1、韓江潮州供水樞紐及河口五閘供水體系工程自動化監控系統專題規劃研究陳亮雄，黃本勝，歐陽顯良，林時君，吳文彬（廣東省水利水電科學研究院，廣州，510610）摘 要：供水體系工程自動化監控系統是實現韓江下游及其三角洲的水資源科學合理配置、有效統一 調度的關鍵工程之一。本文探討了自動化監控系統的結構體系、建設內容、技術方案和方法，為開展 監控系統的建設提供技術參考。關鍵詞：自動化；監控系統；韓江；供水體系1概述韓江潮州供水樞紐及河口水閘供水體系范圍為韓江下游及其三角洲地區，包括12個灌區、城市引水、農村飲水安全等工程，涉及潮州、汕頭和揭陽三市。潮州供水樞紐工程是大（一）型水 利樞紐，壩址位于韓江下游潮

2、州市湘子橋下游東、西溪兩溪口附近，壩址控制集水面積為 29084km2;樞紐由東、西溪兩座攔河閘壩，東、西溪發電廠房，船閘，綜合調度樓，連接土壩等 建筑物組成，設計水庫庫容達 4900萬m3,船閘為300噸級通航能力，機組總裝機容量4.6萬kw ; 樞紐工程等別為I等，其主要水工建筑物為2級，設計洪水標準為 50年一遇，校核洪水標準為200年一遇；2007年1月樞紐全面投入運行。河口五閘是指韓江的五條入海水道上的水閘，即北 溪上的東里橋閘、東溪上的蓮陽橋閘、外砂河上的外砂橋閘、新津河上的下埔橋閘和梅溪上的梅 溪橋閘。韓江下游的東溪和西溪在江東圍下有蓬洞河溝通，北溪和東溪在隆都下由南溪溝通，五

3、條入海水道與蓬洞河、南溪共同構成了一個水力聯系緊密的三角洲網河區。除上述五座閘門外， 韓江三角洲還有南溪橋閘、北溪橋閘、官塘水閘、炮臺水閘、后壁橋閘、西港橋閘等。圖1韓江供水樞紐及河口五閘位置圖潮州供水樞紐建成后，供水體系范圍內灌區、城鄉供水條件發生了較大變化，為充分發揮樞 紐的供水作用，保障韓江下游三角洲地區的城鄉、灌溉用水，必須聯合河口五閘進行水資源統一調度管理。建立韓江潮州供水樞紐及河口五閘供水體系工程的自動化監控系統是實現水資源科學 合理配置、有效統一調度的關鍵工程之一。2系統總體結構研究供水體系涉及的監測站點分布在1000 km2的流域范圍內，其中包括39個灌區取水口、 8個分水口、

4、9座橋閘、8個水廠取水口、 11個水質監測點，總共 75個監測站點。（1）系統總體設計供水體系自動化監控系統總體劃分成三個層次：最上層是省三防指揮系統，中間層是韓江流 域管理局監測中心，底層是以信息采集為主體的信息采集站。系統主要由水資源信息采集系統、 閘門自動控制系統、圖像視頻監視系統、計算機通信網絡系統、應用軟件系統等組成，系統總體 結構可用圖2表示。百-二訪11擇>.«&< »»*<> 閘71日疏程制系統._ "Er -Tm HV4 口企.萃亂養*畔車口 r廠航對陽南三靜眄斡茶密M歸A站潮產帀三防扌罰宇科逹"

5、;齊武航圖2系統總體結構圖（2）軟件系統總體結構軟件系統總體結構劃分為 4層次，見圖3。數據支撐層：主要包括監測站水位、流量、水質、視頻等信息的采集，水閘監測站遠程自動 化監控管理、水資源業務管理、供水優化調度管理以及系統管理等。數據集成層：主要包括基礎數據庫、電子地圖、成果數據庫等。專業分析層：主要包括 GIS信息管理、水資源優化分析計算、供水統一調度模擬仿真等。應用集成層：主要包括監測站的水位、流量、水質、視頻采集、處理、存貯，信息查詢、統計、分析計算、打印和對外發布查詢；水資源供水優化調度等。圖3軟件系統總體結構圖（3）網絡總體結構網絡總體呈星形結構布局，以韓江流域管理監控中心站為中心節

6、點，75個監測站為子節點。設在流域內的水（橋）閘、重要取（分）水口，一般考慮通過租用當地電信部門提供的專線，接 入韓江流域監控中心站；若監測站點至監控中心無專線，則采用GPRS/GSM通信方式，將水位、流量、水質、視頻現場照片信息數據傳送到中心站。監控中心站建立計算機局域網絡、數據接收/監控系統，為韓江流域提供測站的流量、水位、水質、視頻等實時信息的查詢、統計等業務。網 絡系統結構如圖4。3監測信息米集系統監測信息采集系統是供水體系自動化監控系統的重要組成部分，主要采集內容為供水體系范 圍內取水口、分水口的水位和閘門開度、流量，流域內的水質、上游來水流量等信息。根據供水體系實際情況，75個測站

