韩江潮州供水枢纽及河口五闸供水体系工程 自动化监控系统专题规划...

韩江潮州供水枢纽及河口五闸供水体系工程自动化监控系统专题规划研究陈亮雄，黄本胜，欧阳显良，林时君，吴文彬（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）摘要：供水体系工程自动化监控系统是实现韩江下游及其三角洲的水资源科学合理配置、有效统一调度的关键工程之一。

本文探讨了自动化监控系统的结构体系、建设内容、技术方案和方法，为开展监控系统的建设提供技术参考。

关键词：自动化；监控系统；韩江；供水体系1 概述韩江潮州供水枢纽及河口水闸供水体系范围为韩江下游及其三角洲地区，包括12个灌区、城市引水、农村饮水安全等工程，涉及潮州、汕头和揭阳三市。

潮州供水枢纽工程是大（一）型水利枢纽，坝址位于韩江下游潮州市湘子桥下游东、西溪两溪口附近，坝址控制集水面积为29084km2；枢纽由东、西溪两座拦河闸坝，东、西溪发电厂房，船闸，综合调度楼，连接土坝等建筑物组成，设计水库库容达4900万m3，船闸为300吨级通航能力，机组总装机容量4.6万kw；枢纽工程等别为Ⅰ等，其主要水工建筑物为2级，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇；2007年1月枢纽全面投入运行。

河口五闸是指韩江的五条入海水道上的水闸，即北溪上的东里桥闸、东溪上的莲阳桥闸、外砂河上的外砂桥闸、新津河上的下埔桥闸和梅溪上的梅溪桥闸。

韩江下游的东溪和西溪在江东围下有蓬洞河沟通，北溪和东溪在隆都下由南溪沟通，五条入海水道与蓬洞河、南溪共同构成了一个水力联系紧密的三角洲网河区。

除上述五座闸门外，韩江三角洲还有南溪桥闸、北溪桥闸、官塘水闸、炮台水闸、后壁桥闸、西港桥闸等。

图1 韩江供水枢纽及河口五闸位置图潮州供水枢纽建成后，供水体系范围内灌区、城乡供水条件发生了较大变化，为充分发挥枢纽的供水作用，保障韩江下游三角洲地区的城乡、灌溉用水，必须联合河口五闸进行水资源统一调度管理。

建立韩江潮州供水枢纽及河口五闸供水体系工程的自动化监控系统是实现水资源科学合理配置、有效统一调度的关键工程之一。

2 系统总体结构研究供水体系涉及的监测站点分布在1000 km2的流域范围内，其中包括39个灌区取水口、8个分水口、9座桥闸、8个水厂取水口、11个水质监测点，总共75个监测站点。

（1）系统总体设计供水体系自动化监控系统总体划分成三个层次：最上层是省三防指挥系统，中间层是韩江流域管理局监测中心，底层是以信息采集为主体的信息采集站。

系统主要由水资源信息采集系统、闸门自动控制系统、图像视频监视系统、计算机通信网络系统、应用软件系统等组成，系统总体结构可用图2表示。

图2 系统总体结构图（2）软件系统总体结构软件系统总体结构划分为4层次，见图3。

数据支撑层：主要包括监测站水位、流量、水质、视频等信息的采集，水闸监测站远程自动化监控管理、水资源业务管理、供水优化调度管理以及系统管理等。

数据集成层：主要包括基础数据库、电子地图、成果数据库等。

专业分析层：主要包括GIS信息管理、水资源优化分析计算、供水统一调度模拟仿真等。

应用集成层：主要包括监测站的水位、流量、水质、视频采集、处理、存贮，信息查询、统计、分析计算、打印和对外发布查询；水资源供水优化调度等。

图3 软件系统总体结构图（3）网络总体结构网络总体呈星形结构布局，以韩江流域管理监控中心站为中心节点，75个监测站为子节点。

设在流域内的水（桥）闸、重要取（分）水口，一般考虑通过租用当地电信部门提供的专线，接入韩江流域监控中心站；若监测站点至监控中心无专线，则采用GPRS/GSM通信方式，将水位、流量、水质、视频现场照片信息数据传送到中心站。

