基于一體化管控平臺的泵站監控系統研究

摘 要：

基于一體化管控平臺的泵站監控系統（IMC）具備高度的可靠性、開放性和集成性，對當今的大型泵站監控具有重大作用?，F詳細介紹基于一體化管控平臺的泵站監控系統的設計思路，包括系統的組成、網絡結構，并依托某配水工程項目詳細說明各子系統功能，主要包括工程監控系統、安全監測系統、全景監控系統、調度管理系統、智能告警系統、視頻監視系統及信息管理系統等，可為水利工程泵站自動化監控系統改造提供借鑒。

0 引言

大型泵站由主體建筑、水泵、各種輔助設備和泵站運行管理人員構成，在用水、灌溉、發電、防洪等方面具有不可忽視的作用。20世紀80年代以來，計算機監控系統在我國大型泵站中迅速發展應用。1994年，“無人值班，少人值守”的理念開始在我國流行[1]。直至今日，經過40年的發展，我國大型泵站及水電廠的自動化、計算機監控系統、流域遠程集控系統已形成較為完整的體系。而自動化技術、人工智能的迅速發展，對大型泵站的可靠性、標準化、智能化、經濟性提出了更高的要求?，F有的自動化監控系統在一體化、信息共享、智能化等方面仍有不足，不能滿足日漸提升的需求，因此，大型泵站在自動化、智能化改造方面仍有巨大的潛力，可以進一步推動“無人值班，少人值守”要求的落實[2]。

南瑞基于一體化管控平臺的泵站監控系統具備高度的開放性和集成性，該監控系統集成的設備均為目前市場上主流產品，在軟件方面，系統軟件和應用軟件易于擴展和升級，且支持軟件二次開發，可根據工程的實際情況及用戶要求進行修改；該系統具備的集成性特征使得系統中的各個單元具備獨立性，保證了系統中各個單元之間的故障響應較小，因此，不會出現受控設備因各種因素而發生的誤動和影響整個系統功能的重大故障，具備較高的可靠性。該系統已有國內十幾個大中型引調水工程自動化信息化系統的實施經驗，具備高度的穩定性、可靠性、開放性和可維護性[3]。

1系統總體設計

1.1 系統組成

基于一體化管控平臺的泵站監控系統主要由工程監控、安全監測、全景監控、調度管理、智能告警、視頻監視及信息管理等應用組成，各應用的功能相互結合，使泵站管理更加標準化、智能化、精準化，并在最合理范圍內減少泵站工作人員的工作量。工程監控的對象為所有可控設備；安全監測的對象為泵站的運行狀態；全景監控以全景圖的方式顯示各類監控信息和結果；調度管理能夠實現調度計劃自動生成、指令下發及指令執行完畢后的供水信息反饋統計和應急調度；智能告警通過專家庫自動生效報警判斷邏輯和人工腳本進行邏輯判斷，并通過各類終端進行推送和確認；視頻監視通過攝像頭進行泵站區域內圖像和聲音的采集、分析，并將信息傳輸至告警系統進行異常情況的報警；智能運維根據水利工程管理體制的要求和工程運行的實際情況建立運維管理系統，標準化信息管理體系；信息管理系統對泵站的運行信息進行展示及管理。

泵站監控系統組成如圖1所示。

1.2 系統結構

基于一體化管控平臺的泵站監控系統采用開放式分級分布式結構，從功能上一般分為兩級，包括上位機監控系統和現地LCU，針對大型的泵站群，還包含調度控制中心。上位機監控系統負責對泵站運行的整體監控，針對泵站群，上位機還具備與調度中心的通信功能?，F地LCU由各現地控制單元及各種智能測控裝置、傳感元件組成，負責泵站泵組的數據采集和實時監控。上位機監控系統和現地LCU之間通過網絡連接，控制級別由高到低依次為現地LCU、上位機監控系統、調度中心。

