万家寨引黄工程水力量测系统建设及其运行.doc

万家寨引黄工程水力量测系统建设及其运行张利刚 赵志良（山西省万家寨引黄工程管理局，山西 太原 030012）摘要 水力量测系统是大型引水工程实现监测控制及调度运行自动化管理的重要组成部分。文中以山西省万家寨引黄一期工程为例，详细介绍了水力量测系统的硬件设备选型、量测站点布设和数据采集传输，并基于统计学原理和数据库技术建立相应的数据分析模型，利用Visual Basic 语言 和SQL server 数据库技术混合编程，对水力量测系统的监测数据进行分析。结果表明,开发数据分析计算机系统可以实时、动态查询分析水力量测系统的运行状态并为运行调度提供科学依据,这对于实现大型引水工程运行管理由经验型决策向科学化决策的转变具有现实意义。关键词 水力量测系统；数据分析；数据库；运行管理中图分类号：TV698 文献标识码： BOn Constructing and Running of Hydraulic Measure System of Shanxi Wanjiazhai Yellow River Diversion ProjectZhang Li-gang Zhao Zhi-liangAbstract: Hydraulic Measure System is an important part for large-scale water supply project to realize automatization management of control and running . This paper takes Shanxi Wanjiazhai Yellow River Diversion Project for an example to introduce the choice of hardware equipment, the disposal of measure station and the transmission of data about Hydraulic Measure System. Based on the statistics theory and data warehouse technique to build data analysis model , using Visual Basic and SQL server combined program method to analyze the data of hydraulic measure system . As a result, empoldering computer system of data analysis may inquire about the running state of Hydraulic Measure System instantly and dynamicly , and it may offer scientific basis for running .Therefore, this is provided with realism meaning for large-scale water diversion project management decision changing form experience to science. key words: Hydraulic Measure System; data analysis; database; running management 5 / 51 国内外引水工程水力量测系统建设概述 长距离输水工程的建设已经成为确保国民经济持续发展的必然选择。随着人口增长和社会经济的发展,水的需求量日益增大,可利用水资源量的多少愈加成为制约一个城市、一个地区乃至一个国家经济可持续发展的关键因素。为解决水资源的时空分布不均问题以及缓解由于用水量的增加而产生的供需矛盾，人们兴建了许多跨流域、长距离的大型引水工程。