紅旗泡水庫綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計方案綜述

葉江南，曹明偉

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2.中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都611130)

1 設計原則

1.1 可行性、可靠性第一的原則

深入了解現(xiàn)場環(huán)境和監(jiān)控對象特點，系統(tǒng)設計、設備選型、軟件編寫、系統(tǒng)集成、軟硬件測試、設備安裝、系統(tǒng)聯(lián)調等過程必須遵循可行性、可靠性第一的原則。

1.2 實用性與先進性相統(tǒng)一的原則

堅持“在實用條件下力求先進”的主導思想。結合水庫自然條件的特點，以及水閘、抽水站等供排水設施的具體情況，選擇國內外先進而實用的科學技術和軟硬件產(chǎn)品。

1.3 適應水利信息化發(fā)展趨勢和要求

順應數(shù)字化演示、數(shù)字化調配、數(shù)字化管理的發(fā)展方向，滿足信息發(fā)布和資源共享等信息化要求。

1.4 系統(tǒng)應具有操作簡單與標準化特點

系統(tǒng)建設應考慮到操作方便、易學、直觀等方面，必須具有友好的人機界面和智能操作，同時系統(tǒng)的設計和軟件開發(fā)應遵循行業(yè)主管部門的有關規(guī)范或規(guī)定。系統(tǒng)各功能部件、安裝方式、標識標志等盡量統(tǒng)一并符合相關行業(yè)標準。

1.5 系統(tǒng)具有開放性和可擴展性

系統(tǒng)采用的技術方案須適應系統(tǒng)擴展和未來技術發(fā)展的趨勢，最大限度地減少重復投資和資源浪費，保障業(yè)主的投資效益。

1.6 系統(tǒng)應具有完善的故障診斷功能和可靠的安

全性能

故障診斷系統(tǒng)應具有軟件、硬件故障報警功能，同時還應提供報警記錄和打印功能。故障診斷系統(tǒng)可提供故障區(qū)域、故障類型、故障時間、故障排除方法、故障恢復等信息。

系統(tǒng)安全是保障可靠運行的關鍵，除有效的網(wǎng)絡安全外，還包括抗雷電、抗強電、抗電磁干擾、防盜、防破壞等保護措施。

2 建設目標與任務

紅旗泡水庫作為尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程的重要組成，紅旗泡水庫管理所是北引綜合自動化系統(tǒng)的樞紐節(jié)點(分控中心)。

系統(tǒng)建設的總體目標是:實現(xiàn)紅旗泡水庫全庫區(qū)視頻監(jiān)控、同時監(jiān)測水庫水位及進出流量及水庫管理所的局域網(wǎng)改造［1］。

具體建設任務如下:

1)工程監(jiān)控:實現(xiàn)泵站、渠道的流量及水庫水位監(jiān)測。

2)視頻監(jiān)視:全庫區(qū)視頻監(jiān)視。

3)水質在線監(jiān)測。

4)水庫管理所的局域網(wǎng)改造。

5)水庫管理所、管理站及監(jiān)測站點的電源及防雷接地設施。

6)建設環(huán)湖光纜通道。

3 系統(tǒng)建設需求分析

3.1 水源地保護需求

由于安達市早已出現(xiàn)供水緊張情況，紅旗泡水庫已列入安達市供水水源地，據(jù)《安達市供水工程可行性研究報告》中描述，“根據(jù)庫區(qū)水質的要求，參照《黑龍江省飲用水源保護區(qū)劃分與防護的實施辦法》，將紅旗泡水庫引水口薩爾圖分干上溯1km、兩岸外延0.1km 范圍，庫周圍外延0.1km 的陸域劃分為一級水源保護區(qū)?！?/p>

在《安達市供水工程可行性研究報告》中對一級水源地保護措施的要求如下:

