系、各级的操作权限等来看，是一个典型的正置三角形的、一地方模式的、带有一定程度集权性质的系统。霪二３蕊卜……。≤Ｅ；Ｌ生７歹≯产：ｏ、＼，——一‘～、、、１十鹭筒Ｉ？、、ｌ二二：一／７／／…，７｛＼＼＼、一场万：歹虿酉弋奄一㈢㈢＠④＠２．２．３全开放、全分布式监控系统ＩＥＥＥ对开放系统的定义是“按照开放的接口、服务和支持格式规范而实现的系统，它使应用软件能以最少修改，实现在不同系统中的移植：能同本地的或远程系统中的应用实现互操作：能以方便用户迁移的方式实现用户间的交互”，即开放系统是指一个综合山东大学硕士学位论文性的有关信息方面的国际标准集，考虑数据、人员互操作性及可移植性而描述的对接口、格式、功能所作的规定。是建立在“正式的标准”和“事实上的标准”基础之上的有关计算机和通信系统的公用协议。开放系统的特点主要是系统扩充或升级时最大限度地保护用户的硬件投资，最大限度地利用已有的软件资源，能以最简便的方法升级，且具有非常友好完善的人机界面。开放技术的应用，极大地提高了系统开发与集成效率阳３。全开放、全分布式监控系统是近年来发展并得到广泛采用的一种工业控制系统。这种新系统是围绕着应用软件接口标准、网络通信接口标准和用户操作接口标准，遵循国际组织ＩＥＥＥ、１５０、工ＥＣ等的有关标准组成一个开放式的总线网络，采用以ＵＮＩｘ操作系统为基础的操作系统：根据分布控制对象而设置的现地控制单元（ＬＣＵ），也按标准通用规约接入总线网络。这样形成的系统，除了具有上述各类模式的优点外，最大的特点是具有开放性，同时系统扩展、升级更新都非常方便，其应用软件可以在新设备、新环境下运行，保护了用户的利益，实现了应用软件的移植。２．３泵站计算机监控系统的一般结构和功能计算机监控系统通常分为三层，即泵站控制层、现地控制层及网络。（１）泵站控制层泵站控制层是整个监控系统的核心。其站控级主要由主控机和工作站等数台计算机构成，一般配有一台打印机等辅助设备，并由一个单总线以太网形式联成一个计算机网山东大学硕士学位论文络系统。在这一级上，硬件的配置比较灵活，一般可根据需要增加或减少工作站的个数。使用总线形网络，增加或减少具有某些功能的工作站可在任意时间（系统组建或系统投运后）进行。在图示的系统中，主控机主要用于完成计算机监控系统在这一级上的各种任务，如：安全监视、运行管理、系统自诊断与上、下层通讯等。而图形工作站则主要完成人机接口功能，如各种画面的显示，各种控制命令的发出等。此外，当系统硬件资源较为紧张时还可增设：培训工作站，用于人员的培训：工程师工作站，用于系统的设置和软件调试、开发：通信工作站实现与保护系统、励磁系统及直流系统等的通信，通过串行口进行上述设备的实时数据采集和设备操作的控制：模拟屏工作站，用于模拟屏的控制等。（２）现地控制单元层ＬＣｕ计算机监控系统的现地控制层在分布式控制系统中，主要是指针对某一特定的控制对象而设置的远方终端设备（ＲＴＵ），又称现地控制单元（Ｌｃｕ）。它们分别通过各自的网络硬件设备（网卡），在相应的软件支持下，与站控级一起连成一个计算机局域网。它主要负责完成现场设备各种数据的采集、处理及事件的记录，信息传输，设备控制、保护等工作，并通过以太网通讯协议与站控级计算机相连，传送各运行设备的实时数据。一般主要有泵机组现地控制单元、公用现地控制单元和开关站现地控制单元等组成。在图２—４中，四台机组现地控制单元分别对四台机组实施监控：一台公用现地控制单元用于对泵站的公用系统，如油、水、风系统等进行监测和控制，而一台开关站的现地控制单元对开关站实现监控。现地控制单元是计算机监控系统非常重要的环节之一。首先，它直接面向具体的控制对象，把设备的运行情况经过必要的信息加工处理后及时向上级计算机传送：同时对各上层计算机发来的控制命令在这里最终得以实现。其次，它本身也具有对受控对象直接监控的能力，这一方面可以减轻上级计算机负担，提高系统实时性：另一方面，当上级计算机出现故障时，它可以脱离上级计算机直接完成对受控对象的监测和控制，增加系统的可靠性。（３）网络及网络接口泵站监控系统的网络通信分为两类一以太网通信和串行数据通信（ｇ）。监控系统内部的上位机与各台ＬＣＵ之间可通过１００Ｍ光纤以太网形式通信，以实现各种实时数据和控制命令的快速传输。由于泵站的励磁、保护、模拟屏等其他装置或设备的通信能力受装置本身硬件配置的，无法采用统一的总线方式联接起来，因此与这些设备的通信采用串行数据通信方式，由通信工作站等承担此功能，采集的信息经预处理，经以太网送各上位机供画面山东大学硕士学位论文显示和打印。２．３．２系统功能泵站计算机监控系统的功能主要依靠系统硬件和相应的组态软件来实现，它的功能主要有：（１）监测功能系统能实现对站用变电所、水泵机组、泵站辅助设备和配套水工建筑物的各种电量、非电量运行数据及水情数据进行巡回检测和采集，并且根据这些参数的给定限值进行监视、报警、记录等。采集数据主要包括：①电量采集和监视：如电动机三相电压、电流、有功、无功、频率和母线的电压与频率等参数。②开关量采集和监视：如断路器位置、刀闸位置、保护动作信号、闸门开关状态等参数。③脉冲量采集和累计：如电动机和主变的有功、无功脉冲电度信号等。④非电量采集和监视：如水位、温度、油压、水压、叶片角度、水泵转速、闸门高度等参数。⑤趋限报警：主要有故障报警、事故报警等。（２）控制功能系统能够根据泵站的运行状态，按照给定的控制模型或控制规律进行自动控制，包括水泵机组间的优化运行等。为了保证控制方式的灵活性，主要设备的控制都设有自动控制和手动控制二种方式，二者可以互相切换。泵站计算机监控系统的主要控制功能有：①变电所的主变压器、站用变压器的控制：②主机机组的起停顺序控制和强制开机控制：③事故门、工作门以及上下游闸门的开启、关闭操作控制：④断路器合、跳操作控制：⑤叶片角度、励磁闭环调节控制：⑥制动回路操作控制：⑦冷却水的投入和切除操作控制：⑧泵站辅机设备如供水泵、排水泵、供油系统、压缩空气系统等的控制：⑨励磁设备的调节与控制。（３）保护功能系统的计算机保护装置可实现机组电机、主变压器、站用变压器以及母线的保护。山东大学硕士学位论文泵站计算机保护系统功能主要有：①电动机保护：包括差动保护（具有差动速断），ＣＴ断线闭锁，过流保护，过负荷保护，转子一点接地保护，电动机失磁保护和电动机失步保护等：②母线保护：包括低电压保护，母线绝缘检查和母线正序电压保护等：③主变保护：包括二段折线式比率制动特性差动保护（具有差动速断、ｃＴ断线闭锁等功能），复合电压起动过流保护，零序过电压保护，过负荷保护，过电流保护，瓦斯保护和温度保护等：④站变保护：包括电流速断保护，过负荷保护等：⑤水泵机组保护：主要有推力瓦、导轴瓦、定子线圈等的温度过高保护和供水、供油、供气系统异常保护等。可以看出，泵站自动化应用技术的发展主要体现在其硬件技术进步和软件功能的强化提高上，二者的有效结合使得泵站运行管理实现了从单一的监测功能到今天的监测、控制和管理一体化的综合功能。在系统监测功能上，从早期的泵站运行参数的实时检测，发展到现在能实时检测记录机组运行、机组起动或者故障时的动态参数，以实现机组运行状况的分析、故障预测和故障诊断等功能。在系统控制功能上，从早期只能对机组、辅机设备等的启停进行控制操作，发展到现在能够自动判断机组的启停条件，自动完成机组启停的准备程序，到条件满足时实现输出自动控制功能，等等。在系统管理功能上，从早期系统只能进行简单的报表处理和数据管理工作，发展到现在可对泵站运行的各种数据进行统计处理和分析计算，并以此来支持各级管理部门的决策和调度，实现泵站机组运行的优化调度、闸门开启的优化控制等。２．４泵站计算机继电保护系统目前在国内大量使用的整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量大，尤其是一些复杂的保护，调试一套保护常常需要较长的时间。究其原因，这类保护装置是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的器件和连线来实现。为确保保护装置完好，需要把所具备的各种功能通过模拟试验来校核一遍。计算机继电保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的程序来实现，即计算机保护是用一个只会几种单调的、简单操作的硬件，配以程序，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用简单的操作就可以检验计算机的硬件是否完好。同时，计算机保护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在ＥＰＲｏＭ中的程序不断进行自动检测，一旦发现异常就会报１６山东大学硕士学位论文警。通常只要给上电源后没有报警，就可确认装置是完好的。所以对计算机保护装置可以说几乎不用调试，从而大大减轻了运行维护的工作量。