例如，我国建于2200多年前的四川都江堰工程、1985年建成的引滦入津工程、1989年建成的引黄济青工程、2002年建成的万家寨引黄工程以及目前正在建设的南水北调工程等；美国在20世纪40年代建成的“中央河谷工程”、70年代建成的“加州水工程”；澳大利亚在5060年代建成的“雪山工程”；巴基斯坦在6070年代建成的西水东调工程等。这些大型引水工程运行复杂，水泵、阀门、隧洞、渡槽、涵管等设备和建筑物的运行状态直接关系到整个工程全线的协调、稳定、安全运行，而现代计算机技术和通信技术的迅猛发展为现代大型引水工程实现自动化调度控制提供了保证。 水力量测系统作为引水工程全线自动化调控系统的一部分，其主要任务是：对提水泵站的运行参数（如压力、扬程、流量、泵转速、电功率等项）进行监测；对输水系统水力参数的量测，一般包括水位、流量、流速、压力、水温、水质和含沙量等。从引水工程的调度管理角度来看，各项水力参数的监测量是全线自动化控制系统的核心部分之一，它为自动控制与调度运行提供最基本的数据。水力量测系统的建设主要包括量测设备的选型、测站布设以及数据采集与传输。而对其运行数据进行分析是实现运行管理、调度决策科学化的必要手段。 纵观国内外引水工程水力量测情况，除万家寨引黄工程外，目前尚无完整的全线自动化监测控制系统的实例。京密引水工程为自流输水，共设24个水力参数测报站，由7条微波干线传输数据。监测项目有水位、流量、水质、水温、雨量等。主要量测仪器有：ORE7410超声波流量计、浮子水位计及超声波水位计等。该系统从1991年以来运行情况良好，各测站虽有自动监测，但仍有人工测读对比。景泰川引水工程主要在各泵站前池装设了拦污栅压差和水位变送器，传感器采用1151DP电容式差压计（西安仪表厂），仅在1号和7号泵站实验性的装了部分差压式流量计，该系统信号传输采用载波和微波干线。引黄济青工程采用程控电话进行调度运行， 未建立全线自动化监测系统。引碧入连工程有6个分水口设流量计（超声波流量计或标准量水堰板），北段输水涵管首尾设ORE7500超声波流量计，北段沿程设120多个水位测点，采用振弦式渗压计测水深，全程设32个微波站传输信号。国外如美国亚利桑纳州和加州水道工程自动监控采用的量测仪器与国内情况相似，流量量测主要采用超声波流量计、水位量测采用振弦式或压阻式压力水位计。2 万家寨引黄工程概况 万家寨引黄工程是我国目前建成的一项长距离、高扬程、大流量的世界级跨流域引水工程，全长452.4km，由总干线(万家寨大坝向东至偏关县下土寨分水闸，全长44.4km)、北干线(下土寨分水闸向东和向东北至大同市赵家小村水库，全长166.9km)、南干线 (下土寨分水闸向南至宁武县头马营，全长101.7km)和联接段(头马营向南至太原呼延净水厂，全长139.4km)组成。设有五座目前国内最大的梯级泵站，总扬程636m。总干线设计引水流量为48m3/s，年总供水量12亿m3，其中由南干线向太原市年供水6.4亿m3，由北干线向大同市、朔州市年供水5.6亿m3。3万家寨引黄工程水力量测系统 万家寨引黄工程水力量测系统的建设主要是服务于全线水量调度和运行管理，为自动控制系统提供优化调度的依据，其中最重要的监测量是输水系统水力参数流量和水位，其次是水质和含沙量等。而泵站运行参数由泵站自备仪表监测，不在本系统建设之列。3.1水力量测设备选型 3.1.1水力量测设备种类 水力量测设备通常分为常规仪器和电子仪器两大类。测针、浮子、毕托管、量水堰板等属于量测水力学参数的传统式常规仪器；电子仪器是指利用近代发展起来的“非电量的电测法”实现无接触测量的设备，主要有三类：超声波（声学式），电波式（一般用雷达）， 激光式（激光）。3.1.2水力量测设备选型原则 分析对比两大类水力量测设备的优缺点，电子仪器在数据采集、传输和数据处理方面具有明显的优势，针对万家寨引黄工程，从运行安全、反映灵活、调度方便等方面考虑，要求对各水力参数实行实时监控，采用计算机网络系统进行调度。因此选型以电子仪器为主，辅以常规仪器验证。所选仪器应满足下列条件：较好的稳定性和可靠性；适于野外环境，具有较强的抗干扰和抗雷电能力；在信号采集、传输、处理等方面应与计算机调度系统相适应；安装、维护方便，运行经济；价格适中。