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, 8 )
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,采纳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全调剂泵组，其中1台备机）、莲湖泵站（8台3000KW全调剂泵组，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全调剂泵组，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 全线运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。采纳开放、分层分布式运算机系统。整个系统由调度中心层---粤港供水调度中心、泵站操纵层（太园、莲湖、旗岭及金湖泵站）、现地操纵层（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。
整个运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，采纳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、旗岭和金湖泵站采纳两台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。
在现地层采纳10 M子网络与泵站层的监控系统相连，同时，采纳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，假如两台核心交换机同时显现故障，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，因此从运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, 如此既提供了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,能够利用每个站的公用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操纵。 1.2.2 SCADA网络的要紧特点 1.2.2.1多层冗余网络
整个监控系统的网络以光缆为要紧介质,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，另一个是采纳综合通信网,以金湖泵站为备用调度中心的备用SCADA网络。两个网络均采纳双网容余配置，如此构成的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，采纳CMM协议，交换少量安全闭锁信息，形成泵站间安全操纵的另一通道。 1.2.2.2网络资源配置优化
考虑监控系统各操纵层的信息量实际，本网络系统在现地操纵层采纳10M网络，在泵站层采纳100M网络，而在调度操纵层的各个交换机、服务器之间则是1000M网络。如此就形成了高效、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。网络系统能够依照网络流量实现自动分配治理，通过适当的配置，能够实现对端对端设备、VLAN、通信流和策略的治理，扩展操纵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 要紧功能模块
SCADA系统的功能从操纵权限来分有三层：调度操纵层、泵站操纵层及现地操纵层，另在中心调度操纵层瘫痪情形下，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、集中操纵与调剂及报表系统制作等差不多的监控系统功能,也具有为满足工程特点所要求的安全闭锁、流量平稳操纵及优化方面的功能。系统功能模块见图2所示。
数据库治理及报表生成模块 全线优化调度模块 培训仿真模块 调 度 层 监 视、控 制 模 块 安全分析与操纵模块泵 站 层 监 视、控 制 模 块 变电站 监视、操纵模块 全厂共用设备 监视、操纵模块 泵组 监视、操纵模块 流量平稳操纵模块 图2：系统功能模块结构图
2.2 系统功能模块应用 2.2.1 系统差不多功能模块
本系统的差不多功能模块包括: 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治理及报表生成模块。
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)及两台冗余操作职员作站(DELL P530),操作系统采纳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操纵指令的下达。调度中心冗余操作职员作站的数据显示及操纵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、远程的集中操纵与调剂、提供系统运行治理的友好界面（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)及两台冗余操作职员作站(DELL P530),操作系统采纳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操纵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操纵指令的下达），同时通过泵站内10M以太网络完成同现地操纵层LCU1---LCU10间的数据传输。泵站监控模块能实现本站的数据采集、泵站内中央操纵与调剂、提供系统运行治理的友好界面（如：报警、操作）。
数据库治理及报表生成模块其功能分布于调度操纵层的数据库服务器及泵站操纵层的数据库/应用服务器。调度操纵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；泵站操纵层的数据库治理及报表生成模块则是通过CEGELEC公司提供的VIEWSTAR2000内置式数据库治理软件，可完成泵站内运行治理所需的报表。
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操纵层（LCU或RTU）功能模块。其要紧由美国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的工业操纵机。具有对各LCU/RTU所监控设备的现地监视、操纵及报警功能。 2.2.2 流量平稳操纵模块
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，全线的水量自调剂及蓄水功能较差，流量的站间及全线的平稳全由流量平稳操纵模块。
所谓流量平稳其包括泵站的流量平稳、起始流量操纵的全线流量平稳和终端流量操纵的全线优化调度流量平稳。
操纵的差不多功能也相应分四个层次：安全的分析和操纵、流量平稳和泵组自动操纵、全线调度及全系统的优化调度。操纵功能的优先级由高到低依次为安全分析及其操纵、流量平稳和泵组自动操纵、调度层的全线流量调度、调度层的优化调度。流量操纵安全爱护和优先级不的闭锁功能要紧由上下游泵站间的站间联锁功能来实现。
从流量平稳操纵由低到高的权限来看，将流量平稳操纵模块分设备操纵层、泵组操纵层、泵站操纵层及调度操纵层。通过每一层的现地/远程开关怀换至上一级操纵层，每一层的设定数据和操纵命令均受到现地/远程开关的限制，然而紧急停机或事故停机不受现地/远程开关的限制。
设备操纵层要紧指泵组的操纵单元,其可依照流量的设定值运算，完成水泵叶片角度的闭环操纵和流量的闭环操纵。本系统采纳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，目前仍采纳厂家提供的叶片角度、扬程、流量曲线进行插值运算。
泵组现地操纵单元（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对水泵的操纵方式分为角度操纵方式、流量操纵方式和自动操纵方式。自动操纵方式是由泵站操纵层内专用于流量操纵和安全闭锁的公用LCU10来进行流量的分配与操纵。
泵站操纵层要紧由专用于流量操纵和安全闭锁的操纵单元公用LCU10来完成流量操纵的。公用LCU10的流量操纵有泵站流量操纵模式和全线流量操纵模式。泵站流量操纵模式是操作员依照进水池水位的变化情形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。全线流量操纵模式是基于泵站流量操纵模式上的，进水池水位的变化由PI操纵器运算泵站流量的设定值，泵站流量设定值再分配到各个泵组。
调度操纵层的全线调度操纵功能是指当4个泵站都运行在全线流量操纵下的一种操纵方式。全线流量平稳的自动操纵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），全线的泵组将依照当前流量值、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
优化调度的要紧目标是在流量平稳的情形下，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操纵功能（深圳水库入水量设定值）、4个泵站设置在全线流量操纵模式下时，依照优化目标模型（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操纵模式时，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、教练职员作站、操作职员作站和4套GE90-30系列的仿真PLC组成，见仿真结构图3
水力模型服务器仿真系统交换机应用服务器教练员工作站操作员工作站打印机以太网 TCP/IP仿真PLC1仿真PLC2仿真PLC3仿真PLC4实时SCADA系统交换机以太网 TCP/IP图3:仿真系统结构图4.2 培训仿真模块功能 4.2.1 培训运行操作人员
要紧是对泵站操作人员进行运算机监控系统操作的培训,通过仿真培训系统，用户能够： 熟悉供水系统流程和操作规程；能够进行各种运行操作的演练；能够设置各种故障状态,让运行人员分析。
4.2.2 供水系统操纵系统的研究和水力过渡过程的研究
仿真系统能够模拟泵站各种可能显现的运行方式，包括对供水系统水力过渡过程进行模拟分析，确保系统的正常稳固运行，满足供水要求，并能对可能发生的事故预设解决计策和报警提示。
4.2.3优化调度仿真
在给定一个总流量的前提下，仿真系统能够通过分析对四个泵站进行流量分配调度，以确保流量平稳，并找出泵站最优运行方式。
5 终止语
东深供水改造工程运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运算机网络技术、数据库技术、总线技术，水利模型运算等。从现在已投入的系统运行来看，技术先进、可行、稳固，为国内外同类型的水利项目运算机技术推广应用提供尝试。
东深供水改造工程计算机监控子系统