系統通常采用雙星型或環形網絡拓撲結構，上位機和LCU與交換機進行直連。雙星型的結構互為冗余，網絡穩定性較高，當一條線路發生故障時，另一條備用的線路自動承擔網絡通信的功能。針對設立調度中心的泵站群，可采用環形網絡結構實現調度中心與各個泵站的網路通信，環形網絡結構可靠性更高，但其施工費用也相對較高。

按照業務類別，網絡可分為工程監控網、管理調度網、外網三種。工程監控網涉及重要設備的操控，對安全性、可靠性要求較高，因此需要設置獨立的網絡；管理調度網涉及水文、地理信息等敏感數據，需要在相應的安全級別下才能與Internet互聯，承載視頻監視、管理調度及對外發布業務；外網為工作人員提供Internet訪問。

目前系統的總體網絡架構如圖2所示。

2系統功能

2.1 工程監控系統

上位機的工程監控系統在計算機中以客戶端形式存在，除能滿足遠程指令進行斷路器、隔離開關、接地開關的切、合，泵組開、停機和工況的轉換、水量調節，閥門（閘門）啟閉及開度調整等外，也能根據預先設定的要求，自動進行泵組和各類閥門的控制和調節。工程監控系統對設備的控制功能是通過LCU和各設備系統的功能來實現的。同時，工程監控系統能夠與調度中心進行管理區網絡通信。

上位機監控系統的作用和現地LCU控制、調度中心控制之間互相補充，在保證安全穩定運行的前提下能最大程度上降低泵站工作人員的工作強度?，F地LCU設有“現地/遠方”的轉換開關，開關指向“現地”時，現地LCU只接受設備端控制界面、設備操作開關等的控制，與此同時，調度中心和上位機監控系統處僅可進行數據上傳和數據監視，而不能對現地控制設備直接進行操控；在監控系統的上位機系統上設有“分中心/調度中心”軟切換開關，當現地控制單元上“現地/遠方”切換開關在“遠方”控制方式下，且泵站監控系統的上位機系統軟切換開關打在“分中心”時，在泵站監控系統的上位機系統可對現場的控制對象進行遠方控制與調節；當現地控制單元上“現地/遠方”切換開關在“遠方”控制方式下，且泵站監控系統的上位機系統軟切換開關打在“調度中心”時，在調度控制中心可實現對泵站相應的現地控制單元進行遠方控制與操作。

2.2 工程安全監測系統

工程安全監測系統具有數據采集分析、自我檢測的功能。工程安全監測系統能夠與現地采集裝置進行數據傳輸和通信，監測數據、系統參數和其他信息資料存放在數據庫，數據庫運行在數據服務器上實現資源共享[4]。采集的數據包含垂直位移、水平位移、伸縮縫開合度、揚壓力、縫內鋼板頂塊應力、泵站地板地基土壓力及站身墻后回填土側向壓力等；采集方式包括定點、定時、循環測量等；數據采集裝置支持人工測讀功能，且可通過設置警戒值進行自動報警。

基于一體化管控平臺的泵站監控系統能夠顯示與工程安全監測相關的過程曲線、數據分布圖、控制點分布圖和報警彈窗等，且根據設備特性及歷史數據庫資料建立相關模型，自動對數據進行分析，實現該系統的設備自動檢測功能，并將設備的運行狀態、故障信息及分析評估結果顯示于監控系統的工程安全監測模塊[5]。

2.3 全景監控系統

多源全景監控在各類現地自動化通信服務資源、自動化監測數據源、定制監控監測視圖的支撐下，以簡潔明了的圖表方式顯示各類監控信息和結果。以圖、文、聲、像等形式，通過現地通信服務直接與自動化資源交互，面向不同層次的需求，提供實時水情、水質、閘泵閥監控、安全監測等多源全景監控。對多源全景監控的各個監控模塊進行整合，形成功能更加集中和直觀的全景聯合監測。全景聯合監測以多種方式向用戶提供全面、及時、易用的信息，其控制既可基于地圖平臺，也可面向主題，實現各類數據、信息的綜合展示與查詢，同時提供綜合的信息服務。