3.1.3流量量测设备 万家寨引黄工程输水系统，实施等流量控制，需量测多处控制断面的流量值。目前常用直接法和间接法两种途径对流量进行量测。直接法有两种仪器：电磁流量计和超声波流量计；而通过测量当地水位（或压强）推算出流量的间接法则有多种水位计可选。为节省投资和便于维护,该系统除了在重要部位设超声波流量计之外，大量的中间监控断面采用了简单经济的水位量测方法间接显示流量。 根据被测流道情况和技术性能要求，结合引黄一期工程野外、大尺度的运行条件以及目前测流仪器的开发情况和国内水力量测的成功实例，系统选用了美国ACCUSONIC公司的Model 7500型超声波多声路流量计作为计费用流量计，选择了瑞士Rittmeyer公司的RISONIC 2000型超声波流量计作为调度控制用流量计。瑞士Rittmeyer公司的流量计测量精度在有压管道中可达到0.5%1%，在无压管道中可达到1%5%。根据流道条件及对测量精度的要求并兼顾经济原则，采用4声路布置方案和内贴式换能器，而且为每台流量计配置两台独立水位计（一台超声波下视水位计，一台压力式水位计），进行水位的监测和传输。五级泵站的进出水管流量监测、联接段测站的检修阀和减压阀支管采用我国徐州科讯公司的UIF-9800型超声波流量计。3.1.4水位量测设备 输水系统中水位的量测手段多种多样，可以适用于引黄工程的有水位尺法、浮子水位计、超声波水位计、压力传感器测水深（一般有电阻应变式压力传感器、固态压阻式压力传感器、振弦式压力传感器等）。考虑工程运行监控要求水位测报直接进入计算机自动监测网的需要，水力量测系统水位监测以非电量电测技术为主，同时兼顾运行、维护方便及其稳定性和可靠性，该工程选用： 德国Vega Grieshaber公司的VEGA52K型、VEGA53K型、VEGA56K型超声波水位计和VEGA86型、VEGA71X型压力式水位计； 瑞士Rittmeyer公司的高精度、高可靠W2Q型吹气式水位； 太原理工大学研制的MFC-3型感应式数字式水位传感器； 徐州科讯公司生产的WUX-2型压力式水位计。3.1.5含沙量量测设备 引黄工程主要解决城市供水，原水水质的优劣至关重要。而引水含沙量不仅影响水质，而且过高的含沙量将威胁工程的安全正常运行。该工程共装有两套泥沙含量监测设备。一套原来安装于万家寨引黄取水口，现已转移至总干三级泵站监测站；一套安装于头马营输水终端。为保证测量范围及测量精度，选用 HACH、0ptiQuant悬浊固体和浊度分析仪。3.2水力量测站点布设 引黄工程水力量测测站布置主要考虑输水系统流量和水位测点的布置。布置范围是总干线及南干线、各级泵站前池、出水井（调压井）、申同嘴水库放水闸、输水隧洞、渡槽、埋涵等部位。不包括泵站内各项运行参数的监测点。 3.2.1布设原则 水力量测站点的布设要结合工程主体建筑物及输水线路进行总体布置。应以能够满足该工程全线等流量控制的运行要求及调度管理的需要为总的原则。 由于选用的超声波流量计造价高且需要特殊维护，故流量测站的布置应少而精； 在满足运行要求的条件下，全系统以水位监测站点的布置为主； 各测站的任务、仪器、工作环境各异，应分别考虑； 仪器测点与进行数据处理的转换器之间的连接电缆长度应不大于300m,且架设或埋设须符合有关规定； 量测仪器探头装设应满足厂家安装条件与工艺要求，以不干扰洞中正常水流并考虑检测、更换的方便为原则； 对于野外无人值守的测站，必需设有可靠的电源供应和通信系统接口并具有安全防护措施。 3.2.2 量测站点布置 引黄工程流量监测点共计 14个，其中总干线 6个，南干线 7个，联接段 1个；水位监测点共计 55个 ，其中总干线 20个，南干线 34个，联接段 1个；含沙量监测点 2个，其中总干线 1个，原设在万家寨取水口，现已转移至总干三级泵站监测站；南干线 1个。设在头马营汾河入口 。 3.3水力量测数据采集传输 引黄一期工程所设置的流量计、水位计、测沙仪等水力量测设备分布于输水全线，量测数据的的采集信号最终需要送到调度中心。