计算机在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而计算机继电保护装置可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作：它的自诊断能力能够自动检测出计算机本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。如果配置一台打印机或其他设备，可以在系统发生故障后提供多种信息。如保护各个部分的动作顺序和动作记录，故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等，还可以提供故障点到保护安装处的距离。这样有助于运行部门对事故的分析处理。由于计算机保护的特性主要由程序决定，所以不同原理的保护可以采用通用的硬件，只要改变程序就可以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应系统运行方式的变化。计算机继电保护的主要部分是计算机本体，它被用来分析计算系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳闸信号。因此，除计算机体外，还必须配备自系统向计算机输入有关信息的输入接口部分和计算机向系统输出控制信息的输出接口部分。此外，计算机还要输入有关计算和操作程序，输出记录的信息，以供运行人员分析事故，即计算机还必须有人机联系部分。计算机继电保护装置也是一个对电磁干扰很敏感的设备，为了防止来自电流、电压输入回路的干扰，在引入电流互感器和电压互感器的电流、电压时，在输入信号处理部分要采取相应的抗干扰措施。变换器除屏蔽作用外．还将输入的电流、电压的最大值变换成计算机设备所允许的最大电压值。此外，为满足采样的需要还要经过低通滤波器，然后才将有关信息输入到计算机的采样回路及Ａ／Ｄ转换器。计算机的基本功能是进行数值及逻辑运算。为了使计算机能从系统的状态量的情况来判断系统是否发生故障，就必须将电流互感器和电压互感器送来的电流、电压的模拟量变成数字量。这就需要经过“采样”及“模数转换”两个环节，即在时间和量值上离散化。键盘和扳键以及数码管、信号灯等部分，用以送入整定值，召唤打印，临时察看程序，对数据或程序作临时修改。信号灯和数码管则用以显示程序、数据和保护装置的动作情况。当实时的采样数据送入计算机系统后，计算机根据由给定的数学模型编制的计算程序对采样数据作实时的计算分析、判断是否发生故障，故障的范围、性质，是否应该跳闸等等。然后决定是否发出跳闸命令，是否给出相应信号，是否打印结果等。山东大学硕士学位论文ｊ……ｔ７一～、…’一‘＋一～～‘。、…－ｊ泵蛄；。信号系娩：系统——。、、一一’’７一’。、～…一＋。·一采样及＾臁誊？，，一——～、礁闸机电僳护暑ｊ．－～－，，”；磊、。ｏ运－『、．打印机．，●’‘～…一，’７。行气触点输出，一一…·人’”，～、、员扳键丑键盘－～～１－。、、一／’图２·５计算机机电保护系统基本构成计算机继电保护系统的硬件一般包括以下部分：（１）信号输入电路计算机保护装置输入信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号输入部分就是妥善处理这两类信号，完成单片计算机输入信号接口功能。常输入的开关量信号不满足单片计算机系统输入信号电平要求，因此需信号电平转换。为了提高保护装置的抗干扰性能，通常还需要经整形、延时、光电隔离等处理。输入的电压和电流信号是模拟量信号。由于计算机是一种数字电路设各，只能接受数字脉冲信号，所以就需要将这一类模拟信号转换为数字信号，模数变换电路也称作输入信号调整电路。（２）单片机部分计算机保护装置的核心是单片机系统，它是由单片计算机和扩展芯片构成的一台小型工业控制计算机系统，除了硬件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个单片计算机系统主要任务是完成数值测量、逻辑运算与控制、记录等智能化任务。除此之外，现代的计算机保护应具备各种远方功能，它包括发送保护信息并上传给上位机，接收集控站、调度所的控制和管理信息。（３）人机接口部分在许多情况下，单片计算机系统必须接受操作人员的干预，如整定值输入、工作方式的变更、对单片机计算机系统状态的检查等。这部分工作在ＣＰＵ控制之下完成，通常可以通过键盘、汉化液晶显示、打印及信号灯、音响或语言告警等来实现人机对话。（４）输出通道部分输出通道部分是对控制对象实现控制操作的出口通道。通常这种通道主要任务是将小信号转换为大功率输出，满足驱动输出的要求。在出口通道里还要防止控制对象对计算机系统的反馈干扰，因此出口通道也需要光隔离。显然输出通道仍然是一种被控对象与计算机系统之间的接口电路。１８山东大学硕士学位论文（５）电源部分计算机保护系统对电源要求很高，通常这种电源是逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为计算机系统所需要的直流电压。它把变电所的强电系统的直流电源与计算机的弱电系统电源完全隔离开。通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，可以完全消除掉因断路器跳合闸等原因产生的强干扰。目前计算机保护装置均按模块化设计，也就是说对于成套的计算机保护、种线路和元件的保护，都是由上述五个部分的模块电路组成的。所不同的是软件系统及硬件模块化的组合及数量不同。不同的保护用不同的软件来实现，不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成。这样的计算机成套保护装置，对于设计、运行及维护、调试人员都带来极大方便。泵站计算机励磁系统一般分为两部分构成：第一部分是励磁功率单元，它向同步电动机的励磁绕组提供直流励磁电流：第二部分是励磁调节器，它根据电动机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足电动机运行的要求。与可控硅励磁装置相比，采用以微处理器为核心构成的励磁调节装置，可将励磁调节技术提高到一个新的水平：微机励磁调节装置除了必要的硬件设备外，所有的功能都可以通过软件来完成，特别是某些由模拟式励磁调节装置难以完成或无法实现的、比较复杂的控制规律，由微机励磁调节装置来实现显得比较容易：另外，可以设计较强的自检和自诊断能力，再加上配置良好的容错设备，以及重构技术的应用，保证了较高的可靠性。计算机励磁调节装置是一种快速闭环调节装置，功率部分采用桥式全控或半控的可控硅整流电路。计算机调节装置主机ＣＰＵ常采用ＩＮＴＥＬＳ０８６或８０８５芯片，设计考虑了两种配置方式，即双机方式或单机方式。双机方式具有两套自动通道的调节器，一机工作，一机备用。工作机与备用机之间完全电隔离，两套之间的切换是根据检测系统检测到的软件、硬件及电源的故障来进行处理的。对于单机配置方式，另设有手动备用通道，这可使切换时不会产生较大的无功波动。另外，可控硅励磁调节器的设计应注意：（１）由于可控硅整流桥输出电压与控制角之间的关系不是线性的，而是非线性关系。如果计算机计算的控制电压ｕｃ采用线性关系时，则ｕｃ与可控硅整流桥输出电压之间就不是线性关系，为此需对Ｕａ作进一步处理。Ｕａ为计算机输出触发控制量。（２）由于三相全控整流桥在工频５０Ｈｚ下工作，假设为了保证对６个可控硅的顺序触发，每秒则需要３００个脉冲。如果对每个脉冲都进行计算和控制，则每秒钟就要执行采１９山东大学硕士学位论文样、计算、控制的同样程序３００次。实际试验表明，每秒进行５０次上述的调节计算，每周波改变一次触发控制角，亦即每周波６个脉冲保持相同差值的触发相应的可控硅，可以得到满意的控制效果。这样，在正常运行时，由设定的自然换相点提出中断申请，计算机在该设定的某一同步区中完成采样、计算，井将控制量输出，控制该同步区号的可控硅导通。在另外５个同步区间。计算机不再重复进行上述采样、计算，而是按时序和同步区号分别触发控制相应的可控硅导通。２．６泵站计算机直流系统泵站应装设蓄电池组向控制负荷、动力负荷供电。控制负荷包括电气的控制、信号、继电保护、自动装置等负荷。动力负荷包括直流电动机、断路器电磁合闸机构、交流不停电电源装置以及事故照明等负荷。经常性负荷：要求直流电源在各种工况下均应可靠供电的负荷：事故性负荷：要求直流电源在交流电源事故停电时问内可靠供电的负荷，并应按事故初期负荷和事故持续负荷以及随机负荷分类。蓄电池组不宜设置端电池。电池组在正常浮充电运行方式下，直流母线电压应为直流系统额定电压的１０５％：其他运行方式下直流系统母线电压不应超出直流用电设备所允许的电压波动范围８５—１１０％。