3.1　闸站计算机监控系统

3.1.1　系统概述

计算机监控系统是一种集状态监视、数据采集、远程控制、报警管理、运行管理等于一体的综合性微机自动化系统。对管理区域内的泵站、节制闸、调度闸、送水闸、变电所等设备实行监控，实现了对全站绝大部分设备的数据采集与实时控制，并能够通过计算机网络将泵站整体的运行数据及状态实时地上传至上级管理部门，以便于流域调度并保障泵站更加安全、可靠、经济地运行。

高港闸站计算机监控系统采用浙江中控研发的SUPCON JX－300X集散控制系统（DCS），它是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的新一代控制处理系统。此系统采用分级分散控制、集中操作管理的结构。系统结构的基本要求为：采用统一的操作系统跟踪多个分布的信息资源点，而这些信息资源点的操作监控相互独立，但又通过网络得以相互作用。集散式控制处理系统采用现场设备控制单元、以太网、串口通信交互与现场总线互相结合的理论构架，其目的是提高系统的可靠性与灵活性，原理构架如图3.2所示。

计算机监控系统将自动化、智能化的变配电系统、主辅机系统、闸门启闭系统、直流系统、励磁系统，通过网络及现代通信技术集为一体，实现对闸站所有设备的测量、控制、监视、保护、管理等功能。具体监测与控制的主要对象包括：①主水泵；②同步电动机；③供水系统设备：冷却供水泵；④清污设备：清污机、皮带输送机；⑤110kV及10kV电源进线保护及测控设备；⑥高压开关柜及保护设备、主变压器、站用变、所用变、0.4kV开关柜；⑦蓄电池及直流系统设备；⑧逆变电源设备（UPS电源）；⑨泵站和水闸的闸门启闭设备。

高港闸站计算机监控系统整体指标先进、网络安全规范、实时性好，软件系统组态灵活、界面友好、模块功能齐全，且使用操作维护方便，有较高的信息化水平，确保了高港枢纽技术的先进性和运行中拥有较高的安全可靠性。

3.1.2　系统结构

浙江中控研发的SUPCON JX－300X集散控制系统（DCS），在整体结构上采用三层通信网络结构，其系统结构如图3.3所示。

最上层为管理网，采用符合TCP／IP协议的以太网，连接了操作站、工程师站、管理计算机等，是实现全所综合管理的信息通道。

中间层为过程控制网（SCnet），采用符合IEEE 802.4协议的冗余令牌网，连接操作站、工程师站与控制站，传输各种实时信息。

底层网络为控制站内部网络（SBUS），采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。控制站I／O总线结构如图2.5所示。SBUS总线是控制站内部I／O控制总线，主控制卡、数据转发卡、I／O卡通过SBUS进行信息交换。

SBUS总线分为两层：

第一层为双重化总线SBUS－S2。SBUS－S2总线是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的I／O机笼之间，连接了主控制卡和数据转发卡，用于主控制卡与数据转发卡间的信息交换。

第二层为SBUS－S1网络。物理上位于各I／O机笼内，连接了数据转发卡和各块I／O卡件，用于数据转发卡与各块I／O卡件间的信息交换。

SBUS－S1和SBUS－S2合起来称为JX－300 DCS的SBUS总线，主控制卡通过它们来管理分散于各个机笼内的I／O卡件。SBUS－S2级和SBUS－S1级之间为数据存储转发关系，按SBUS总线的S2级和S1级进行分层寻址。

各机组监控单元与辅机系统、直流系统、励磁系统、变配电系统、闸门启闭系统的控制部分组成一个相对独立的现地控制单元，各个现地控制单元通过网络与位于现地控制系统上的监控主机（上位机）进行连接，上位机与各个现地控制单元之间进行控制命令的下载与现场数据的上传通信，现地控制单元在监控主机的控制命令下执行独立的控制任务。就地控制层与泵站监控层的交互结构如图3.4所示。

在监控系统结构中，现地控制单元即LCU是泵站信息化系统的底层设备，主要针对特定的控制对象，如同步电机、变压器、供水泵、开关柜、闸门、励磁设备等，同时也负担了绝大部分监控及调节工作。它通过与不同模拟量测控设备进行组合，完成现场设备中各种数据的采集、处理及事件的记录，信息的传输，设备的控制、保护等工作，且与上级机通过通信协议互联，进行设备数据的实时更新与上传。