为此，根据地理状况，在工程沿线设置了16个数据采集点，将分散的信号通过电缆连接到采集点。每一个采集点都装置了测量控制单元（MCU），它采用美国AB公司的具有内置冗余Contrologix PLC。数据信息的传输借助于引黄工程通信系统来实现。通信系统包括光纤通信系统、数字微波通信系统、一点多址微波通信系统、移动通信系统、程控及调度交换系统、工业电视系统、通信电源系统及动力、环境监控系统以及一些附属设施。水力量测数据通过SDH光纤环网（采用SDH155.520MHZ/s）传输到太原调度中心。SDH光纤传输网的主要特点是：同步复用，容量大，可实现光纤自愈环路结构，标准光接口，功能强大的网络OAM能力。4万家寨引黄工程水力量测系统运行分析 4.1 工程运行要求及特点 运行期要求：由于万家寨水库调度运行规定每年的8、9月需降低水位冲沙，因而该工程在此期间将停止输水。全年连续运行10个月。这样就要求运行时需一年一度的停水，一年一度的充水启动。 控制要求：对于一期工程在146.4km的全线范围内，由于泵站之间为封闭式单线串联，只有申同嘴水库具有有限的调蓄能力，各级泵站前池容积相对很小，因此，要求系统按等流量控制运行。 无压隧洞运行要求：由于无压隧洞流量调节余地很小，运行期要求无压隧洞内水流不封顶，不漏底。隧洞余幅（净空）应控制在隧洞断面的15%。 运行特点：引黄一期工程分为两个子系统。即：压力输水系统（万家寨水库总干一级泵站总干二级泵站申同嘴水库）；无压输水系统（申同嘴水库总干三级泵站下土寨分水闸南干一极泵站南干二级泵站头马营）。两系统流量的平衡由申同嘴水库调节。4.2 水力量测系统运行分析引黄工程从2002年建成投入试运行以来，水力量测系统为工程的运行控制和调度管理提供了大量、详实的实时监测数据， 通过对水力量测数据的分析，运行管理人员可以及时掌握工程的运行状况并为运行决策提供依据。目前，调度中心只在每周三提供全线各个断面的资料，其余时间只提供总干一级泵站、总干二级泵站、南干二级泵站及联接段资料。中心实验室主要通过人工录入数据进行分析和资料整理，不能进行实时在线查询分析，为此，急需开发数据分析计算机系统。 4.2.1 水力量测数据分析系统开发 系统开发语言及数据库引黄工程水力量测数据分析系统软件选用Windows XP作为系统软件的运行平台，程序开发选用Visual Basic 6.0作为编程语言，VB提供了许多可视性工具，利用这些工具可加快应用程序的开发且具有数据库连接和数据处理操作简单、灵活、可扩充等主要优点。系统数据库选用大型关系型数据库管理系统Microsoft SQL Server 2000 。它是专门为广泛的企业客户和创建商业应用程序的独立软件商设计的Client/Server数据库管理平台，因此，无论是在数据库结构、使用方法或者管理方式上，都体现了方便用户、满足用户要求的特点。 软件结构和功能 引黄工程水力量测数据分析计算机系统由水力量测设备管理子系统、输水系统数据分析子系统和含沙量分析子系统组成。另外，SQL Server数据库也是该软件系统的重要组成部分，在该数据库中，收录了引黄一期工程试运行以来的2005、2006两年的水力量测数据。图1为软件流程简图。4.2.2 泵站运行工况分析 由于泵站运行的主要参数通过现场仪表读取，由操作人员记录分析，所以本数据分析系统的泵站运行分析部分仅就流量-扬程关系的日运行状况进行实时分析，并通过绘制流量-扬程关系曲线来反映泵站的日运行工况。以2005年10月19日的总干一级泵站运行数据为例，分析结果见图2。 图2 总干一级泵站2005年10月19日扬程流量曲线扬程和流量曲线形态呈先升后降的形态，符合引黄工程泵站主水泵为低比转速离心泵的基本性能。原因是低比转速泵一般叶槽狭长，在偏离无冲击流的情况下，冲击损失较大，并在流量很小时尤为明显，使得理论扬程的减幅较大，故形成先升后降的形状。4.2.3 输水系统运行分析 输水系统运行分析选用控制断面流量、水位分别在旬、月、年时间阶段内的变化值进行查询计算，并给出不同量测手段（超声波测流和薄壁堰测流）的对比分析。以20