电池容量计算条件应满足全厂事故停电时间内的放电容量：应计算事故初期直流电动机启动电流和其他冲击负荷电流：并应考虑蓄电池组持续放电时间内随机负荷电流的影响，应按最严重的事故方式校验直流母线电压，其最低值应满足直流负荷的要求。２．７工业电视监控视频监控系统主要根据现场需要放置摄像机，并通过通信电缆将摄像机解码器的图像数据传送到视频控制中心，以现场的实时图像作为信息内容，在控制中心通过对实时图像的处理，实现中控室对远方现场的实时监控，以直观的视频图像信号及时了解现场环境、人员工作、设备运行情况，还可以将图像信息作为历史资料加以保存，供以后使用。同时利用视频监视系统兼作安全保卫使用，信号可以在电脑网络上传输，这样管理人员通过计算机网络，直接观察现场的图像，随时了解现场的工作人员和设备的工作情况。特别是对一些无人值守的设备、对无人员操作和运转设备的监视，对环境恶劣的工作区域、水闸区域设备和人员设置监视点提供２４小时不问断监视，为故障分析等提供参考。通过多媒体技术使管理人员获取各类信息，发挥一定的安全保卫作用。视频监控系统主要包括前端摄像部分、信号传输部分、图像处理和控制部分·显示和记录部分等主２０山东大学硕士学位论文要部分组成。前端摄像部分：主要负责摄取现场画面的图像信号并将这些图像信息转变为可传输的电信号，包括摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等：信号传输部分：用于将现场的视频信号传送至计算机监控中心，及将监控中心的控制信号反馈传送到现场控制摄像点，包括解码器、视频放大器、视频电缆、信号电缆等：图像处理和控制部分：集中接收和处理现场发送回来的各种信号，并进行相应的控制和管理工作。这部分主要由数字硬盘录像机主机及多画面处理器完成：显示及记录部分：将前端设备传回的视频信号转化为图像信号并显示和记录，主要由显示器、监视器和刻录机完成。视频监控系统充分利用其他行业，如数字技术、计算技术、网络技术的发展，尤其是解码技术实现不同行业间的技术发展融合与成熟，形成行业间的相互渗透和融合，数字视频监控系统已逐渐成为视频监控系统发展的一个必然趋势。数字图像分辨率的提高，是基于日益发展完善的网络，视频监控不再存在地域或者距离的，网络技术是今后视频监控系统建设中的基础。同时，随着数字化产品价格的降低，模拟监控系统难于与其他系统兼容，实现系统间的交换和资源共享，模拟监控系统将随着市场需求量的降低而逐渐被数字设备所取代。未来的数字监控系统，不仅完成视频的存储，且支持视频的传输、控制、网络管理、智能化查询。综上所述，泵站计算机自动控制系统与常规设备相比，具有整体指标先进、网络规范、实时性好、主控计算机组态灵活、界面友好、软件模块功能齐全等优点，且操作维护方便、自动化水平高，在实际运行中具有较高的技术先进性和安全可靠性。可以预见，计算机自动控制系统必将在泵站中得以全面推广应用，泵站的现代化程度和经济效益也将会大大提高。２．８可编程序控制器ＰＬＣ简介ｃｏｎｔｒ０１ｌｅｒ，简称ＰＣ。但由于ＰＣ容易和个可编程序控制器英文称Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ人计算机（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）混淆，故人们仍习惯地用ＰＬＣ作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时／计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。ＰＬＣ是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性山东大学硕士学位论文差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是ＰＬｃ的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学：调试与查错也都很方便。第三章东湖泵站监控系统的详细设计３．１监控系统设计原则（１）监控系统本着安全、可靠、经济、实用的原则，按全计算机监控系统进行配置。系统建成后达到无人值班、少人值守的目标。（２）监控系统留有数据通信接口，以满足未来实现全线自动化监控的要求。（３）系统应高度可靠，不但其本身的局部故障不会影响现场设备的正常运行，而且系统的ＭＴＢＦ、ＭＴＴＲ及各项可靠性指标均达到部颁《水电站计算机监控系统设备技术要求》的规定“…。（４）系统配置和设备选型适应计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，系统达到当前国际先进水平。（５）采用分层分布式结构，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护用户的投资。要求软件模块化、结构化设计，使系统更能适应功能的增加和规模的扩充。（６）系统主要硬件设备采用进口产品。（１）周围环境温度和湿度：①环境温度：中控室：一５～３５。Ｃ，每小时温度变化率＜５。Ｃ／小时。现场：一１０～４５。Ｃ，每小时温度变化率＜５。Ｃ／小时。②相对湿度：中控室：４０％～７０％。现场：２０％～９０％（无凝结）。（２）尘埃：设备应根据不同安装场地考虑防尘措施，采用密闭机柜和带过滤器的通风孔。’’山东大学硕士学位论文中控室（有空调）：尘埃粒度＞０．５ｕ，个数＜３５００粒／升。现场：尘埃粒度＞０．５ｕ，个数＜１８０００粒／升。（３）海拔高度：１５００ｍ以下。（４）振动和冲击：中控室：振动频率范围为５～２００ＨＺ，加速度不超过５±Ｏ．５ｍ／ｓ的条件下长期运行。现场：振动频率范围为１０～２００ＨＺ，加速度不超过１０±１．０ｍ／ｓ的条件下长期运行。（５）噪声：由本系统设备引起的噪声应小于６０分贝。（６）状态和报警点采集周期≤２ｓ。（７）电量模拟量采集周期≤１ｓ。（８）非电量模拟量采集周期≤２ｓ。（９）事件顺序记录点分辨率＜５ｍｓ。（１０）现地控制级接收控制指令到开始执行的时间＜１ｓ。（１１）时钟同步精度±ｌｍｓ。（１２）计算机监控系统主控级平均故障间隔时间（ＭＴＢＦ）＞１７０００ｈ。（１３）计算机监控系统现地控制单元平均故障间隔时间（ＭＴＢＦ）＞２００００ｈ。（１４）可维护性（ＭＴＴＲ）＜０．５ｈ。（１５）计算机监控系统可利用率＞９９．９％。３．３系统结构计算机监控系统的网络结构采用以太网配置，选用１００Ｍ的工业以太网交换机带有光纤接口，以实现泵站内及与所辖闸站之间的通信。泵站的微机保护测控单元、直流屏的微机监控装置、各ＰＬＣ监控系统、火灾报警控制器、监控工作站等均接入１００Ｍ工业以太网，以实现泵站本身的调度控制。系统留有通信接口以满足远方调度运行要求。泵站监控保护系统采用计算机网络通信和控制技术，以分层、分布、分散式结构，完成泵站高压电动机、变压器、线路等的监测、控制、保护及远动功能。本工程设有机组现地控制单元，对机组及辅机进行自动控制，对带有变送器的流量、压力、温度等非电量进行测量显示，并具有遥信、遥测、遥控功能。现地控制单元与上位机相连，通过上位机可实现控制、测量及信号显剩…。计算机监控系统设有主控级、现地级两级，采用光纤环形以太网。计算机监控系统的重要设备双重化设置。主控层设有：调度监控工作站（２套）、视频监视主机及网络设备和附属设备等，山东大学硕士学位论文主控层设在泵站副厂房中控室，主要完成对现地控制单元进行监控，采集并汇集整理各种运行参数形成各种报表，系统组态，上传有关泵站运行状态数据，下达上级调度指令。具体功能为：数据采集与处理；安全运行监视；实时控制与调节；泵站优化经济运行；保护及事故追忆；监视、记录、报告；语音报警；远方诊断维护功能；屏幕显示；泵站设备运行维护管理；数据通信功能；软件开发功能。现地控制层设有：机组现地控制单元（１～４ＬＣＵ），主要功能为数据采集与处理、机组控制与调节、机组安全运行监视、事件检测、数据通信、系统诊断；辅机现地控制单元（５ＬＣＵ），主要功能为数据采集与处理、各种辅机运行监视、各种辅机的控制与调节、事件检测、数据通信、系统诊断；变电站及公用设备现地控制单元（１０～１１ＬＣＵ），主要功能为数据采集与处理、变电站及各公用设备运行监视、变电站及各公用设备的控制与调节、事件检测、数据通信、系统诊断。现地层设在设备现地，完成对现地设备的自动监测和自动控制【１２】。对应以上两层，系统采用两级控制，现地层为现地控制单元级，为第一级，控制权限最高；主控层为第二级，控制权限次之。设备同时只能接受两级中的一级控制，通过切换开关或软件依据权限根据具体情况而定。电源装置为两套ＵＰＳ，互为备用，单套容量ｌＯｋＶＡ／０．５Ｈ。正常情况由交流供电，事故时将直流电逆变成交流为监控系统供电。系统配置一套ＧＰＳ卫星时钟系统，其中包含时钟同步信号扩展器，在与上位机对时的同时实现与各现地控制单元（ＬＣＵ）的硬件对时功能。