3.1.3　系统主要功能

闸站计算机监控系统将监测、控制、通信、管理集为一体，实现如下主要功能。

3.1.3.1　数据采集、处理、储存及分析功能

监控系统能够系统地采集闸站机电设备的实时数据与状态信号，进行必要的数据处理并建立实时及历史数据库，将数据进行分类、统计、分析，对关键信息需进行加密且自动生成相关报表或曲线，并为相关人员提供查询及打印服务。

（1）采集的数据类型分电量参数、开关量参数和非电量参数。

1）电量参数：①主变压器高、低压侧的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等；②站（所）用变压器高、低压侧的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等；③高、低压配电系统母线、线路等电压、电流、有功功率、无功功率等；④主机组电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、励磁电压、励磁电流等；⑤闸门启闭机电机电流、电压；⑥供水泵电机电流、电压，清污机及输送机电机电流、电压；⑦逆变电源的电流、电压，直流电源系统的各类电压、电流等。

2）开关量参数：①主变压器高压侧断路器分合状态、操作机构储能状态、低压侧断路器分合状态、手车工作／试验位置、断路器操作机构储能状态、隔离开关状态、接地开关状态、主变压器中性点接地开关状态；②站（所）用变压器高低压侧断路器分合状态、手车工作／试验位置、断路器操作机构储能状态、接地开关状态；③主机组断路器分合状态、手车工作／试验位置、断路器操作机构储能状态、接地开关状态、励磁工作位置、快速闸门控制柜断路器状态、闸门全开和全关位置以及与主机组控制操作相关的其他状态信号；④辅机系统各种状态信号；⑤各种状态量的事故及故障信号等。

3）非电量参数：①主变压器油温、站／所用变压器铁芯及绕组温度；②主机组定子线圈温度、铁芯温度、导轴承温度、推力轴承温度、上下油缸温度、叶片角度、转速等；③供水母管压力、流道压力；④上下游水位、闸门开度等。

（2）数据处理。对模拟量进行数字滤波、合理性检查、工程量单位变换、越限报警等处理。对开关量进行防抖动、硬件及软件滤波、合理性检查、变位报警等处理。

（3）计算或统计的数据：①上游、下游水位数据；②全站开机台数；③统计单机及全站当班、当日、当月、当年的运行台时数；④计算单机及全站抽水流量；⑤计算单机及全站抽水效率；⑥累计单机及全站当班、当日、当月、当年的抽水量；⑦累计单机及全站的日、月、年用电量（有功、无功）；⑧计算水闸单孔过水流量、总过水流量；⑨累计水闸单孔及总的日、月、年过水水量等。

（4）记录存储的数据。实时存储电量、非电量以及运行统计数据，包括：①对主机组、辅机、变配电、闸门、励磁、直流等设备发出的各种控制及调节命令信息，包括命令时间、命令内容、操作人员等信息；②开关量变位、复归等相关信息；③各类故障和事故信息，包括故障和事故发生时间、内容及特征数据等；④系统的自诊断信息，包括时间、诊断内容、诊断结果等。

3.1.3.2　监测功能

闸站监测的主要内容包括主机组、辅机、变配电、闸门等设备的运行参数和运行工况。发现故障状态、运行参数越限或者参数变化值异常时，进行报警和相关信息显示。监视主机组开停机过程、变配电系统送停电过程、辅机设备启停过程、闸门升降过程等。发生过程受阻时，给出报警提示和受阻原因。当发生报警时，报警信息在界面上突出显示。报警信息包括报警对象名称、发生时间、性质、确认时间、消除时间等。显示颜色按报警类别确定。能通过报警窗口进行报警确认，包含该报警点的所有画面上的对象或者参数也应改变为报警确认状态。

3.1.3.3　控制功能

此功能能够自动根据闸站当前的运行状态，对所属电气设备、主机组、闸门等进行自动控制调节，具体的控制调节功能如下：

（1）采用现地控制、站控级远程控制两种方式对主机组、辅机、变配电设备、闸门等对象进行控制。两种控制方式的优先级由高至低为现地控制、站控级远程控制。现地控制和站控级远程控制方式转换采用LCU上的硬件开关切换。

