江都水利樞紐調(diào)度中心自動(dòng)化系統(tǒng)的研究

薛井俊，王德俊，霍安新

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200）

0 引言

江都水利樞紐是江蘇省江水北調(diào)的龍頭，又是南水北調(diào)東線的源頭。它以 4 座大型電力抽水站為主體工程，以京杭大運(yùn)河、新通揚(yáng)運(yùn)河和三陽(yáng)河為主要輸水干道，與江都西閘和東閘、芒稻閘等15 座水上建筑物相配套，是具有灌溉、防洪、供水、排澇、發(fā)電、通航、改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能的大型水利樞紐工程。其中 4 座抽水站總裝機(jī) 33 臺(tái)套、55800 kW，設(shè)計(jì)流量 508.2 m3/s，為蘇北地區(qū)乃至山東、河北等地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，城市供水，生態(tài)環(huán)境等方面提供了水源支撐。

為了滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)水資源優(yōu)化配置的需求，必須提高水利工程的供水能力。為此，將科學(xué)技術(shù)引入工程管理是確保工程安全，提高工程完好率的重要手段。將自動(dòng)化監(jiān)控和通信系統(tǒng)引入大型水利工程的管理中是水利工程科學(xué)化、現(xiàn)代化的重要手段。如何實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心集中監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度、按權(quán)限操作，各水利工程現(xiàn)場(chǎng)“無(wú)人值班，少人值守”的管理模式是水利工程管理的當(dāng)務(wù)之急。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

調(diào)度中心自動(dòng)化系統(tǒng)兼容各分中心自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)視、操作控制等基本功能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度、數(shù)據(jù)管理、診斷恢復(fù)、在線維護(hù)等功能，并對(duì)各水利工程的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理；同時(shí)負(fù)責(zé)向上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)傳送各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，并接收上級(jí)調(diào)度指令。

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用 3 網(wǎng) 4 層的分層分布開放系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 1 所示。3 網(wǎng)即運(yùn)行調(diào)度、工程管理和信息發(fā)布網(wǎng)，采用分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式，使不同要求的信息在不同的網(wǎng)絡(luò)通道上傳輸，避免相互干擾，確保系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)、安全和可靠性[1]。運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)采用雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)，分為 A，B 網(wǎng)，分別配置不同的 IP 地址段。正常工作時(shí)只有主網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)節(jié)點(diǎn)在“值班”，而備用網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)節(jié)點(diǎn)處于“偵聽”的“備用”狀態(tài)下運(yùn)行；主網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)節(jié)點(diǎn)異常或故障的情況下，備用網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)節(jié)點(diǎn)激活，確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行。服務(wù)器、工作站均通過 2 個(gè) 100 Mbps RJ45 端口分別與 2 只環(huán)網(wǎng)交換機(jī)連接，采用 MODBUS TCP/IP 協(xié)議。工程管理網(wǎng)采用星形網(wǎng)絡(luò)，各部門、單位的辦公終端全部運(yùn)行在本網(wǎng)內(nèi)，可以通過 IE 瀏覽器調(diào)用 Web 服務(wù)器在工程管理網(wǎng)上發(fā)布的工程信息。信息發(fā)布網(wǎng)即為調(diào)度中心向上級(jí)部門發(fā)布信息的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)水利工程運(yùn)行和上級(jí)部門的需要，發(fā)布水利工程基本信息、運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及水利法律法規(guī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音交換、圖文傳真、圖像監(jiān)控等功能和資源共享。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 層即分中心監(jiān)控、調(diào)度中心調(diào)度、工程管理和信息發(fā)布層，每層的功能各有側(cè)重，相互協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的全部功能。分中心監(jiān)控層完成分中心設(shè)備的實(shí)時(shí)信息采集處理、視頻監(jiān)視、操作控制及數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)；調(diào)度中心調(diào)度層完成各分中心所有設(shè)備運(yùn)行信息的管理和整理任務(wù)，并負(fù)責(zé)整個(gè)工程的調(diào)度；工程管理層主要完成信息在單位內(nèi)部發(fā)布；信息發(fā)布層主要完成有關(guān)信息的對(duì)外發(fā)布與查詢工作，采用 B/S 結(jié)構(gòu)的信息瀏覽發(fā)布系統(tǒng)軟件。