２４！－＿Ｈ”ｉ………．ｊ：ｔ¨ｍ－ｉ～一删……一ｊ！？竺一竺…ｊｉ一羔羔：冀竺…ｊｉ．？！竺一竺一ｊｉ…冀！掣…ｊ泔汁帐崮忤帐高黟冲山东大学硕士学位论文３．４系统软件功能（１）数据的实时检测与处理功能。系统能把各检测参数在相应画面和报表中显示出来，并根据需要对数据进行诸如最大值、最小值、平均值、累加值、定时值等的计算处理，并分类进行存储，接受各种形式的查询。（２）图形处理功能。能根据数据库绘制实时曲线图和历史趋势曲线图。（３）自动报表生成功能。能根据需要按不同的时间周期，如日、周、月、年等自动生成各种报表。（４）历史档案数据存储功能。能通过打印报表、磁盘备份和读写光盘等多种方式存储历史数据、历史曲线等。（５）自动超限报警功能。系统能根据预先设置的报警限值，在实测值超限时发出报警信息，以便及时采取措施。（６）输出打印功能。各种查询信息、图形曲线、报表等都能在屏幕上显示和打印出来。（７）通过计算机键盘或鼠标及显示器的提示，可对所有设备进行操作。（８）对所有的电气设备进行监视保护，当发生故障时报警，事故时停机，并自动显示及打印故障与事故对象、性质、参数等。（９）对泵站的压力、水位、流量等非电量参数进行监测，参数异常时，发出报警信号或停机。（１０）具有标准的ＴＣＰ／ＩＰ以太网接口，保证系统的开放性。（１１）整个监控保护系统的时间同步【１３】。（１２）微机监控装置留有远动接口，以备工程实现全线自动化。３．５继电保护微机保护单元具有继电保护功能，主变和３５ｋＶ站用变各设备的控保单元采用组屏方式，安装于副厂房的保护室内，其余各设备的控保单元均安装在各自的配电柜上。根据《继电保护和安全自动装置技术规程》（ＧＢｌ４２８５—９３）和《泵站设计规范》（ＧＢ／Ｔ５０２６５—９７）有关规定，本站主要电气设备装设如下保护：（１）同步电动机电流速断保护，瞬时动作于跳闸：过负荷保护，延时１０秒动作于跳闸：低电压保护，延时０．５秒动作于跳闸；失步保护，瞬时动作于跳闸：失磁保护，瞬时动作于跳闸；２６山东大学硕士学位论文温度保护，动作于信号。（２）异步电动机电流速断保护，瞬时动作于跳闸；过负荷保护，延时ｌＯ秒动作于跳闸；低电压保护，延时０．５秒动作于跳闸；温度保护，动作于信号（由机组ＬＣＵ完成）。（３）２５００ｋＶＡ主变差动保护，瞬时动作于主变高、低压侧跳闸；过电流保护，延时１秒动作于主变高、低压侧跳闸；过负荷保护，延时９秒动作于信号：温度保护，动作于信号：轻瓦斯保护，动作于信号；重瓦斯保护，动作于跳闸。（４）５００ｋＶＡ站用变电流速断保护，瞬时动作于主变高、低压侧跳闸；过电流保护，延时１秒动作于主变高、低压侧跳闸；过负荷保护，延时９秒动作于信号；温度保护，动作于信号：轻瓦斯保护，动作于信号：重瓦斯保护，动作于跳闸。（５）３５ｋＶ进线电流速断保护，瞬时动作于３５千伏母联断路器跳闸，延时０．５秒动作于进线断路器跳闸；过电流保护，延时１．５秒动作于进线断路器跳闸。（６）３５ｋＶ母线３５ｋＶＩ段母线ＰＴ柜上装设微机ＰＴ保护单元，具有两段母线电压绝缘检查及两段母线电压切换等功能。（７）２００ｋＶＡ站变电流速断保护，瞬时动作于站变高、低压侧跳闸；过电流保护，延时０．５秒动作于站变高、低压侧跳闸；过负荷保护，延时９秒动作于信号；温度保护，动作子信号。（８）１０ｋＶ母线１０ｋＶＩ段母线ＰＴ柜上装设微机保护单元，具有Ｉ段母线电压绝缘检查、低电压保护功能。１０ｋｖＩＩ段母线ＰＴ柜上装设微机保护单元，具有ＩＩ、ＩＩＩ两段母线电压绝缘检查、低电压保护及ＩＩ、ＩⅡ段母线电压切换功能。（９）ｌＯｋＶ馈线电流速断保护，瞬时动作于跳闸；过电流保护，延时Ｏ．５秒动作于跳闸。（１０）１０ｋＶ电容器过电流保护，瞬时动作于跳闸；过电压保护，当电压升高但未超过允许值时动作于信号，超过允许值时延时３分钟动作于跳闸。（１１）３５ｋＶ母线分段山东大学硕士学位论文电流速断保护，瞬时动作于跳闸。（１２）１０ｋＶ母线分段电流速断保护，瞬时动作于跳闸。以上各项保护均由微机保护测控单元完成。３．６测量与计量根据《电力装置的电测量仪表装置设计规程》（ＧＢＪ６３—９０）和《泵站设计规范》（ＧＢ／Ｔ５０２６５—９７）有关规定，本站主要电气设备设有如下测量、计量：（１）同步电动机电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、励磁电压、励磁电流。（２）异步电动机电流、有功功率（３）主变电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、电压、频率、功率因数。（４）３５千伏进线电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、电压、频率、功率因数。（５）３５千伏进线专用计量有功电度、无功电度。（６）３５千伏母线分段电流。（７）站变电流、有功电度、电压。（８）ｌＯ千伏馈线电流、有功电度、无功电度。（９）１０千伏电容器三相电流、电压、功率因数、无功功率、无功电度。（１０）１０干伏母线分段电流。以上各量除有功、无功电度表外，均从各对应的综合保护单元上显示。山东大学硕士学位论文３．７直流系统本站设２２０伏直流系统。２２０伏直流系统作为泵站及变电所的直流操作电源。２２０伏直流系统选用６５Ａｈ直流屏，本系统由充馈电屏１块及电池组屏２块组成。输入电压：交流３８０Ｖ±３０％；输入电网频率：４５’５５ＨＺ；交流双路电源切换装置：切换装置应具有电气及机械双重互锁‘１４】：直流额定输出电压：２２０Ｖ；稳压精度：≤±０．５％；稳流精度：≤±０．５％：音响噪声：≤５０ＤＢ。电池组采用德国阳光免维护封闭铅酸电池。（１）概述本工程视频监视系统的作用是对整个枢纽进行全方位的监视和管理。运行人员在控制室通过闭路电视监控系统能够及时、直观地观察整个现场的关键设备运行状态、人员情况和工作秩序，作为对计算机监控系统的补充，帮助运行人员进行综合判断，以达到科学化、现代化的管理目的。（２）系统组成本系统共设１６个安全监视点，其中安装固定彩色摄像机的点为１１个（３５ＫＶ高压室１个、１０ＫＶ高压室１个、主变压器３个、低压室１个、高压电容器室１个、副厂房门厅１个、中控室１个、保护室１个、通信室１个），安装全方位一体化智能型彩色摄像机的点为５个（电机层１个、水泵层１个、室外广场１个、主副厂房上游侧１个、主副厂房下游侧１个）。在控制室设多媒体工作站ｌ台、大屏幕彩色投影仪系统１套（与监控系统共用）。（３）系统功能站内１６路视频信号及输水线上、下游建筑物多路视频信号，通过以太网交换机接至多媒体监视工作站，然后通过大屏幕显示。多媒体监视工作站通过以太网与硬盘录像机连接，在多媒体监视工作站上可控制、显示硬盘录像机输出到大屏幕的画面。２９山东大学硕士学位论文任意一路图像可以切换到监视器上进行监视，每一路输出图像上均有字符、日期、时间，便于观察。根据需要，针对特定监视对象，可进行２４小时不问断录像。具有多画面处理功能，可以将多路（１路、４路、１６路）摄像机的图像同时显示在１台监视器上，并可将其记录在硬盘录像机上，便于保存、调看。系统具有图像局域网传输能力，网上的用户在得到授权以后，可以调看监控图像【１５】。电视监控系统可以方便地与计算机监控系统实行联网，与其实现联动切换图像。多媒体工作站具有如下功能：①具有全面的控制功能和最高级的优先级别，它可以对系统中任意单机实现各种控制和操纵，并可以根据具体情况实施对电视监控系统有关设备的功能锁定或解除锁定。②具有对整个系统的编程功能。⑨可以进行加密，以口令方式进入操作状态，防止无关人员使用本系统。④能够满足对音频控制的扩展接口。⑤可以接入各种报警探头。如：烟感、防盗报警等，当发生报警时，自动起动有关摄像机并同时进行录像。⑥操作界面直观、清晰、方便，所有摄像机图标均显示在一幅逼真的局域画面内，在摄像机图标上点击鼠标，能够立即切换到对应摄像机的图像。⑦视频图像可无级缩放直至满屏，可拖放至屏幕上任意位置。视频图像可以定格，能够进行任意大小静态彩色图象存储、打印【１泔汁帐商忤帐禽黟冲山东大学硕士学位论文３．９通信设施（１）对电力系统的通信本泵站变电所是电力部门的用户终端变电所，直接受电力部门调度管理。上一级变电站对本变电所实现２遥，即遥信、遥测。变电所接受电力调度部门指令，向其传输变电所３５ｋＶ断路器及主变的运行状态，测量数据等信息。对电力系统的调度通信，采用架空光纤通信，本站及上一级变电站装设光传输设备。（２）全线调度自动化通信本工程全线调度自动化通信网络采用光缆。该通信网络一方面完成工程沿线各个泵站及闸站的电话、传真等通信业务的交换和传输，同时为整个供水工程计算机监控及电视监视系统网络提供数据专用通道。该系统建成后并入南水北调东线一期通信自动化网络，达到与济南监控总站通信的要求。采用单模光纤通信方式，将各泵站及闸站所有信号转换成数据通过交换机、光缆传输至济南监控总站。