基于一体化管控平台的泵站监控系统研究

摘 要：

基于一体化管控平台的泵站监控系统（IMC）具备高度的可靠性、开放性和集成性，对当今的大型泵站监控具有重大作用。现详细介绍基于一体化管控平台的泵站监控系统的设计思路，包括系统的组成、网络结构，并依托某配水工程项目详细说明各子系统功能，主要包括工程监控系统、安全监测系统、全景监控系统、调度管理系统、智能告警系统、视频监视系统及信息管理系统等，可为水利工程泵站自动化监控系统改造提供借鉴。

0 引言

大型泵站由主体建筑、水泵、各种辅助设备和泵站运行管理人员构成，在用水、灌溉、发电、防洪等方面具有不可忽视的作用。20世纪80年代以来，计算机监控系统在我国大型泵站中迅速发展应用。1994年，“无人值班，少人值守”的理念开始在我国流行[1]。直至今日，经过40年的发展，我国大型泵站及水电厂的自动化、计算机监控系统、流域远程集控系统已形成较为完整的体系。而自动化技术、人工智能的迅速发展，对大型泵站的可靠性、标准化、智能化、经济性提出了更高的要求。现有的自动化监控系统在一体化、信息共享、智能化等方面仍有不足，不能满足日渐提升的需求，因此，大型泵站在自动化、智能化改造方面仍有巨大的潜力，可以进一步推动“无人值班，少人值守”要求的落实[2]。

南瑞基于一体化管控平台的泵站监控系统具备高度的开放性和集成性，该监控系统集成的设备均为目前市场上主流产品，在软件方面，系统软件和应用软件易于扩展和升级，且支持软件二次开发，可根据工程的实际情况及用户要求进行修改；该系统具备的集成性特征使得系统中的各个单元具备独立性，保证了系统中各个单元之间的故障响应较小，因此，不会出现受控设备因各种因素而发生的误动和影响整个系统功能的重大故障，具备较高的可靠性。该系统已有国内十几个大中型引调水工程自动化信息化系统的实施经验，具备高度的稳定性、可靠性、开放性和可维护性[3]。

1系统总体设计

1.1 系统组成

基于一体化管控平台的泵站监控系统主要由工程监控、安全监测、全景监控、调度管理、智能告警、视频监视及信息管理等应用组成，各应用的功能相互结合，使泵站管理更加标准化、智能化、精准化，并在最合理范围内减少泵站工作人员的工作量。工程监控的对象为所有可控设备；安全监测的对象为泵站的运行状态；全景监控以全景图的方式显示各类监控信息和结果；调度管理能够实现调度计划自动生成、指令下发及指令执行完毕后的供水信息反馈统计和应急调度；智能告警通过专家库自动生效报警判断逻辑和人工脚本进行逻辑判断，并通过各类终端进行推送和确认；视频监视通过摄像头进行泵站区域内图像和声音的采集、分析，并将信息传输至告警系统进行异常情况的报警；智能运维根据水利工程管理体制的要求和工程运行的实际情况建立运维管理系统，标准化信息管理体系；信息管理系统对泵站的运行信息进行展示及管理。

泵站监控系统组成如图1所示。

1.2 系统结构

基于一体化管控平台的泵站监控系统采用开放式分级分布式结构，从功能上一般分为两级，包括上位机监控系统和现地LCU，针对大型的泵站群，还包含调度控制中心。上位机监控系统负责对泵站运行的整体监控，针对泵站群，上位机还具备与调度中心的通信功能。现地LCU由各现地控制单元及各种智能测控装置、传感元件组成，负责泵站泵组的数据采集和实时监控。上位机监控系统和现地LCU之间通过网络连接，控制级别由高到低依次为现地LCU、上位机监控系统、调度中心。

系统通常采用双星型或环形网络拓扑结构，上位机和LCU与交换机进行直连。双星型的结构互为冗余，网络稳定性较高，当一条线路发生故障时，另一条备用的线路自动承担网络通信的功能。针对设立调度中心的泵站群，可采用环形网络结构实现调度中心与各个泵站的网路通信，环形网络结构可靠性更高，但其施工费用也相对较高。

按照业务类别，网络可分为工程监控网、管理调度网、外网三种。工程监控网涉及重要设备的操控，对安全性、可靠性要求较高，因此需要设置独立的网络；管理调度网涉及水文、地理信息等敏感数据，需要在相应的安全级别下才能与Internet互联，承载视频监视、管理调度及对外发布业务；外网为工作人员提供Internet访问。

目前系统的总体网络架构如图2所示。

2系统功能

2.1 工程监控系统

上位机的工程监控系统在计算机中以客户端形式存在，除能满足远程指令进行断路器、隔离开关、接地开关的切、合，泵组开、停机和工况的转换、水量调节，阀门（闸门）启闭及开度调整等外，也能根据预先设定的要求，自动进行泵组和各类阀门的控制和调节。工程监控系统对设备的控制功能是通过LCU和各设备系统的功能来实现的。同时，工程监控系统能够与调度中心进行管理区网络通信。

上位机监控系统的作用和现地LCU控制、调度中心控制之间互相补充，在保证安全稳定运行的前提下能最大程度上降低泵站工作人员的工作强度。现地LCU设有“现地/远方”的转换开关，开关指向“现地”时，现地LCU只接受设备端控制界面、设备操作开关等的控制，与此同时，调度中心和上位机监控系统处仅可进行数据上传和数据监视，而不能对现地控制设备直接进行操控；在监控系统的上位机系统上设有“分中心/调度中心”软切换开关，当现地控制单元上“现地/远方”切换开关在“远方”控制方式下，且泵站监控系统的上位机系统软切换开关打在“分中心”时，在泵站监控系统的上位机系统可对现场的控制对象进行远方控制与调节；当现地控制单元上“现地/远方”切换开关在“远方”控制方式下，且泵站监控系统的上位机系统软切换开关打在“调度中心”时，在调度控制中心可实现对泵站相应的现地控制单元进行远方控制与操作。