全景聯合監測與控制能夠全面地提供各類現地自動化測控單元的遠程監測監控功能的組態定制，將傳統系統的閘閥監控、電站監控、水情監測、水質監測等技術專業獨立的應用有機融合起來，提供面向業務的全景監控定制與發布功能，可通過一張全景聯合監測與控制定制的全景功能視圖直接監視沿程水情、水質、流量、工程安全等信息，按照日常運行調度規則控制閘閥與電站的運行，調用視頻查看現場情況，也可通過各類工作業務主題功能視圖查看供水水情、供水水量、安全、動環等專題功能視圖。全景監控中包含基礎監測與監控中各類現地單元的監測監控功能組態與定制[6]。

2.4 調度管理系統

調度管理系統能夠進行引供水工程的水量上報、審核、自動匯總、審批，實現調度計劃自動生成、指令下發，實現指令執行完畢后的供水信息反饋統計及應急調度，具備水量調度日常業務管理、水資源配置方案編制、實時及應急水量調度、用水計量、調度評價、水費征收等功能。該系統能夠跨控制區、管理區同步運行，支持水量優化分配及基于輸水線路模型的閉環控制（含前饋、反饋控制），具備用水申請自動匯總、調度指令自動生成、調水過程實時監視等功能特點。

2.5 智能告警系統

智能告警系統以一體化軟件平臺的實時數據、歷史數據為基礎，實現智能報警和App交互等功能。智能告警系統能夠對報警數據進行篩選，減少人力消耗和人為失誤，從而提高水利自動化水平，保障系統的穩定性和安全性。

智能告警系統根據功能測點信息自動識別到設備對象，標記關鍵屬性，根據對象類型、關鍵屬性和預定義的專家庫自動生效報警判斷邏輯，并結合人工腳本和泵站工作人員根據工程特殊性添加的判斷邏輯，生成包含趨勢報警、過濾報警、條件報警、自定義報警等在內的全面的報警體系。針對重要調度操作執行過程，將自動化資源相互協同，完成相關安全防護預警與視頻等應用聯動，最終將各類報警信息通過不同渠道進行傳達，以便迅速發現和解決問題。

2.6 視頻監視系統

視頻監視系統能夠對泵站范圍內的重要地點進行視頻和音頻的監視。攝像頭掃描方式能夠設定，包括自動與手動掃描的切換、掃描方向的切換、預設時間定點掃描等，并將掃描的內容及地點、日期等圖像信息和聲音信息上傳至系統的視頻監視模塊。該系統具有與數據庫及報警控制聯動的接口，可對視頻信息進行存儲、報警聯動顯示等。

2.7 信息管理系統

信息管理系統具備對泵站運行狀態信息的展示及管理功能，主要包括對運行數據的接收和管理、信息發布和查詢、數據上傳、存儲等。

（1）數據接收和管理。

信息管理系統能夠接收和管理從控制區通過數據通信傳輸至管理區的泵站運行數據，并將數據信息進行本地存儲。

（2）信息發布和查詢。

以Web網頁的形式將工程監控系統和視頻監視系統的主要界面在信息管理系統進行發布，授權用戶可通過瀏覽器方式進行瀏覽，瀏覽內容以報表、GIS圖像、結構圖、曲線圖的方式進行展示。

（3）數據上傳。

以數據庫標準接口或數據通信的方式將工程運行數據上傳至調度運行管理系統，并接收調度運行管理系統下發的各種指令。

3結語

隨著大型泵站行業的快速發展，我國自動化監控系統在泵站體系中的應用越來越廣泛。南瑞基于一體化管控平臺的泵站監控系統在穩定性、可靠性、智能化和經濟性方面顯示出了突出的優點，不僅能夠減少泵站工作人員的人力投入，而且可以提高泵站的運行管理水平及管理部門的信息化水平。

審核編輯 ：李倩