1.2 硬件配置

系統(tǒng)圍繞實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、資源共享 3 大職能，硬件架構(gòu)如圖 2 所示。系統(tǒng)組成如下：操作員工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)各 2 套，共享磁盤陣列及外圍設(shè)備、培訓(xùn)站、工程師站、校時(shí)工作站、GPS 時(shí)鐘裝置、大屏幕系統(tǒng)各 1 套，Web 服務(wù)器、物理隔離裝置、防火墻、辦公交換機(jī)各 1 臺(tái)。

圖2 硬件架構(gòu)圖

2 臺(tái)操作員工作站作為運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)上的監(jiān)控主機(jī)，共享數(shù)據(jù)服務(wù)器、各分中心的資源，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)視、信息監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能。2 臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器采用冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)存儲(chǔ)、管理各中心上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理功能，并由主數(shù)據(jù)服務(wù)器將需要發(fā)布的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)?Web 服務(wù)器上。Web 服務(wù)器作為工程管理網(wǎng)上的 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過物理隔離裝置與運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)上的數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)信息內(nèi)部發(fā)布功能；通過防火墻與南水北調(diào)東線網(wǎng)、江蘇省水利網(wǎng)、電力調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)信息外部發(fā)布功能。

物理隔離裝置與冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器連接，將運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)與工程管理網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。為了保證調(diào)度中心運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)的安全，隔離裝置硬件裝置采用非 Intel（及兼容）的雙微處理器，裝置內(nèi)外 2 個(gè)處理系統(tǒng)，不同時(shí)連通；軟件采取無(wú) IP 地址的透明監(jiān)聽方式，支持網(wǎng)路地址轉(zhuǎn)換，內(nèi)設(shè)綜合報(bào)文過濾，防止穿透性 TCP 連接；應(yīng)用層解析支持身份認(rèn)證，單向數(shù)據(jù)通信控制，單向連接控制。一旦違反安全策略的網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)報(bào)警，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略做出響應(yīng)，如立即阻斷該網(wǎng)絡(luò)連接等，防止將工程管理網(wǎng)的安全問題帶到運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)中，有效防止病毒和黑客的攻擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行調(diào)度網(wǎng)的重點(diǎn)防護(hù)[2]。

系統(tǒng)配置的專用網(wǎng)管軟件能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的攻擊進(jìn)行防范，并提供權(quán)限、資源、故障等管理功能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)進(jìn)行有效控制和管理，確保網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行[3]。

1.3 軟件架構(gòu)

自動(dòng)化系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件、通信通道等硬設(shè)備確定和實(shí)施以后，軟件的結(jié)構(gòu)、功能等就成為監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。

監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，主要有監(jiān)控平臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊、信息發(fā)布等 6 個(gè)子軟件[4]。

監(jiān)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件安裝在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的統(tǒng)一開發(fā)和管理；監(jiān)控系統(tǒng)、通訊軟件安裝在監(jiān)控主機(jī)上，監(jiān)測(cè)各個(gè)分中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在各分中心授權(quán)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)主輔機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)；信息發(fā)布軟件安裝 Web 服務(wù)器上，用于對(duì)外發(fā)布工、水情信息，實(shí)現(xiàn)資源共享。

圖3 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

2.1 通信

調(diào)度中心自動(dòng)化系統(tǒng)的功能由軟件來完成，而軟件執(zhí)行各個(gè)功能以通信方式完成，調(diào)度中心與各分中心之間必須實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)、可靠、穩(wěn)定性的通信，才能保證整個(gè)水利工程穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

系統(tǒng)通信具有運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、程序穩(wěn)定、通信安全、功能測(cè)試、故障診斷等優(yōu)點(diǎn)，采用通用、標(biāo)準(zhǔn)、開放、穩(wěn)定的通信協(xié)議，保證了系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心全部數(shù)據(jù)的采集。通信分為調(diào)度中心與分中心、上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)通信 2 種。