监控中心站建立计算机局域网络、数据接收/监控系统，为韩江流域提供测站的流量、水位、水质、视频等实时信息的查询、统计等业务。

网络系统结构如图4。

图4 网络结构图3 监测信息采集系统监测信息采集系统是供水体系自动化监控系统的重要组成部分，主要采集内容为供水体系范围内取水口、分水口的水位和闸门开度、流量，流域内的水质、上游来水流量等信息。

根据供水体系实际情况，75个测站中，安揭引韩原取水口、东凤干渠取水口、东凤分干渠引水口、大干干渠引水口、南澳引水管道引水口、红莲池河引水口及9个桥（河）闸共计15个测站要求水位自动采集，北关引韩取水口、鹿湖取水口等57个测站要求流量自动采集，溪口、蓬辣滩电站、三河坝水位站、潮安水文站、鹿湖取水口、河口五闸、东桥园共11个测站点要求水质实时监测，竹竿山、桥东等8个大型水厂上报本单位每日水质检测数据。

量水设施设在灌溉渠道的引水、分水处，并与灌排建筑物结合布设，在城镇工业、生活用水的供水管道或箱涵引水口处和不同行政区域交接水量的配水点也要布设量水设施。

通过量水设施中采集设备所取得的流量、水位、水质等数据信息，分别通过有线方式连接到数据采集遥测终端(RTU)接收并保存；终端按系统预先设置的定时发送时间，发送到上级监控中心，并保存到数据服务器上。

监测信息采集系统结构示意见图5。

图5 监测信息采集系统结构示意图（1）流量采集涵洞、明渠流量监测作为流量测量的一大分支，有自身的特点，以灌溉用水为例，表现为渠道建筑面积有限，难以满足直渠道前10D，后5D的要求；水中含有大量杂物，如泥沙、木片、塑料薄膜等漂浮物；测量范围大，下雨与晴天、排水高峰与低谷时的流量差异大，容易造成测量上的困难。

因此，应针对不同的测量对象与要求，结合现场安装环境条件与经济状况等，对流量测量方法的适用性、可靠性、准确性、经济性等进行评价比较、考察、选型。

常用的流量测量方法有堰式流量计、槽式流量计、潜水型电磁流量计、闸孔出流公式计算法、流速-面积法、液位-流速法、LBX-7型浑水流量计、液位-流速复合传感器、超声波流量计、便携式时差法或多普勒法超声流量计等。

针对韩江取（分）水口的特点，灌区取水口主要是涵闸自流取水，平板闸门控制，属于闸孔出流型式，推荐采用闸孔出流公式计算法；明渠分水口推荐采用超声波流量计；水厂、泵站型取水口则在管道上安装电磁流量计或超声波流量计监测水厂取水流量；水（桥）闸采用闸孔出流公式计算法，通过测量闸门上、下游水位及开度，计算闸孔出流量；电站发电流量可采用武汉大学开发研制的差压式微机型流量监测计量装置。

（2）水位采集根据本项目的精度要求，选用南京水利水文自动化研究所的WFH-2型全量机械编码水位计。

其由水位传感器部分和水位显示器部分组成，自身配套后，可无线遥测实时水位，适用于江河、湖泊、水库、渠道、地下水及各种水工建筑物处的水位测量。

（3）水质监测根据取用水的特点与用途，水质监测的方式与内容均有不同。

灌区渠首及最后一个支渠分叉处一般采用定期采样、应急抽查检测方式，监测项目内容有pH、溶解氧、高锰酸盐指数、BOD5、氨氮等指标。

城乡供水进口处和交水点处也采用定期采样，应急抽查检测方式，但监测项目增加内容，例如SS、COD、总氮、六价铬、总磷、铜、锌、硒、砷、汞、镉、铅、氰化物、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群、氯化物、硝酸盐、硫酸盐、铁、锰等指标。

在韩江流域范围内重要河道、溪流的省界、市界交汇处或重要取水地点，要采用在线水质实时监测，监测重点是对水质中的BOD、COD、氮等指标，并将有关数据实时传回监控中心，由软件系统处理后，提供查询、统计、或指标值超量报警。