每个泵站及上下游闸站设光传输交换机，采用２芯光纤通过环接的方式将泵站及上下游闸站形成局域环网（点与点之间为２芯）。（３）站内生产调度及行政通信泵站枢纽内生产调度及行政通信选用５０门的程控电话交换机，中继线２对，以便与市话连接。通过模拟转换，经光传输交换机与泵站、各闸门机房及监控总站进行语音通信。（４）通信电源选用１套４８Ｖ，１００Ａ，１００Ａｈ高频开关不间断电源，并配置２组阀控式铅酸蓄电池组作为全站通信电源系统【１７】。（２）火灾自动报警系统１）火灾自动报警系统的保护范围按照《水利水电工程设计防火规范》（ＳＤＪ２７８—９０）第１１．３．１条的规定，本站在下列场所设置火灾自动报警装置：①中控室：②保护室及通信室；③高低压配电室；④高压电容器室；⑤主要电缆廊道。山东大学硕士学位论文２）火灾自动报警系统设备火灾自动报警系统由消防报警工作站、消防报警控制器、报警总线、总线隔离器和烟感探测器等设备组成。３）消防通信设在站内的程控交换机具有１１９等接警、出警功能，站内１１９火灾报警电话具有最高优先权，其对地方消防部门设有专线电话。同时利用站内生产调度通信设备和工业电视监视系统可提供全站特殊情况下的指挥消防抢险工作。４、调度运行管理系统本工程设计调度运行管理系统的主要目的是节约能源，提高工作效率，减少运行管理人员和降低运行管理成本。该系统可对水库入库泵站、配套涵闸、管理所的高压供电系统、变压器、低压配电系统等电气设备的运行状态和故障报警进行监测，检测系统的电压、电流、有功功率、功率因数和电度数据，并根据设置对设备进行自动控制等，为节能和安全运行提供实时可行的操作平台【１８】。山东大学硕士学位论文第四章东湖泵站远程监控系统设计４．１泵站控制模型南水北调东线一期工程山东段输水工程采用全线统一调度模式进行水量调配，通过控制全线所有控制建筑物的泄流过程以保证实现节制闸前常水位的控制目标。全线统一的调度控制模式要求有针对全线所有控制性建筑物的联合控制模型，该模型能够以水量调度系统下达的水量分配方案为目标对全线涵闸进行统一控制，并以当前渠道状况作为反馈以修正对涵闸的控制达到全线闭环的效果【１９】。本系统采用两种控制模式对闸站进行控制。第一种控制模式“使用多闸联合调度模型实现全线统一闭环调度模式”是在多闸联合调度模型运行正常的情况下的基本模式；第二种控制模式“作为全线统一调度的重要补充闸站自我闭环控制模式”是在当多闸联合调度模型不能正常发挥作用，调度或计算机监控值班人员难以对闸站下达闸门开启高度指令时的补充模式。通过这一模式，采用闸站自适应的控制模式，满足各闸流量与水位控制目标【２们。本系统各闸站不接受来自其他闸站的控制指令（如分水闸不直接接受临近节制闸的退水命令，该分水命令应有节制闸报送调度中心或由调度中心、分中心根据情况直接下达。４．１．１全线统一闭环调度模型多闸联合调度模型是实现全线统一闭环控制的核心，由模型研究专题单位进行研制开发，是全线水量分配、调度、控制模型的一个重要模型。该模型在水量分配模型和水量调度模型根据水源区来水、各受水户需水、以及渠道沿线水情情况制作出水量跟配和调度方案后，将模型的计算结果，各个闸站的出泄流量和需要保持的闸前水位目标转化为合适的闸站各个闸门的开度组合和时间序列，以此闸门开度为控制目标作为闸站控制命令，以达到全线闸站统一调度，保证沿线常水位的目的。该模型被实时水量调度系统调用，通过实时水量调度系统获取沿线闸站的水位流量数据和闸站工作状态数据，并通过实时水量调度系统向计算机监控系统下达闸站开度序列，不直接与计算机监控系统发生交互关系。此时实时水量调度系统与计算机监控系统形成对全线闸站的闭环控制体系。如果当模型作为服务直接向计算机监控系统下达控制指令，则此时模型可替代实时山东大学硕士学位论文水量调度系统作为与模型的主要交互方。此时模型与计算机监控系统形成对全线闸站的闭环监控体系。模型接受计算机监控系统的实时监测信息并根据情况做出实时调整。不管是实时水量调度系统还是模型与闸站缉拿空系统进行交互，计算机监控系统对位的交互接口和提供的数据都是一致的【２１】。４．１．２泵（闸）站自我闭环调度模型计算机监控系统的监控对象是沿线各种节制闸、分水闸（口）、倒虹吸控制闸、水库及泵站等。系统接收来自实时水量调度系统或计算机监控系统值班人员下达的针对这些闸站中单个、一群、或全线闸站的控制指令，执行这些控制指令，同时，监测指令执行状况、闸门上下游水位流量状况、以及闸站工作状态并返回调度系统。当使用全线多闸联合控制模型进行控制时，这些控制指令时对所有控制闸站每个闸门开启高度的时间序列（如当指令来自调度系统或计算机监控系统值班人员）。当模型出现故障，或在紧急情况下，闸站自身应该保留对以闸站在一段时间内闸前／后所应达到的流量以及（或者）闸前水位以及其波动幅度的水为目标（如当指令来自计算机监控系统值班人员）的控制方式。此时，计算机监控系统需要能够实现自我反馈的自我目标闭环控制，需要启闭模型进行支持。其中，退水闸和泵站不需要启闭模型。而３座水库、７个泵站有的控制系统。根据所下达的指令的目标不同，计算机监控系统采用不同的控制模式。１）当下达的指令为闸门开启高度序列时，计算机监控系统只作为该指令的执行系统，进行闸门控制，并返回闸前闸后水位和流量信息。２）当下达的指令为闸后流量及闸前水位控制范围或闸前水位时，计算机监控系统将命令分解下达给现地闸站，由现地闸站完成流量／水位为控制目标的闭环控制。４．２用户与系统的交互４．２．１用户及其管理范围和权限计算机监控系统的用户分为两类：操作用户和系统用户。操作用户指对计算机监控系统那进行操作的人员，系统用户是指需要对计算机监控系统进行输入输出操作的外部系统。１）操作用户ａ．用户管理级别远程计算机监控系统是多级、多点监控系统。多级指控制系统的用户分多个级别，多点指对监控对象进行监控的地点有多处。多个级别的用户分为总公司、分公司、管理山东大学硕士学位论文处三级用户，该用户为操作人员。多个地点表现为每个用户单位都要安装本地的监控系统，在本地对监控对象进行监控。因此从监控系统安装的位置来看，是在多个地点。其中，从管理的权限上来说，每一个层次的用户，不管是系统或者人员属于同一级别。管理级别从高到低：中心最高，其次为分中心，管理处最低‘２２１【２３１。ｂ．管理范围三级用户管理的闸站包括节制闸、分水闸（口）、倒虹吸、水库、泵站等控制建筑。其中，３座水库、７个泵站采用的现地闸站控制系统，并通过信息交换服务器与上层系统连接，其他闸站的现地控制系统以与远程监控系统统一的方式与本系统进行连接。各级用户监控自己管辖范围内的闸站，不能跨区域或越级监测和控制。ｃ．控制级别管理级别不等于控制级别。在本子系统中，现地控制级别最高，其次是中心和分中心，而管理处通常不具有控制权限。２）外部系统用户中心水量调度业务处理系统各分中心水量调度业务处理系统；这两个系统分别需要从计算机监控系统中读取和输入信息，因此广义上来讲，它们也是计算机监控系统的用户。４．２．２管理处监控系统用户除了与分中心计算机监控系统用户关注的闸站范围不同，以及没有对闸站的控制权和不能更改告警外，管理处计算机监控系统用户与计算机监控系统的交互内容与分中心计算机监控系统用户与系统的交互基本一致。交互１：计算机监控系统确认身份操作人员身份用户使用系统，首先要获得系统对用户身份的确认。交互２：操作人员查看基础数据能够查看所辖闸站的基础信息，包括：闸站地点、闸门状况、启闭机状况、流量率定参数等。交互３：操作人员查看调度目标、调度指令能够查看调度系统下达的所辖闸站范围内的调度目标和调度指令。能够以图形方式动态显示在一定时间内所辖闸站范围内的调度目标水面线。交互４：操作人员查看实时数据和告警信息Ａ．查看实时水位流量数据和告警信息能够以列表和基于ＧＩＳ的方式查看所辖闸站的实时水位、流量数据。能够以图形的３６山东大学硕士学位论文方式实时显示所辖闸站范围内的实时水面线，并可叠加调度目标水面线。这一过程称为“模拟”。能够以图形的方式实时显示一个闸的水位、流量实时曲线。这一过程称为“趋势”。能够以醒目方式及时捕获所辖闸站告警信息。告警信息包括：重点地点水位、流量超限。在操作人员离开操作界面时，重大告警信息要以短信方式通知操作人员，并能通过短信查询信息【２４１。Ｂ计算实施水量数据和相应告警根据获得的实时水位流量数据计算所辖闸站范围内每两节制闸问的实时水量ｆ２５１，当水量超限进行报警。在操作人员离开操作界面时，重大告警信息要以短信方式通知操作人员，并能通过短信查询信息。ｃ．查看实时运行状况和工况能够以列表和基于ＧＩＳ的方式查看所辖闸站的实时运行状况和工况数据。能够以数据和图形的方式实时显示一个闸的运行状况和工况。能够以醒目方式及时捕获告警信息。告警信息包括：闸门超载、意外停机等等。在操作人员离开操作界面时，重大告警信息要以短信方式通知操作人员，并能通过短信查询信息。Ｄ．查看实时环境数据实时环境信息一般在查看单个闸的运行状况时作为重要参数配合显示。