2.2 監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)： 1）以實(shí)物模型、動(dòng)態(tài)圖形、實(shí)時(shí)曲線、滾動(dòng)報(bào)表等方式實(shí)時(shí)顯示各分中心的運(yùn)行數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)報(bào)警；2）對(duì)各分中心的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、調(diào)節(jié)和調(diào)度，能以操作流程、操作票、三維動(dòng)態(tài)模型等方式顯示控制，調(diào)節(jié)過程；3）進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、畫面編輯、計(jì)算統(tǒng)計(jì)、工程管理，實(shí)現(xiàn)各分中心自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視、報(bào)警、控制、調(diào)節(jié)功能；4）實(shí)時(shí)顯示各分中心的視頻圖像，監(jiān)聽各分中心的聲音，遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)，支持與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能，并為網(wǎng)絡(luò)用戶提供視頻圖像網(wǎng)上瀏覽、遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)各分中心視頻系統(tǒng)的監(jiān)視功能。

2.3 管理

管理功能是對(duì)調(diào)度中心及各分中心的運(yùn)行數(shù)據(jù)、工程概況、設(shè)備參數(shù)、故障信息進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)，分類，存儲(chǔ)，為工程運(yùn)行、管理、維護(hù)和改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)類別可分為數(shù)據(jù)、工程、設(shè)備、故障 4 大管理類。

1）數(shù)據(jù)管理：對(duì)各分中心實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按規(guī)定格式存儲(chǔ)，為工程管理、改造、信息發(fā)布提供原始數(shù)據(jù)。調(diào)度中心儲(chǔ)存的泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 自動(dòng)化系統(tǒng)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)表

2）工程管理：對(duì)工程管理范圍、建設(shè)物等級(jí)評(píng)定、工程觀測(cè)項(xiàng)目、工程維修信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)歸檔。為工程維護(hù)養(yǎng)護(hù)、安全鑒定、更新改造提供基礎(chǔ)信息。

3）設(shè)備管理：對(duì)主電動(dòng)機(jī)、變壓器、高低壓開關(guān)柜、電纜、輔助設(shè)備及自動(dòng)化系統(tǒng)等主要設(shè)備的銘牌數(shù)據(jù)，性能指標(biāo)，配置參數(shù)，備品備件等信息進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)、歸檔，為工程維護(hù)養(yǎng)護(hù)、優(yōu)化調(diào)度模型建立、工程優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)信息。

4）故障檢修管理：對(duì)工程運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的故障信息和原因及維護(hù)記錄進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)、歸檔，為工程維修養(yǎng)護(hù)、更新改造提供基礎(chǔ)信息。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)通信、工程、設(shè)備等信息進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)，分類，計(jì)算和存儲(chǔ)，為工程管理、信息發(fā)布、優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在調(diào)度中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，調(diào)度中心和各分中心的數(shù)據(jù)各自存儲(chǔ)，互為備用。如果分中心的歷史數(shù)據(jù)丟失, 可以通過調(diào)度中心存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速補(bǔ)充；調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫(kù)崩潰可以通過各分中心的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其進(jìn)行迅速恢復(fù)。數(shù)據(jù)庫(kù)具有服務(wù)器、存儲(chǔ)方式可靠，存儲(chǔ)協(xié)議、格式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 信息發(fā)布

1）內(nèi)網(wǎng)信息服務(wù)：在工程管理網(wǎng)內(nèi)對(duì)監(jiān)控畫面、工程運(yùn)行狀況、水情和設(shè)備信息、歷史數(shù)據(jù)、值班情況、水利工程基本信息和管理法規(guī)等信息進(jìn)行發(fā)布，工程管理人員在辦公室就能實(shí)時(shí)監(jiān)視工程運(yùn)行狀況。

2）公網(wǎng)信息服務(wù)：建立專門的公網(wǎng)信息發(fā)布網(wǎng)頁(yè)，提供水利工程運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、水利工程基本信息和管理法規(guī)，供其他部門人員了解水利工程運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)信息共享。

3）數(shù)據(jù)上傳接口服務(wù)：建立專門的數(shù)據(jù)通信接口，接受上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的調(diào)度指令，并上傳本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度和數(shù)據(jù)共享。