（2）能实现对主机组的开机顺序控制、停机顺序控制、事故停机顺序控制、变配电设备顺序控制等。实现水泵叶片的调节操作；实现励磁调节操作。

（3）实现辅机设备的操作和控制，包括供水系统启停控制、排水系统启停控制、消防供水系统启停控制等。

（4）实现对主变压器、站（所）用变压器等变配电设备的投入和退出控制。

（5）实现对所有闸门启闭控制，以及按给定开度、设定流量自动控制闸门升降。

3.1.3.4　数据通信功能

泵站的主控层、操作员站、各个现地控制单元能够通过对应的数据网络进行通信，实现整个泵站的协调工作，达到科学管理的要求。

3.1.3.5　优化调度功能

根据监控系统下达的优化调度指令以及水泵机组的运行工况，通过自动控制技术自动调整水泵机组的运行工作点，保证水泵机组在高效工作区。

3.1.3.6　人机接口功能

人机接口功能分为监控级人机接口和现地级人机接口。监控级的监视操作画面包括电气主接线图、变配电系统运行监控图、机组运行监控图、全站温度监视图、机组开停机流程监视图、励磁装置运行监视图、直流系统图、监控系统网络结构图、冷却水系统运行监控图、排水系统运行监控图、闸门运行监控图等。能够提供主机组运行日报表、主机组温度日报表、变配电设备运行日报表，以及泵站运行日报表、月报表、年报表等运行报表。

3.1.3.7　自诊断与自恢复功能

计算机监控系统能对自身的硬件和软件进行故障自诊断。LCU的CPU卡采用1∶1冗余，在主设备发生故障时，能自动切换到备用设备。监控级具有计算机硬件设备故障、软件进程异常、与LCU的通信故障、与上级调度运行管理系统通信故障、与其他系统通信故障等自诊断能力。当诊断出故障时能报警。LCU能在线进行I／O模件异常、与其他智能测控设备通信故障等故障自诊断。当诊断出故障时能报警，并闭锁相关控制操作。

3.1.4　高港节制闸过闸流量自动调节控制的实现

目前，水闸的引流控制方式为现场手动控制和控制中心远方控制，确定闸门开高的依据是：根据上下游水位组合情况和上级调度流量要求，对照始流时“闸下安全水位—流量”关系曲线，确定始流时可泄放的最大流量，然后根据调度要求的流量，从“闸高—水位—流量”关系曲线中查得闸门开高，当调度流量大于始流值时，则必须分级开启，引流流量必须与上游、下游水位相适应，使水跃发生在消力池内。开闸时应由中间向两边依次对称开启，关闸时次序相反。

高港节制闸下游引水河道直接与长江相连，属于感潮河段，水位变幅大，变化频繁，传统的控制方式无法动态跟随水位变化，不能及时调节闸门开高满足引水的流量要求，同时很可能造成超流量引水，破坏水闸稳定和河道安全。基于上述情况，运用监控系统SUPCON JX－300X DCS开发出高港节制闸过闸流量自动调节控制系统，实现定流量的自动控制，即上下游水位变化后，可以自动调节闸门高度，既能保障调度指令的严格执行，又能促进水闸的安全运用，减轻运行人员劳动强度，实现真正意义上的水闸控制运用自动化。

高港节制闸自动控制系统结构如图3.5所示，包括现场采集控制单元、控制中心操作单元，其中，现场采集控制单元负责控制程序的存储和逻辑运算，控制指令的传输和执行，信息的交互以及水位、闸高、电机电流、设备状态的模拟和数字信号的采集，现场采集控制单元设有数据采集模块、数据传输模块、设备控制模块；控制中心操作单元负责对现场采集控制单元采集到的信息进行组态，依据管理单元的指令对设备进行远方控制、网络通信监测；控制中心操作单元与现场采集控制单元之间采用双网结构，确保监控网络的安全可靠运行。