能够以醒目方式及时捕获告警信息。告警信息包括：高压超负荷等等。在操作人员离开操作界面时，重大告警信息要以短信方式通知操作人员，并能通过短信查询信息。交互５：操作人员查看历史数据和告警信息Ａ．查看历史水位、流量、水量数据能够以列表方式查看所辖闸站范围内的历史水位、流量数据。能够以图形的方式显示所辖闸站范围内沿线在一定时间内的历史水面线【２６１，并可叠加同一时段的调度目标水面线。这一过程称为“模拟”。能够以图形的方式显示一定时间内一个闸的水位、流量历史曲线。这一过程成为“趋势”【２７】。能够以列表方式查看所辖闸站范围内的历史水量数据。能够以图形的方式显示在一定时间内的历史水量变化曲线，并可叠加同一时段的调度目标水量变化曲线。Ｂ．查看历史运行状况和工况能够以列表方式查看所辖闸站范围内各闸一定时间内的历史运行状况和工况数据。交互６：操作人员对实时和历史数据进行统计对以上需要查看的信息，根据用户的选择进行统计。山东大学硕士学位论文４．３总体功能系统的总体功能分为七项：（１）与调度系统进行数据接口接口与调度系统进行通讯，接受调度系统下达的调度目标、调度指令及与调度相关的告警设置信息，向调度系统传送实时数据与历史数据【２８】【２９１。（２）身份验证远程系统的身份验证也包含闸站现地的身份验证对四级用户登录者进行身份和权限判断，如果是系统的合法用户，则赋予用户合法的管理范围和权限。（３）闸站信息采集与告警数据信息采集与告警功能从闸站现地ＰＬＣ或泵站数据交换服务器采集实时数据，按照告警设置分级产生告警信息，并将采集的实时数据与告警传送到闸站现地、管理处、分中心与中心。数据采集信息包括：闸前／闸后水位、流量，闸门运行情况，闸门保护情况，启闭机状态，以及动力状态。采集后的数据要进行数据检查和数据计算。信息告警采取多种形式，并在值班人员离开时能够以短信方式通知值班人员，并能通过短信查询信息。（４）泵（闸）站控制此功能接收调度系统调度指令与计算机监控系统操作人员控制指令，分解调度指令形成单闸控制指令，进行控制权限识别与判断过程，利用闸门启闭模型形成闸门控制开度序列，并可在真正执行命令前模拟执行结果，最终形成闸门控制命令，下达ＰＬＣ进行操作，并监测运行结果，对运行结果进行反馈跟踪，重新生成闸门控制开度序列的闭环控制的全过程。（５）信息存储该功能将实时采集后的实时数据存储如工业数据库，然后依照自动转存机制转存入普通关系数据库系统形成历史数据。工业数据库按照扫描周期存储实时监测和控制数据，普通数据库以较大的时间粒度存放业务需要的工作数据。需要转存入普通数据库的数据有：水位、流量、水量数据，闸门运行数据和闸门控制数据‘３０１。（６）信息查询检索该功能实现实时数据、历史数据的查询检索与基础信息的查询检索。可以以ＧＩＳ或者图表的方式，显示闸站的重要监测数据，如闸前闸后平均水位、流量，闸门高度、其启闭机工作是否正常状态、告警。可以对数据进行模拟和趋势显示，可以叠加同一时刻的目标模拟与趋势以进行对比。山东大学硕士学位论文（７）系统管理。该功能实现系统的运行管理。包括系统参数设置、用户角色安全管理、系统运行日志管理，以及系统告警信息管理【３１１。４．４表现层设计系统界面指系统呈现给其他系统的接口，以及呈现给系统用户的人机操作界面，是三层架构中的最上层，它调用中间领域层的各种服务。计算机监控系统的系统界面分为与调度系统的界面和计算机监控系统用户界面两大类，由于计算机监控系统用户级别不同，对系统的操作界面要求也不同，又为分中心监控界面、分中心监控界面与管理处监控界面三类。除了与分中心计算机监控系统用户关注的闸站范围不同，以及没有对闸站的控制权和不能更改告警外，管理处计算机监控系统用户与计算机监控系统的交互内容与分中心计算机监控系统用户与系统的交互基本一致【３２１。管理处监控界面功能结构图如下：图４．１管理处监控界面功能结构图管理处监控界面功能结构图（１）调度系统接口界面调度系统接口界面是调度系统与计算机监控系统互相交换信息、传递命令与执行状态的接口界面。该界面对应于调度系统的有关应用，和计算机监控系统业务层的有关处理。计算机监控系统共有四种业务处理与调度系统有接口：调度目标、控制指令、告警指示、实时数据以及历史数据。调度目标和控制指令是调度系统向计算机监控系统发布３９山东大学硕士学位论文信息，实时数据和历史数据是计算机监控系统向调度系统发布信息。１）调度目标接口：输入：调度系统请求调度目标传送。任务：为计算机监控系统传送调度目标。输出：计算机监控系统得到调度目标。２）控制指令接口：输入：调度系统请求调度指令目标传送。任务：为计算机监控系统传送控制指令，向调度系统传送调度命令执行完毕信息，并接受计算机监控系统返回的指令完成情况。输出：计算机监控系统得到调度指令目标。３）历史数据接口：输入：调度系统请求获得历史数据。任务：向计算机监控系统申请历史数据并传送给调度系统。输出：调度系统获得历史数据。４）实时数据接口：输入：调度系统请求获得实时数据。任务：向计算机监控系统申请实时数据并传送给调度系统。输出：调度系统获得历史数据。（２）中心监控界面该界面是调度中心的计算机监控系统与操作人员的人机交互界面。它向操作人员呈现所需的数据和告警信息，并接受操作人员的控制指令。分为六大功能：（１）身份验证；（２）实时数据监测与告警；（３）闸站控制；（４）告警设置：（５）历史数据检索（查询统计）；（６）系统管理等，分别调用相应的应用服务完成。其中，实时数据监测与告警、闸站控制、告警设置、历史数据检索（查询统计）、系统管理分别需要业务层相应功能的支持。山东大学硕士学位论文４．５监测控制子层设计４．５．１调度系统接口接口包括调度目标接口、实时数据接口、历史数据接口、控制指令接口和告警设置接口。它们分别调用业务层的调度目标处理、采集告警逻辑、闸门控制逻辑等模块与数据访问层的数据读取模块。其中，只有调度目标处理模块是单独为调度系统接口而设立的，其它的模块如采集告警逻辑、闸门控制逻辑、告警设置与历史数据读取模块都分别对应有监控系统操作界面的任务，因此在本节中只描述调度目标处理模块，其他模块则分别在下列各节叙述‘３３１。调度系统接口服务逻辑如下图：图４·２调度系统接口服务逻辑图调度目标处理：输入：调度目标。任务：为闸站系统传送调度目标。输出：调度目标对象。并传给调度目标存储单元。４．５．２身份验证身份验证包括身份验证服务。验证身份：输入：身份数据。任务：读入界面提供的用户名和密码，调用数据库用户身份判断过程，如果用户名和密码都匹配，则调用数据库用户角色判断过程，得到角色信息后，允许用户以该角色进入操作界面进行浏览或控制‘３４１。身份验证也包含闸站现地的身份验证。输出：成功／不成功。４ｌ山东大学硕士学位论文系统的用户按照角色进行管理。闸站系统的用户纳入统一管理。色角和权限有：表４一ｌ序号１角色系统管理员中心高级用户中心操作用户中心一般用户管辖范围浏览所有闸站是是是是是是是是是是权限控制是是是操作配置是是安全管理是备注２３所有闸站所有闸站所有闸站辖区所有闸站辖区所有闸站辖区所有闸站４５６７分中心高级用户分中心操作用户分中心一般用户是８管理处操作用户辖区所有闸站４．５．３告警设置告警设置处理：输入：告警对象和告警值。任务：为闸站系统传送需要的告警内容。输出：告警设置后无输出，但传告警对象和告警值给存储单元。４．５．４闸门控制逻辑闸门控制逻辑完成以闸门控制为核心的相关任务，包括“指令接受／权限判断”单元，“指令处理”单元，“单闸指令处理”单元，“闸门启闭模型”单元，“闸门开度序列单元”，“闸门控制”单元，“指令告警设置”单元，“调度目标处理”单元，以及“指令模拟”单元。其中，“单闸指令处理”单元、“闸门启闭模型”单元、“闸门开度序列单元”、“闸门控制”单元都是针对每个闸站进行控制的。远程系统中保留完整地执行从多闸指令到单闸处理的所有功能，并同时在闸站现地安排现地的功能。使用哪一个视具体的运行情况而定。一般情况下，单闸指令从中心或分中心下达到闸站现地，当闸站现地出现故障时，启用中心或分中心处理单闸命令的过程，直接对闸站进行控制。调度系统和中心、分中心监控系统操作人员下达的调度指令下达给“指令接受／权限判断”单元，该单元按照操作员的操作权限进行判断，决定是否接４，山东大学硕士学位论文受该指令，如果接受指令，则将指令传递给“指令处理”单元。“指令处理”单元将指令中携带的告警信息传递给“告警设置”单元，将指令（来自调度系统）中携带的调度目标信息传递给“调度目标处理”单元阳５１，同时也将指令信息传递给“指令存储”单元，然后将指令按照指令所涵盖的闸站，分别分发给不同闸站事例的“单闸处理”单元，故在下图有多个“单闸处理”单元。“单闸处理单元”将指令插入指令队列中，并利用“闸门启闭模型”处理调度指令队列中的指令，将其分解成闸门开度动作序列传送给“闸门开度序列”单元，同时监测指令目标的实际变化情况，比较指令目标的实际监测值与目标值的误差，决定是否再次启动起闭模型进行能够再次指令运行，这个过程，称为闭环控制过程。