7、中，安揭引韓原取水口、東鳳干渠取水口、東鳳分干渠引 水口、大干干渠引水口、南澳引水管道引水口、紅蓮池河引水口及9個橋（河）閘共計15個測站要求水位自動采集，北關引韓取水口、鹿湖取水口等57個測站要求流量自動采集，溪口、蓬辣灘電站、三河壩水位站、潮安水文站、鹿湖取水口、河口五閘、東橋園共11個測站點要求水質實時 監測，竹竿山、橋東等 8個大型水廠上報本單位每日水質檢測數據。量水設施設在灌溉渠道的引水、分水處，并與灌排建筑物結合布設，在城鎮工業、生活用水 的供水管道或箱涵引水口處和不同行政區域交接水量的配水點也要布設量水設施。通過量水設施 中采集設備所取得的流量、水位、水質等數據信息，分別通過有線

8、方式連接到數據采集遙測終端 （RTU）接收并保存；終端按系統預先設置的定時發送時間，發送到上級監控中心，并保存到數據 服務器上。監測信息采集系統結構示意見圖 5。圖5監測信息采集系統結構示意圖（1）流量采集涵洞、明渠流量監測作為流量測量的一大分支，有自身的特點，以灌溉用水為例，表現為渠 道建筑面積有限，難以滿足直渠道前10D，后5D的要求；水中含有大量雜物，如泥沙、木片、塑料薄膜等漂浮物；測量范圍大，下雨與晴天、排水高峰與低谷時的流量差異大，容易造成測量 上的困難。因此，應針對不同的測量對象與要求，結合現場安裝環境條件與經濟狀況等，對流量 測量方法的適用性、可靠性、準確性、經濟性等進行評價比較

9、、考察、選型。常用的流量測量方法有堰式流量計、槽式流量計、潛水型電磁流量計、閘孔出流公式計算法、流速-面積法、液位-流速法、LBX-7型渾水流量計、液位-流速復合傳感器、超聲波流量計、便攜 式時差法或多普勒法超聲流量計等。針對韓江取（分）水口的特點，灌區取水口主要是涵閘自流 取水，平板閘門控制，屬于閘孔出流型式，推薦采用閘孔出流公式計算法；明渠分水口推薦采用 超聲波流量計；水廠、泵站型取水口則在管道上安裝電磁流量計或超聲波流量計監測水廠取水流 量；水（橋）閘采用閘孔出流公式計算法，通過測量閘門上、下游水位及開度，計算閘孔出流量； 電站發電流量可采用武漢大學開發研制的差壓式微機型流量監測計量裝置

10、。（2）水位采集根據本項目的精度要求，選用南京水利水文自動化研究所的WFH-2型全量機械編碼水位計。其由水位傳感器部分和水位顯示器部分組成，自身配套后，可無線遙測實時水位，適用于江河、 湖泊、水庫、渠道、地下水及各種水工建筑物處的水位測量。（3）水質監測根據取用水的特點與用途，水質監測的方式與內容均有不同。灌區渠首及最后一個支渠分叉 處一般采用定期采樣、應急抽查檢測方式，監測項目內容有pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、B0D5、氨氮等指標。城鄉供水進口處和交水點處也采用定期采樣，應急抽查檢測方式，但監測項目增加 內容，例如SS、COD、總氮、六價鉻、總磷、銅、鋅、硒、砷、汞、鎘、鉛、氰化物、陰離子表

11、 面活性劑、硫化物、糞大腸菌群、氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽、鐵、錳等指標。在韓江流域范圍內重要河道、溪流的省界、市界交匯處或重要取水地點，要采用在線水質實時監測，監測重點是對水質中的BOD、COD、氮等指標，并將有關數據實時傳回監控中心，由軟件系統處理后，提供查詢、統計、或指標值超量報警。水質實時在線監測可采用德國TriOS產品或美國HACH公司原水監測系統。工作人員利用水質在線實時監測系統，可全面掌握供水體系范圍內的河道水質，實時 監測水質的變化情況，為水生態、水環境、水安全的有效管理提供可靠的分析和監控。4閘門自動控制系統閘門監控系統包括測量與控制系統、繼電保護系統、圖像監視系統三部分。系統采