水质实时在线监测可采用德国TriOS产品或美国HACH公司原水监测系统。

工作人员利用水质在线实时监测系统，可全面掌握供水体系范围内的河道水质，实时监测水质的变化情况，为水生态、水环境、水安全的有效管理提供可靠的分析和监控。

4 闸门自动控制系统闸门监控系统包括测量与控制系统、继电保护系统、图像监视系统三部分。

系统采用分层分布式的开放型结构，分三层，即远程集中监控层、现地集中监控层和现地设备层。

集中监控层采用100Mbps快速以太网络，TCP/IP网络协议，组成开放的计算机网络；主要由控制单元、执行单元、水位监测单元、闸位监测单元、电气检测单元、计算机网络系统和图像监视系统等组成。

对于鹿湖取水口、北关取水口、安揭引韩新西陇涵取水口、原安揭引韩取水口等主要闸门现地监控层原则上包括3-4套LCU控制柜，其中闸门LCU控制柜1套，泵站控制柜1套(无泵站的测站则无此控制柜)，公用设备LCU控制柜1套，视频LCU控制屏1套。

对桥闸，每座桥闸现地监控层原则上包括工业控制机3台，10套LCU控制柜（其中桥闸门LCU控制柜6套，船闸控制柜2套，公用设备LCU控制柜1套，视频LCU控制屏1套）。

每个LCU控制柜配置1块触摸屏，触摸屏通过以太网与PLC连接，通常每3个孔桥闸由1个PLC控制，每1个船闸孔单独由1个PLC控制。

LCU控制柜集中布置在桥闸控制室，通过分布式I/O与现地设备相连，实现对设备的监测与控制。

现地集中层和现地设备层为星型以太网结构。

现地集中监控层通过光缆与现地控制单元通信，实现对各闸门的监视和启闭集中控制。

控制系统具有电动机状态监测、电气参数监测、水位监测、闸门运行状态监测、流量监测、闸门控制、对管理所通信和报警功能。

监控系统采用工业以太网结构，上位机与LCU 屏之间采用工业以太网，LCU屏与传感器等传动显示设备之间宜采用4～20mA模拟量输入或现场总线结构，实现数据监测、监控和监视功能。

系统应采用信号隔离，软、硬件滤波，防雷击、屏蔽、信号接地等一系列防雷抗干扰措施；应具备防误操作功能和完备的自诊断、自恢复功能。

LCU屏应能独立于集控层运行，而且就地LCU的控制应具有两种功能：一种是基于PLC通过触摸屏的自动控制和单项控制；另一种是独立于PLC之外，即PLC故障时，利用手动开关迸行控制。

监控系统结构框图见图6。

图6 桥闸监控系统结构示意图5 图像视频监视系统视频监视系统包括了桥闸图像监视系统和取水口、分水口闸门图像监测系统二个部分。

桥闸视频监视系统是以9座桥闸站现场的实时视频作为信息内容，在桥闸现地监控室对实时视频图像的遥控监视，完成对桥闸现场的监控管理，同时，桥闸现地监测到的视频信息，将保存到本地的视频服务器中。

韩江流域管理局监控中心是以远程访问方式，查看整个各个桥闸的现场实时视频图像。

由于取水口、分水口和韩江流域管理局监控中心之间为无线通信方式，因此，取水口、分水口闸门图像监测系统是采用无线图像采集设备定时（或遥测实时方式）拍摄现地照片后，通过GPRS（或3G）传送到管理局监控中心并保存到数据库中，中心管理人员是通过查看回传的照片，实现监视主要取水口、分水口的现场情况。

整个系统由韩江流域管理局监测中心、桥闸现地监控室、传输网络、前端视频采集四部分组成。

由于篇幅所限，具体构成与技术在本文不再细述。

6 应用软件系统供水体系工程自动化监控系统主要由监测信息采集系统、信息查询及监视系统、供水优化调度系统、技术支撑系统等组成，并提供连接调用功能，与省三防指挥系统、水资源管理系统、采砂管理系统、电子沙盘、办公业务管理系统等实现统一管理，无缝结合。