1)在水庫周圍人員活動頻繁的區(qū)域加裝防護網(wǎng)，防止人類活動污染水庫水質。

2)禁止新建擴建與供水設施和保護水源無關的建設項目。

3)禁止向水域排放污水、傾倒工業(yè)廢渣、城市垃圾等。

4)禁止在灘地和岸坡及飲用水渠沿岸堆放存儲固體廢棄物和其它導致水體污染的物質。

5)不得在水體內清洗車輛、衣物和其它器具。

6)禁止從事種植、放養(yǎng)禽畜，嚴格控制網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動。

7)禁止游泳、水上訓練，露營、野炊等可能污染水源的體育和娛樂活動，

8)禁止毒魚、炸魚、電魚;禁止使用毒藥和高殘留農(nóng)藥。

現(xiàn)水庫庫區(qū)僅完成部分防護網(wǎng)，具備少部分湖面的視頻監(jiān)視能力。為實現(xiàn)對水源地的有效保護有必要建設水庫水質監(jiān)控系統(tǒng)及全庫區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等工程設施，監(jiān)測水源地的水質及視頻監(jiān)視主要路口、路面、庫面巡測及周邊環(huán)境，并對傳入者實施錄像取證及語音驅離。

3.2 工程監(jiān)控需求

紅旗泡水庫樞紐工程包括:大壩、薩爾圖分干進水閘、泄水閘、北湖補水閘。此外有大慶市所屬大型抽水泵站(石化泵站)1 處，安達供水泵站1 處。

大壩為均質土壩，全長16.67 km，分主壩和東、西副壩。主壩長3 478 m，最大壩高5.36 m，迎水面坡為渣油混凝土8 cm墊層，5 cm厚瀝青砂漿坐漿。上層用30×25×25 cm3的料石護砌，縫隙灌注瀝青砂漿。西副壩全長9 445 m，最大壩高3.71 m，迎水面有5 080 m長直接采用20 cm 厚的渣油混凝土護坡，其余為土緩坡，草皮護砌。東副壩全長3 750 m，最大壩高2.5 m，迎水面少部分采用厚度15 cm渣油混凝土護砌，大部分是土緩坡，用草皮子護砌。

泄水通過尾水渠注入北二十里泡，進入閉流區(qū)排水系統(tǒng)，而后泄入松花江。

紅旗水庫為安達市及大慶石化總廠等多地多單位提供水源，供水保證率要求很高，并且全年運行。

3.2.1 工程監(jiān)控現(xiàn)狀

1)紅旗泵站及安達供水泵站的流量未實施監(jiān)控，現(xiàn)為企業(yè)自報流量，水庫對企業(yè)實際用水量無法實施有效計量。

2)水庫水位為人工測量。

3)泄洪閘手動控制，泄洪流量無計量。

4)進水閘為電動閘門，無遠動功能。

3.2.2 工程監(jiān)控需求

受業(yè)主委托現(xiàn)工程監(jiān)控需求為:①自動監(jiān)測2處泵站流量;②自動監(jiān)測水庫水位;③進水閘實現(xiàn)遠程監(jiān)控;④泄洪閘實現(xiàn)電動及遠程監(jiān)控，并監(jiān)測泄洪流量。

3.3 工程管理需求

3.3.1 綜合信息管理平臺的需求分析

管理單位的財務、人事、檔案、后勤、業(yè)務數(shù)據(jù)等行政事務管理。

3.3.2 地理信息技術應用需求分析

水庫擁有較多的水源工程、灌排渠系、量測站點等建筑物，采用先進的地理信息技術，提高水庫工程圖紙的應用水平。

3.3.3 工情信息管理應用需求分析

對于分布在廣闊的地域上的水利工程設施，傳統(tǒng)的手工管理無法表現(xiàn)水利設施的空間信息，即使基于紙質地圖，在水利設施工情信息的空間分布方面也缺乏足夠的表現(xiàn)力。這對渠道、閘門等水利建筑物的數(shù)據(jù)維護管理工作、水資源的合理調度帶來了極大的不便。而且針對工程設施的信息查詢(如物理屬性、位置屬性、維修記錄等)和進行專題地圖的劃分與應用都難以實現(xiàn)。因此，為了提高灌區(qū)的工程管理水平，需要進行灌區(qū)工情地理信息系統(tǒng)的建設。