“单闭处理”单元是否启用闭环控制过程，可由系统管理设置完成。之后“闸门开度序列”单元将单个的闸门开度分发给“闸门控制”单元，通过“闸门控制”单元最终发送控制命令给Ｉ／Ｏ服务，从而下达给ＰＬＣ。同时，“告警设置”单元进行告警设置并调用“告警存储”进行告警存储ｂ现地闸站操作人员的控制指令直接下达给“单闸指令处理”单元，并总是具有最优先权。此外，在监控系统操作人员下达指令之前，可以反复对所将要下达的指令进行“指令模拟”，并对指令可能造成的效果进行虚拟模拟，从而确定所下达的指令能够满足“调度目标”的要求。在以上的过程描述中，每个单元都相应地对应于一个对象或者服务。由于计算机监控系统建立在分布架构中，这些对象或者服务可以进行灵活的部署。其中，处理针对多个闸站的调度指令的单元集可以部署在中心或者分中心，接受中心或分中心的指令并对其进行分解。而针对单个闸站的控制指令单元可以部署在闸站现地，接受分解后的单闸指令ｂ闸站控制服务逻辑如下图：山东大学硕士学位论文图４－３闸站控制服务逻辑图１）指令接受／权限判断单元Ａ、输入：指令“指令接受／权限判断单元”首先接受控制指令。控制指令对一个或多个闸进行控制。描述了下达指令的用户和所进行控制的内容。控制内容包括：所要控制的闸站、指令类型、闸门在时间序列上对这种控制类型所应达到的目标，以及完成此指令需要进行告警的内容。此外，指令还可以指定此次指令相关的调度目标。指令是一个复杂结构，包含多种因素在时间序列上的数据。ａ．输入指令内容一：下达指令的用户用户可以为中心调度系统、分中心调度系统、中心监控操作人员、分中心监控操作人员以及闸站现地监控操作人员口８｜。ｂ．输入指令内容二：控制闸站可以对单个或多个闸站进行控制，每个闸站的指令类型可以不同。对每个控制闸站描述其指令类型和指令目标序列。ｃ．输入指令内容三：指令类型控制指令类型指闸门以哪一个参数为控制对象：卜一闸门开度、２一闸前或闸后水位、３一闸前或闸后流量。作为的控制单元，闸门应该有能力以多种参数为控制对象，从而方便不同的调度用户对其进行控制。原则上说，以闸门开度为对象的控制最简单，而以闸前／闸后水位或闸前／闸后流量为对象的控４４山东大学硕士学位论文按照指令所涵盖的闸站，分别分发给不同闸站的事例的“单闸指令处理”单元。方法二，指令追踪：根据“闸门开度序列”对闸门控制执行的情况，标志指令是否完成，并传递给“指令接受／权限判断”单元以返回用户。方法三，指令存储：在得到指令和进行指令分解后，调用“控制指令存储”单元，存储指令和生成的开度序列，并在指令成完时将存储的指令标记为己完成。方法四，指令告警：分离告警信息，调用“指令告警”单元设定随指令一起下达的告警信息。方法五，调度目标：分离调度目标信息，调用“调度目标处理”单元处理调度目标。Ｃ、输出：传给各相关单元。３）“单闸指令处理”单元Ａ、输入：单闸指令Ｂ、任务：接受来自“指令处理”单元的单闸指令，接受现地闸站下达的控制指令，并设置现地闸站指令为最优先级。对单个闸接收到的指令进行指令分解，传送给“闸门开度序列”。现地闸站下达的控制指令类似于调度指令，只是目标闸站只有一个。本单元还要进行指令目标的监测数据与实际数据是否相符的判断。闭环控制只对水位和流量指令目标进行。是否进行闭环控制可以系统设置中决由【４４］＾巴方法一，指令分解：需要将指令序列转化为闸门可操作的开度序列。此时，“指令处理单元”需要调用“闸门启闭模型”进行这样的计算。值得指出的是，不仅对以水位、流量为控制对象的控制指令需要通过“闸门启闭模型”的计算，以闸门开度为控制对象的控制指令也需要通过“闸门启闭模型”的计算。这是因为虽然闸门控制对象为“闸门开度”，但是整个渠道的调度要求需要确保闸前水位的波动范围在一定限度之内，因此为了达到所要求的闸门开度而不造成过大的水位波动，山东大学硕士学位论文在对某些大闸进行操作时，要求闸门分次起闭，以使闸前水位能够缓慢平稳变化。分解后的指令形成“闸门开度序列”传递给“闸门开度序列”单元。ｃ、输出：开度序列，并传送相关单元。方法二，闭环控制：本方法可由系统设置禁止进而屏蔽掉。在渠道控制中，一般而言，对渠道闸门的控制采用以闸前水位或闸后流量为控制目标的闭环（带有反馈信息）控制。在对实测水位／流量数据进行比较后，调整闸门开度，直到实测水位／流量与目标值相符。调整控制方法可以采用传统的ＰＩＤ控制。为了避免对闸门操作的多次频繁启闭，可以设置对水位／流量目标值的波动幅度。在此幅度之内，可以认为满足目标。也可以对闸门操作规则加以，使其避免频繁操作引起的不良后果。本方法要比较监测数据与控制数据之间的误差范围，当误差超过能够忍受的幅度范围，将决定再次调用闸门启闭模型，以目标量需要增加或减少的变化为目的，来调整闸门开度的能力。４）“闸门启闭模型”单元输入：单闸指令。任务：“闸门启闭模型”单元将调度指令下达的以水位、流量、闸门开度为目标的控制指令序列转化为一个闸门开度序列链。此闸门开度序列链要能满足闸前水位平缓变化的特点，因此对于一个闸门开度目标，可能采取多级起闭的开度序列。启闭模型也要接受以目标量的变化为目标的申请。得到在原有闸门开度的基础上，当增加或减少一定的目标量时需要调整的闸门开度序列ｎ输出：开度序列。“闸门启闭模型”所采用的算法在模型系统中进行描述。此处使用模型的结论。对该模型的进一步描述在“模型”一节。５）“闸门开度序列”单元输入：开度序列。任务：接收来自“指令处理”的闸门开度序列指令，维护闸门开度序列，山东大学硕士学位论文并把序列中的单一闸门任务传送给“闸门控制”任务。同时从“闸门控制”任务得到每一个指令是否成功下达给ＰＬＣ的反馈。得到反馈后将所发出的开度指令存入数据库。方法一，增加闸门开度序列：把“指令处理”的闸门开度序列加入现有的闸门开度序列。增加时依据闸门操作时间调整闸门开度序列，保证序列按时间升序排列Ｈ引。方法二，删除闸门开度序列：当“指令处理”中的指令被删除时，其相应的闸门开度序列也要被删除。方法三，升序排列队列：按闸门操作时间升序排列队列，使得最早的动作最先执行。方法四，推送开度命令：将队伍最末端的开度命令（最早的）传送给“控制”任务。方法五，命令正确下达反馈：从“闸门控制”得到命令正确下达的反馈。当同一指令的所有开度序列都己执行完毕，则反馈“指令处理”单元指令已全部完成。方法六：指令存入数据库：调用“闸门开度存储”单元，在指令下达时将指令存入数据库，并在正确下达后打上命令下达时间。输出：指令成功标志，并传送相关单元。６）“闸门控制”单元输入：闸门启闭指令任务：接受“闸门开度序列”指令，对卷杨机、螺杆式启闭机进行控制，按照闸门开启高度进行启闭控制，并检测命令是否成功下达。同时，远程监控系统与闸站现地系统的权限管理在此处有反映。方法一，设置闸门开度：将闸门开度序列中的闸门开度赋予某个闸门的设定开度值。方法二，执行：使闸门按照设定开度运行。执行时不同的启闭机有不同的方法，此方法隐藏在ＰＬＣ逻辑中。如启闭方法有：升：启动，开闸，挂挡铁；降：启动，拉闸铁，关闸。方法三，返回命令是否成功下达：当网络运行畅通，命令下达到闸门，并山东大学硕士学位论文且闸门没有正在被现地操作时，“闸门控制”单元监测到命令正确下达信息，且返回给“闸门开度序列”。输出：指令成功标志，并传送相关单元。７）“告警设置”单元输入：告警对象和告警值。任务：接受“指令处理”单元分发的与指令相关的告警信息，进行告警设置，并调用“指令存储”单元将告警设置存入数据库。与调度系统接口中的“告警设置”是同一个单元。输出：无输出，传送告警对象和告警值给存储单元。８）“指令存储”单元输入：指令。任务：“指令存储”单元接受下达的指令将其存入数据库，并在指令完成后，对指令置成功标志。此功能属“数据存储”服务中的功能，在“数据存储”中有进一步说明¨７｜。输出：成功标志。９）“告警存储”单元输入：告警对象和告警值任务：“告警存储＂单元接受“告警设定”单元下达的与指令相关的告警，并将其存入数据库。输出：成功标志。１０）“闸门开度存储”单元输入：闸门开度序列。任务：“闸门开度存储”单元接受“闸门开度序列”下达的指令、开度序列，并将其存入数据库，并在开度序列指令完成后，对开度序列置成功标志。此功能属“数据存储”服务中的功能，在“数据存储”中有进一步说明。输出：成功标志。１１）“指令模拟”单元输入：模拟选项。任务：指令模拟是为当需要闸站操作用户直接下达控制指令时，对多个闸山东大学硕士学位论文制最复杂∞引。系统不要求对闸门控制对象实现ＰＩＤ或其他类似的闭环反馈控制过程，只要求在“闸门启闭模型”的基础上，能够从水位或者流量数据得到相应的闸门开度数据，以闸门开度为目标进行单向控制，在控制完成并有一定稳定时间后，对控制对象进行监测，如果控制对象达不到目标定义的要求，即产生报警。