12、用分層分 布式的開放型結構，分三層，即遠程集中監控層、現地集中監控層和現地設備層。集中監控層采 用100Mbps快速以太網絡，TCP/IP網絡協議，組成開放的計算機網絡；主要由控制單元、執行單 元、水位監測單元、閘位監測單元、電氣檢測單元、計算機網絡系統和圖像監視系統等組成。對于鹿湖取水口、北關取水口、安揭引韓新西隴涵取水口、原安揭引韓取水口等主要閘門現 地監控層原則上包括 3-4套LCU控制柜，其中閘門 LCU控制柜1套，泵站控制柜1套（無泵站的 測站則無此控制柜），公用設備LCU控制柜1套，視頻LCU控制屏1套。對橋閘，每座橋閘現地監控層原則上包括工業控制機3臺，10套LCU控制柜（其中橋

13、閘門LCU控制柜6套，船閘控制柜2套，公用設備LCU控制柜1套，視頻LCU控制屏1套）。每個 LCU控制柜配置1塊觸摸屏，觸摸屏通過以太網與PLC連接，通常每3個孔橋閘由1個PLC控制，每1個船閘孔單獨由1個PLC控制。LCU控制柜集中布置在橋閘控制室，通過分布式I/O與現地設備相連，實現對設備的監測與控制。現地集中層和現地設備層為星型以太網結構。現地集中監控層通過光纜與現地控制單元通信，實現對各閘門的監視和啟閉集中控制。控制 系統具有電動機狀態監測、電氣參數監測、水位監測、閘門運行狀態監測、流量監測、閘門控制、 對管理所通信和報警功能。監控系統采用工業以太網結構，上位機與LCU屏之間采用工業

14、以太網，LCU屏與傳感器等傳動顯示設備之間宜采用420mA模擬量輸入或現場總線結構，實現數據監測、監控和監視功能。系統應采用信號隔離，軟、硬件濾波，防雷擊、屏蔽、信號接地等一系列防雷抗干擾措施； 應具備防誤操作功能和完備的自診斷、自恢復功能。LCU屏應能獨立于集控層運行，而且就地LCU的控制應具有兩種功能：一種是基于PLC通過觸摸屏的自動控制和單項控制；另一種是獨立于PLC之外，即PLC故障時，利用手動開關迸行控制。監控系統結構框圖見圖 6。1rfl i1* Wjiiniiii虬倉靈5$軌口n* nt!*T319#圖6橋閘監控系統結構示意圖#5 圖像視頻監視系統 視頻監視系統包括了橋閘圖像監視

15、系統和取水口、分水口閘門圖像監測系統二個部分。橋閘 視頻監視系統是以 9 座橋閘站現場的實時視頻作為信息內容，在橋閘現地監控室對實時視頻圖像 的遙控監視，完成對橋閘現場的監控管理，同時，橋閘現地監測到的視頻信息，將保存到本地的 視頻服務器中。韓江流域管理局監控中心是以遠程訪問方式，查看整個各個橋閘的現場實時視頻 圖像。由于取水口、分水口和韓江流域管理局監控中心之間為無線通信方式，因此，取水口、分水 口閘門圖像監測系統是采用無線圖像采集設備定時（或遙測實時方式）拍攝現地照片后，通過GPRS （或3G）傳送到管理局監控中心并保存到數據庫中，中心管理人員是通過查看回傳的照片， 實現監視主要取水口、分

16、水口的現場情況。整個系統由韓江流域管理局監測中心、橋閘現地監控室、傳輸網絡、前端視頻采集四部分組 成。由于篇幅所限，具體構成與技術在本文不再細述。6 應用軟件系統 供水體系工程自動化監控系統主要由監測信息采集系統、信息查詢及監視系統、供水優化調 度系統、技術支撐系統等組成，并提供連接調用功能，與省三防指揮系統、水資源管理系統、采 砂管理系統、電子沙盤、辦公業務管理系統等實現統一管理，無縫結合。監測信息采集系統由水位、流量、水質信息接收處理子系統組成，具有水位、流量、水質信 息采集等功能。信息查詢及監視系統具有監測信息查詢、監控點視頻監視、測站工程信息查詢、取用水信息 查詢、水資源管理和調度信息查詢等，以及對水源信息、取水信息、水質信息提供預警、報警功 能。供水優化調度系統分為調度分析子系統和調度仿真子系統，其中調度分析計算子系統用于對 韓江供水樞紐的供水進行中長期的優化調度，目標是在中長期時間尺度上，使得水資源的時間分 配達到最優。調度仿真子系統用于模擬供水體系內河網的流量演進，是一個實時調度的決策支持 系統。通過供水優化調度系統，分析制訂供水優化調度策略，為各站點流量的控制與預測提供科 學依據。技術支撐系統具有