3.3.4 水量計量業(yè)務應用需求分析

水量計量是水源地水庫的基本業(yè)務之一。

3.4 系統(tǒng)性能需求

3.4.1 正確率

1)信號傳輸正確率≥99%。

2)遙控正確率≥99%。

3.4.2 系統(tǒng)實時性指標

1)非電氣模擬量(如水位、流量等)＜5S。

2)電氣模擬量(如電壓、電流等)＜3S。

3)控制命令回答響應時間＜2S。

4)調節(jié)命令回答響應時間＜3S。

5)故障信號及報警事件產(chǎn)生到畫面顯示＜2S。

6)參數(shù)越限及復限報警響應時間＜5S。

3.4.3 遙測終端RTU 實時性指標

1)數(shù)據(jù)采用周期≤2S。

2)D 轉換時間≤10mS。

3.4.4 主站實時性指標

畫面調用響應時間85%畫面≤3S，其它≤5S。

畫面實時數(shù)據(jù)刷新周期≤5S。

視頻圖像掃描周期≥20 Hz/s。

電子顯示屏數(shù)據(jù)刷新時間≤3S。

3.4.5 計算機的CPU 負荷率

1)正常狀態(tài)下任意30min 內＜60%。

2)突發(fā)任務時10S 內＜80%。

3.4.6 LAN 負荷率

1)正常狀態(tài)下任意30min 內＜20%。

2)突發(fā)任務時10S 內＜40%。

3.4.7 可維護性

平均維護修復時間＜4h。

3.4.8 安全性

對監(jiān)測系統(tǒng)的每個功能和動作提供檢查和校核，當動作有誤時，終止動作并報警。

3.4.9 可擴性

1)I/O 模塊預留10%的備用量。

2)CPU 負載率＜50%。

3.5 系統(tǒng)安全需求

系統(tǒng)應保證:①管理安全;②通信、網(wǎng)絡安全;③設備安全;④防雷接地。

4 系統(tǒng)設計

綜合自動化系統(tǒng)以水位、流量、水質等信息采集、閘站控制、視頻監(jiān)視為基礎;以計算機及通信網(wǎng)絡平臺為支撐;以綜合數(shù)據(jù)庫、各功能軟件和應用軟件為核心，建成一個技術先進、功能豐富、可靠實用、規(guī)范標準的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。進而實現(xiàn)供水決策支持、實時水量調度、供水信息管理、供水安全與工程安全預警，構筑集水利信息采集、傳輸、存儲、共享、分析和應用一體化的管控平臺，全面實現(xiàn)水庫運行管理的數(shù)字化與自動化，為工程的現(xiàn)代化管理提供先進技術手段和設施。

該工程為水利工程綜合自動化系統(tǒng)，根據(jù)建設目標與任務本系統(tǒng)分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡系統(tǒng)、水情工情監(jiān)控系統(tǒng)、水質監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控站配電系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)等七個子系統(tǒng)進行分別設計。

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

采用第三代視頻安防監(jiān)控技術，將工程監(jiān)測及安全監(jiān)測統(tǒng)一設置，并利用光纜線路進行數(shù)據(jù)傳輸。工程共布置視頻監(jiān)控站20 個，覆蓋全庫區(qū)。視頻信息采用集中存儲策略，存儲于控制中心的硬盤陣列內，存儲時間6 個月。

4.2 網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)

建設環(huán)湖光纜工程，采用單模鎧裝光纜敷設、連接所有監(jiān)控站及管理站，光纜全長約39 km，沿水庫外側壩坡直埋敷設。

4.3 局域網(wǎng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)局域網(wǎng)承載所有視頻數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)，紅旗水庫網(wǎng)絡平臺采用核心交換、接入層交換雙層架構體系，網(wǎng)絡結構為星形，采用千兆網(wǎng)絡交換機為核心進行組建。局域網(wǎng)通過防火墻及路由器同大慶北引工程管理處進行連接，連接速率1000Mb/S。

4.4 水情工情監(jiān)控系統(tǒng)

采用分層分布式設計，實現(xiàn)現(xiàn)地層、控制中心2層控制。通過網(wǎng)絡及PLC 控制技術實現(xiàn)對工程范圍內對大慶石化泵站、引嫰入安泵站流量監(jiān)測，對水庫排水閘門的水位、閘位、流量監(jiān)測，同時監(jiān)測水庫水位，控制閘門啟閉。

4.5 水質監(jiān)測系統(tǒng)

水質監(jiān)測采用在線監(jiān)測的方式，實現(xiàn)水質的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程監(jiān)控。設置水質自動監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測指標包括水溫、溶解氧、pH 值、電導率、濁度、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等9 項。

4.6 監(jiān)控站配電系統(tǒng)

視頻監(jiān)控站及閘站的電源系統(tǒng)設計。

4.7 防雷接地系統(tǒng)

水庫管理所、管理站、監(jiān)控站、閘站的防雷接地系統(tǒng)設計。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.紅旗泡水庫綜合自動化設計報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2010.