高港节制闸基于监控系统，运用系统组态和控制算法流程图，编写自动控制程序，实现了过闸流量的自动调节控制。节制闸过闸流量自动调节控制算法流程如图3.6所示。

用监控系统流程图软件制作的自动控制流程界面如图3.7所示，运行人员可通过“引流控制钮”进行流量自动调节，还可对闸门进行提、落、停控制，或对闸门进行定高度控制，界面显示数据信息包括下游水位、上游水位、闸门高度、上级要求的日平均调度流量、值班员根据调度流量设定的设定流量、程序根据上下游水位和设定流量计算得出的闸门应开启的高度、程序根据上下游水位和当前闸门高度算出的实际流量、闸门的运行状态以及统计数据日平均流量、今日引水时数、今日引水量等。除流程界面外，系统对闸门开高、水位、流量等重要参数的趋势变化进行跟踪，以趋势图记录，方便分析。

3.1.5　高港泵站X形流道双向抽排及下层流道自流引江的实现

高港泵站计算机监控系统采用浙江中控研发的SUPCON JX－300X集散控制系统（DCS），实现对变压器、主辅机、闸门启闭机及高低压电气设备等进行监视、控制和管理。

高港泵站采用双层X形流道，上下游侧各设2个平面快速闸门，通过调节上下游侧快速闸门，可实现抽引、抽排双向运用，同时还可开启泵站下层流道，实现自流引江160m3／s，上下游侧快速闸门均可由微机集中远程控制和现场控制箱手动控制。泵站站身剖面图如图3.8所示。

3.1.5.1　排涝功能

当内河侧地区出现洪涝灾害时，监控系统根据设定的排涝工况、设备的运行状态及开机排涝指令，首先开启下层流道D闸门，将下层流道与内河连通，然后在启动机组的同时进行逻辑判断和顺序控制，自动开启上层流道A闸门，当机组正常运行时，水流经D闸门被水泵机组抽到上层流道，通过A闸门排到长江，从而实现了泵站的抽排功能。机组运行状况监控界面如图3.9所示。

3.1.5.2　灌溉功能

当内河侧地区出现严重干旱灾害时，监控系统根据设定的灌溉工况、设备的运行状态及开机灌溉指令，首先开启下层流道B闸门，将下层流道与长江连通，然后在启动机组的同时，进行逻辑判断和顺序控制，自动开启上层流道C闸门，当机组正常运行时，水流经B闸门被水泵机组抽到上层流道，通过C闸门排到引入内河地区，从而实现了泵站的抽引功能。

3.1.5.3　自流引江自控功能

当节制闸自流引江流量不能满足内河侧地区的生产生活用水时，利用长江高潮位，打开内河侧下道D闸门，利用监控系统的控制程序，设定引水流量，自动调节控制长江侧B闸门，水流直接从下层流道引入内河侧地区，从而实现了泵站下层流道自流引江功能。下层流道自流引江监控界面如图3.10所示。

下层流道自流引江时，由于长江侧（下游）水位受长江中游、上游暴雨、洪水和长江口海洋潮汐等综合因素的共同影响，变幅大，变化频繁，水位变化虽有一定规律，但不规则，传统控制方式无法动态跟随水位变化，不能及时调节闸门开高、有效控制引水流量，常常出现引水不足或超设计流量运行等情况，为确保下层流道自流引江安全、可靠、高效运行，开发了下层流道过闸流量自动调节控制系统。

下层流道过闸流量自动调节控制系统根据设定流量及上下游水位，不断自动调节高度，但存在失控的现象，经分析，产生失控问题的原因是下道闸门（B闸门）运行速度过快，计算机采集到闸门高度信号，发出停止指令到闸门实际停止有时间差，导致闸门实际高度与计算高度存在误差，当误差超过一定值时，闸门就处于失控状态。为了解决下道闸门运行速度过快的问题，对长江侧闸门控制柜进行了改造，改造后的闸门控制原理简图如图3.11所示，每台控制柜增加一台18.5／22kW的变频器（电机额定功率为15kW）及27Ω、10kW的制动电阻，采用先进的变频和可靠的控制技术，通过降低电源频率来降低电机速度，电源频率由50Hz降低为25Hz，闸门启门速度降为1.34m／min，启停控制高度误差在1cm内，达到了闸门自控预定的效果。