2.6 優(yōu)化調(diào)度

在保證工程可靠運(yùn)行的前提下，調(diào)度中心按照上級(jí)調(diào)度指令和工程調(diào)度原則，根據(jù)各分中心的規(guī)模、完好率、能耗、效率及水情信息、電網(wǎng)峰谷電價(jià)等因素，對(duì)調(diào)度指令進(jìn)行合理分解，提出優(yōu)化調(diào)度方案，各分中心根據(jù)優(yōu)化調(diào)度方案和本中心優(yōu)化調(diào)度模型控制工程運(yùn)行，確保整個(gè)樞紐在最優(yōu)工況下執(zhí)行上級(jí)調(diào)度指令[5]。

2.7 診斷恢復(fù)

當(dāng)診斷出故障時(shí)，立即采用語(yǔ)音、報(bào)警窗口、模擬光字牌等方式自動(dòng)報(bào)警，并及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷出故障的原因和部位，在保證故障不擴(kuò)大的前提下最大限度地恢復(fù)原來的功能；系統(tǒng)具有通信故障的診斷，冗余設(shè)備故障自動(dòng)切換，硬件故障排除后軟件恢復(fù)運(yùn)行等功能，操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)備份及一鍵恢復(fù)功能。

2.8 在線維護(hù)

1）硬件在線維護(hù)：若系統(tǒng)中的某臺(tái)獨(dú)立設(shè)備或冗余設(shè)備中的 1 臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員在不影響系統(tǒng)和工程的正常運(yùn)行的情況下，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行在線維修或更換。

2）軟件在線編輯：若監(jiān)控軟件的程序、畫面、報(bào)表、定值、功能等需要調(diào)整時(shí)，工程師可以對(duì)監(jiān)控軟件進(jìn)行在線編輯、修改、拷貝、存儲(chǔ)。

3）遠(yuǎn)程開發(fā)維護(hù)功能：監(jiān)控軟件提供強(qiáng)大的分布式的遠(yuǎn)程集中開發(fā)、部署、診斷、維護(hù)功能，使開發(fā)人員通過網(wǎng)絡(luò)即可對(duì)遠(yuǎn)程的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)提供集中開發(fā)、部署和維護(hù)服務(wù)。

2.9 仿真培訓(xùn)

在仿真培訓(xùn)工作站上，仿真培訓(xùn)程序模仿現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的工作條件、環(huán)境，使用與現(xiàn)場(chǎng)相同的虛擬設(shè)備與技術(shù)，以仿真演示的方式動(dòng)態(tài)模擬顯示工程運(yùn)行情況，嚴(yán)格按照真實(shí)的情境來學(xué)習(xí)和訓(xùn)練如何按規(guī)程操作設(shè)備、處理工作中的實(shí)際問題，為操作員提供仿真培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容主要包括工程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件、軟件、規(guī)程等介紹，模擬操作及故障維護(hù)等。

通過仿真培訓(xùn)，可以縮短工人的技術(shù)培訓(xùn)時(shí)間，提高在崗職工技術(shù)素質(zhì)和處理事故的應(yīng)變能力。這種方法使培訓(xùn)效果與實(shí)際需要相吻合，又避免了對(duì)現(xiàn)實(shí)作業(yè)的干擾，可以永久使用，有助于節(jié)省大量的培訓(xùn)費(fèi)用。

2.10 與防汛會(huì)商系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

系統(tǒng)具有防汛會(huì)商系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能，為防汛抗旱決策支持系統(tǒng)提供最基礎(chǔ)的信息，為決策層人員完成防汛部署、決策、指揮提供參考數(shù)據(jù)，主要包括：水情、水工建筑物、設(shè)備運(yùn)行等信息；作為上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的 1 個(gè)子系統(tǒng)，能夠與調(diào)度中心遠(yuǎn)程電視電話會(huì)議，為防汛抗旱決策提供快速通道[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以南水北調(diào)江都站調(diào)度中心為例，介紹了其自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、硬件和軟件架構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)的功能展開了敘述。目前，江都站調(diào)度中心自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行 18 個(gè)月，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，降低了工程管理成本和運(yùn)行成本，提高了工程運(yùn)行管理效率和管理水平，有利于推動(dòng)水利信息化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)水利工程信息化的建設(shè)提供良好的參考和借鑒作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

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