通过与操作人员的报警交互，可以通知操作人员对调度结果进行监测，由调度人员再对闸门操作进行调整，从而避免闸门自行调整而引起的上下游水位波动，造成整个河段的河面不稳定状况ｎ引。ｄ．输入指令内容四：指令目标序列对每一个控制闸站，有一个指令目标序列。一般情况下，指令呈时间延续性，即系统或操作人员下达的指令在一段时间内有交往，因此指令目标是一个时间序列，且必须批量明起始时间和终止时间Ｈ１｜。这样指定的目的，另外一方面是为了避免低级用户在高级用户下达指令之后干扰指令发挥正常作用。此外，有可能为了适应用水单位的用水需求，下达的指令在时间上是变化的，因此，综合上述指令的延续性，指令目标的表现形式是梯度变化的指令目标序列。ｅ．输入指令内容五：指令相关告警调度系统可以将需要的告警信息和调度指令一起下达。上文指出系统不采用闭环控制，而是使用相关告警信息使用户能够监测控制结果。相关告警内容是一个告警链，指出此次指令需要检测的告警对象和告警值。告警对象可以是此次调度指令包含的水位、流量，也可以不在此调度指令中，而是与指令有关系的其他监测点的水位或流量Ｈｆ．输入指令内容六：指令相关调度目标可以指定与本次指令相关的调度目标，作为调度指令最终达到的效果的依据。该目标可以是以前已经通知闸站系统的，也可以在本次指令下达的同时传入。只有调度系统下达的指令能够同时传入调度目标。Ｂ、任务：“指令接受／权限判断单元”要对接受的控制指令进行权限判断，以决定是否接受或部分接受该指令。并接受“指令处理”关于指令是否完成的信号，返４５山东大学硕士学位论文回成功信号给系统界面Ｈ方法一：权限判断对用户对闸门控制的权限进行逻辑判断。判断规则为：当新指令与旧指令在时间上有冲突或交叠时，其冲突或交叠的部分以权限高的用户为准，并保留没有冲突部分的权限低的用户的指令。即权限高的用户的指令可以覆盖同一时间段上权限低的用户的指令。方法二：指令追加指令能够“追加”与“删除”。指令“追加”将调度系统或操作人员下达指令追加进指令队列中。追加前，要先调用“权限判断”方法进行权限判断，判断并接受后加入队列。指令按照闸门操作启示和终止时间排序。所有后面指令的起始时间，必须晚于前面指令的终止时间。指令追加后传递给“指令处理”单元。此时“指令处理”单元处理的是在时间序列上排序好的指令队列。方法三：指令删除指令“删除”指调度系统或操作人员删除现有调度指令。只有权限高的用户删除权限低的用户的指令，或者用户删除自己的指令。删除指令时，需要将己经传递给“指令处理”单元和已经分解为“闸门开度序列”的指令一并删除。方法四：指令完成返回接收“指令处理”单元对指令的追踪信号，当指令完成后，为指令置指令完成标志。输出：指令对象，以及传给各相关单元。２）指令处理单元Ａ：输入：指令。Ｂ、任务：“指令处理”单元要完成对指令的权限判断、指令分发、指令追踪、告警设置、以及指令存储等工作。方法一，指令分发：山东大学硕士学位论文站的一次调度指令可能对一个河段内水面线造成的影响进行估算。该估算模型的内容由“相关模型”一节中指令模拟模型进行说明。输出：模拟结果序列。４．６数据访问子层设计数据访问子层是业务层的第二个子层，位于监测控制子层之下，为监测控制子层和表现层提供与数据库的数据访问。数据访问子层负责访问数据库，按照表现层和监测控制子层的要求读取数据，并形成他们所要求的格式呈现给表现层和监测控制子层。数据访问子层也负责访问数据库，将表现层和监测控制子层准备好的数据写入数据库【４引。数据访问子层要从数据库读取数据向表现层和监控子层提供数据，它是对数据读写操作的集合。根据上述监测控制子层的分析，在下图中罗列出所需要的多种数据读的要求。图中箭头表示数据源流向。图４．４数据读要求图数据访问子层要根据表现层和监控子层的存储要求向数据库存储数据。根据上述监测控制子层的分析，在下图中罗列出所需要的多种数据写的要求。山东大学硕士学位论文图４．５数据写要求图上图绘制出实时采集数据要存储入工业数据库，然后转存入普通关系数据库系统。计算机监控系统使用工业数据库存储所有需要存储的实时采集信息、计算信息和告警信息、【５２】１５３１。这种工业数据库存储的数据根据系统扫描周期的设定可以是秒级的。这种细粒度的数据为记录系统运行状态，查找故障提供了保证。工业数据库提供数据存储机制从采集逻辑中以高效快捷的方式直接读取和存储数据【４９】。普通数据库存放业务需要的工作数据，一般不需要像工业数据库那样细的时间粒度的数据。因此存放在工业数据库中的大量实时数据要转存入普通数据库，形成历史数据。需要转存入普通数据库的实时数据有：实时水位、流量、水量数据，闸门运行数据和实时发送的闸门控制数据和异常情况下的状态数据。存储方式有三种：１）根据一般水文对数据粒度的要求，水位、流量、水量数据时间按时段进行存储，时间粒度为十分钟。２）闸门数据和闸门控制数据，按实际发生的情况记录，同时记录当时所有的闸门监测状态信息。３）当有异常情况发生时，如闸门操作异常，水位、流量变化幅度异常等，记录所有当前监测信息在数据操作中，所有的读操作都直接来自普通数据库，这是因为界面上的实时数据都直接从数据采集逻辑中读到，不需要数据库的支持，而所有其他数据读的要求都是对历史数据的要求，都来自普通数据库∞１。而在所有的写操作中，除了实时数据外，其他的数据如调度目标数据、命令数据、告警设置数据等要存入普通数据库。工业数据库提供数据存储机制从采集逻辑中以高效快捷的方式直接读取和存储数据。经过转存后，所需要的大５２山东大学硕士学位论文粒度采集数据存入普通数据库。以下对数据读取的描述全部针对普通数据库对每一种类数据对象的操作建立一个读写单元，同一数据对象的读和写可以组合在一起。该单元使用ＳＱＬ或调用数据库的存储过程读入要读写的数据块，组织成为数据集，该数据集即是界面或监测控制子层所有单元与数据库访问的交互界面。所有的读写操作都在此数据集上完成，而该数据读写单元则负责维护数据集，及完成来自界面和监控子层单元的读写要求【５“。４．７数据源层设计４．７．１ＰＬＣ访问对ＰＬＣ访问的要求是：对于计算机监控系统写入ＰＬＣ的数据，要求其写入和读出从两路进行，确保系统能够确认写入ＰＬＣ的数据已经真实写入【５４１。４．７．２泵站监控接口东湖泵站具有的现地计算机监控系统，具有设计、平台、软件，但需要将其接入本计算机监控系统【５５１。在泵站计算机监控系统中，设有两个互为备份的数据交换服务器负责与上级系统的数据和命令交换。当泵站计算机系统设置为“接受上级命令”状态时，本计算机监控系统就可以经由该交换服务器下达控制指令到泵站：平时，本计算机监控系统可以直接采集泵站计算机监控系统向本系统开放的数据。３个水库具有的现地计算机监控系统，具有设计、平台、软件，但需要将其接入本计算机监控系统。在水库计算机监控系统中，设有两个互为备份的数据交换服务器负责与上级系统的数据和命令交换。当水库计算机系统设置为“接受上级命令”状态时，本计算机监控系统就可以经由该交换服务器下达控制指令到泵站；平时，本计算机监控系统可以直接采集水库计算机监控系统向本系统开放的数据。山东大学硕士学位论文第五章结论与展望计算机监控系统作为南水北调东线第一期工程山东段调度运行管理系统中的关键子系统之一，是南水北调东线一期工程山东段实现优化调度、提高运行和管理自动化水平的基础【５们。在省调度中心和各调度分中心，建立先进、实用的计算机监控系统。在保证安全的前提下，通过各泵站、重要闸站（分水口门）的计算机监控系统，在省调度中心和调度分中心实现对各泵站、重要闸站（分水口门）的远程控制，以实现现地站内的“无人值班、少人值守”目标。展望：／在通信传输和计算机网络建设的基础上，采用先进成熟的计算机、自动控制和传感器技术，通过现地监测、控制等自动化设施建设，实现对南水北调东线第一期工程山东泵站、水闸的运行信息和运行状态的远程监测和控制‘５７】；／在水资源调度配置子系统和视频监视系统的支持下，完成系统内所有泵站、闸站的自动化、一体化日常调度：／在水调度仿真子系统的支持下，实现资源优化配置，调水优化管理，降低调水能耗比，取得企业经济、社会效果双赢：／遇到紧急情况时，和相应子系统协同工作，完成系统内所有泵站、闸站的紧急调度；／确保南水北调东线第一期工程山东段精确、安全输水，缓解沿线缺水状况，全面促进地方经济和谐、健康发展。５４山东大学硕士学位论文参考文献【ｌ】钱锋．抽水泵站自动控制系统的应用与设计【Ｊ】，合肥工业大学学报，２００６，１７（６）：３７３．３７８【２】戴崇．某大型泵站自动控制系统的设计与研究【Ｊ】，合肥工业大学学报，２００７，１４（３）：１５８．１６７【３】张小燕．引黄济青泵站远程监控系统的设计与实现【Ｍ】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作者：

学位授予单位：

邢晓明山东大学

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