2.2 工程安全监测系统

工程安全监测系统具有数据采集分析、自我检测的功能。工程安全监测系统能够与现地采集装置进行数据传输和通信，监测数据、系统参数和其他信息资料存放在数据库，数据库运行在数据服务器上实现资源共享[4]。采集的数据包含垂直位移、水平位移、伸缩缝开合度、扬压力、缝内钢板顶块应力、泵站地板地基土压力及站身墙后回填土侧向压力等；采集方式包括定点、定时、循环测量等；数据采集装置支持人工测读功能，且可通过设置警戒值进行自动报警。

基于一体化管控平台的泵站监控系统能够显示与工程安全监测相关的过程曲线、数据分布图、控制点分布图和报警弹窗等，且根据设备特性及历史数据库资料建立相关模型，自动对数据进行分析，实现该系统的设备自动检测功能，并将设备的运行状态、故障信息及分析评估结果显示于监控系统的工程安全监测模块[5]。

2.3 全景监控系统

多源全景监控在各类现地自动化通信服务资源、自动化监测数据源、定制监控监测视图的支撑下，以简洁明了的图表方式显示各类监控信息和结果。以图、文、声、像等形式，通过现地通信服务直接与自动化资源交互，面向不同层次的需求，提供实时水情、水质、闸泵阀监控、安全监测等多源全景监控。对多源全景监控的各个监控模块进行整合，形成功能更加集中和直观的全景联合监测。全景联合监测以多种方式向用户提供全面、及时、易用的信息，其控制既可基于地图平台，也可面向主题，实现各类数据、信息的综合展示与查询，同时提供综合的信息服务。

全景联合监测与控制能够全面地提供各类现地自动化测控单元的远程监测监控功能的组态定制，将传统系统的闸阀监控、电站监控、水情监测、水质监测等技术专业独立的应用有机融合起来，提供面向业务的全景监控定制与发布功能，可通过一张全景联合监测与控制定制的全景功能视图直接监视沿程水情、水质、流量、工程安全等信息，按照日常运行调度规则控制闸阀与电站的运行，调用视频查看现场情况，也可通过各类工作业务主题功能视图查看供水水情、供水水量、安全、动环等专题功能视图。全景监控中包含基础监测与监控中各类现地单元的监测监控功能组态与定制[6]。

2.4 调度管理系统

调度管理系统能够进行引供水工程的水量上报、审核、自动汇总、审批，实现调度计划自动生成、指令下发，实现指令执行完毕后的供水信息反馈统计及应急调度，具备水量调度日常业务管理、水资源配置方案编制、实时及应急水量调度、用水计量、调度评价、水费征收等功能。该系统能够跨控制区、管理区同步运行，支持水量优化分配及基于输水线路模型的闭环控制（含前馈、反馈控制），具备用水申请自动汇总、调度指令自动生成、调水过程实时监视等功能特点。

2.5 智能告警系统

智能告警系统以一体化软件平台的实时数据、历史数据为基础，实现智能报警和App交互等功能。智能告警系统能够对报警数据进行筛选，减少人力消耗和人为失误，从而提高水利自动化水平，保障系统的稳定性和安全性。

智能告警系统根据功能测点信息自动识别到设备对象，标记关键属性，根据对象类型、关键属性和预定义的专家库自动生效报警判断逻辑，并结合人工脚本和泵站工作人员根据工程特殊性添加的判断逻辑，生成包含趋势报警、过滤报警、条件报警、自定义报警等在内的全面的报警体系。针对重要调度操作执行过程，将自动化资源相互协同，完成相关安全防护预警与视频等应用联动，最终将各类报警信息通过不同渠道进行传达，以便迅速发现和解决问题。

2.6 视频监视系统

视频监视系统能够对泵站范围内的重要地点进行视频和音频的监视。摄像头扫描方式能够设定，包括自动与手动扫描的切换、扫描方向的切换、预设时间定点扫描等，并将扫描的内容及地点、日期等图像信息和声音信息上传至系统的视频监视模块。该系统具有与数据库及报警控制联动的接口，可对视频信息进行存储、报警联动显示等。

2.7 信息管理系统

信息管理系统具备对泵站运行状态信息的展示及管理功能，主要包括对运行数据的接收和管理、信息发布和查询、数据上传、存储等。

（1）数据接收和管理。

信息管理系统能够接收和管理从控制区通过数据通信传输至管理区的泵站运行数据，并将数据信息进行本地存储。

（2）信息发布和查询。

以Web网页的形式将工程监控系统和视频监视系统的主要界面在信息管理系统进行发布，授权用户可通过浏览器方式进行浏览，浏览内容以报表、GIS图像、结构图、曲线图的方式进行展示。

（3）数据上传。

以数据库标准接口或数据通信的方式将工程运行数据上传至调度运行管理系统，并接收调度运行管理系统下发的各种指令。

3结语

随着大型泵站行业的快速发展，我国自动化监控系统在泵站体系中的应用越来越广泛。南瑞基于一体化管控平台的泵站监控系统在稳定性、可靠性、智能化和经济性方面显示出了突出的优点，不仅能够减少泵站工作人员的人力投入，而且可以提高泵站的运行管理水平及管理部门的信息化水平。

审核编辑 ：李倩