河北省南水北調(diào)配套工程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

楊鐵樹(shù)，張同生

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250；2.河北省辛集市水務(wù)局渠道管理處，河北 辛集052360）

1 工程概況

河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程總長(zhǎng)度2069km，工程受水區(qū)包括石家莊、邯鄲、邢臺(tái)、保定、廊坊、滄州、衡水7個(gè)省轄市、92個(gè)縣（市）和華北油田等多個(gè)重要工業(yè)區(qū)。配套工程主要作用是補(bǔ)充沿線城市生活用水，兼顧部分工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水，是上述地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活、環(huán)境等長(zhǎng)期穩(wěn)定、健康發(fā)展的重要保障，也是南水北調(diào)中線工程效益正常發(fā)揮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

河北省南水北調(diào)配套工程監(jiān)控系統(tǒng)包括：1個(gè)總調(diào)中心（河北水務(wù)集團(tuán)）、11個(gè)干渠管理處（4個(gè)干渠管理處、7個(gè)設(shè)區(qū)市管理處）、10個(gè)區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站（其中有5個(gè)與管理處合并）及183個(gè)現(xiàn)地站（管理站）。

2 工程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

工程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足全線統(tǒng)一調(diào)度、區(qū)域應(yīng)急調(diào)度為核心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、現(xiàn)地閉環(huán)自控為重點(diǎn)，以達(dá)到安全輸水、優(yōu)化配水、精確調(diào)水為目標(biāo)，結(jié)合工程條件、機(jī)構(gòu)設(shè)置和管理要求，提出了本工程所特有的“3+1”層應(yīng)用架構(gòu)，“1+1”型雙網(wǎng)架構(gòu)（即控制專(zhuān)網(wǎng)+業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)），構(gòu)造出“先進(jìn)、實(shí)用、安全、可靠”的工程監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 “3+1”層應(yīng)用結(jié)構(gòu)

3+1層應(yīng)用結(jié)構(gòu)是在常規(guī)調(diào)水工程監(jiān)控系統(tǒng)3層架構(gòu)（即總調(diào)中心層、管理處層、現(xiàn)地監(jiān)控層）的基礎(chǔ)上，增設(shè)了區(qū)域應(yīng)急調(diào)度層，構(gòu)成了“總調(diào)中心層、管理處層、區(qū)域應(yīng)急調(diào)度層和現(xiàn)地監(jiān)控層”的3+1層應(yīng)用結(jié)構(gòu)。該應(yīng)用結(jié)構(gòu)不僅解決了總調(diào)中心采用“統(tǒng)一調(diào)度、集中布署”所帶來(lái)的安全性隱患，而且彌補(bǔ)了管理處層僅設(shè)置監(jiān)測(cè)功能所帶來(lái)的功能性缺失。工程監(jiān)控系統(tǒng)“3+1”層應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 工程監(jiān)控系統(tǒng)“3+1”層應(yīng)用結(jié)構(gòu)

2.1.1 總調(diào)中心層

由設(shè)于河北水務(wù)集團(tuán)的總調(diào)中心和設(shè)于保滄干渠管理處的數(shù)據(jù)備份中心組成，主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1.2 管理處層

在4個(gè)跨市干渠管理處和7個(gè)設(shè)區(qū)市管理處的監(jiān)測(cè)分中心各設(shè)置遠(yuǎn)程終端站，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所屬區(qū)域內(nèi)各現(xiàn)地站的監(jiān)測(cè)和管理功能，不具備控制和系統(tǒng)管理功能。

2.1.3 區(qū)域應(yīng)急調(diào)度層

當(dāng)總調(diào)中心故障退出時(shí)，為了提高整個(gè)配套工程的供水保證率，增設(shè)區(qū)域應(yīng)急調(diào)度功能，在10個(gè)信息匯集中心（即4條干渠管理處、邯鄲市管理處、正定管理所、保定末端現(xiàn)地站、黑沙村隧洞進(jìn)口閥站、傅家莊管理所、泊頭市管理所）建立區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站。

2.1.4 現(xiàn)地監(jiān)控層

在183個(gè)現(xiàn)地站（包括42個(gè)泵站、34個(gè)閘站、93個(gè)閥站、2個(gè)調(diào)壓井站和12個(gè)純管理站）配置了工控機(jī)、監(jiān)控軟件、PLC、觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（裝置）、數(shù)據(jù)通信等設(shè)備，是工程監(jiān)控系統(tǒng)最基層的控制單元。

2.2 “1+1”型雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)“3+1”層應(yīng)用結(jié)構(gòu)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)通信所承載信息量的實(shí)時(shí)性和安全性要求不同，在總調(diào)中心層、區(qū)域應(yīng)急調(diào)度層和現(xiàn)地監(jiān)控層間建立控制專(zhuān)網(wǎng)，以提高調(diào)度指令下達(dá)和數(shù)據(jù)信息上傳的安全性；在總調(diào)中心層和管理處層借用業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)信息通道實(shí)現(xiàn)其間的監(jiān)測(cè)信息交換，不僅節(jié)省了專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用，而且充分利用了業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)傳輸流量大的特點(diǎn)。這樣需要在控制專(zhuān)網(wǎng)與業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)間建立信息交互通道，兩網(wǎng)間設(shè)置網(wǎng)閘以保障其數(shù)據(jù)交互的安全性。工程監(jiān)控系統(tǒng)“1+1”型雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 工程監(jiān)控系統(tǒng)“1+1”型雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

“1+1”型雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)具備扁平化特性，在具備權(quán)限的前提下，網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都可以相互訪問(wèn)，總調(diào)中心可以直接訪問(wèn)到各現(xiàn)地站，可以直接將控制指令下達(dá)到各現(xiàn)地站；各現(xiàn)地站可以直接上傳數(shù)據(jù)信息到總調(diào)中心。

3 工程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度控制策略

3.1 調(diào)度控制策略

河北省南水北調(diào)配套工程引水點(diǎn)為南水北調(diào)中線總干渠的32個(gè)分水口，用水戶為分布于7個(gè)設(shè)區(qū)市的138個(gè)供水目標(biāo)，工程監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度控制策略就是要解析這個(gè)以32個(gè)分水口為輸入變量、138個(gè)供水目標(biāo)為輸出變量的多元函數(shù)，其最優(yōu)解就是實(shí)現(xiàn)每條輸水管線的水量供需調(diào)度平衡及整個(gè)配套工程供水目標(biāo)的動(dòng)態(tài)控制平衡。采用“統(tǒng)一調(diào)度”和“集中控制”是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方法。

（1）正常調(diào)度控制方式采用總調(diào)中心遠(yuǎn)程集中調(diào)度，各現(xiàn)地站按照總調(diào)中心統(tǒng)一下發(fā)的調(diào)度指令對(duì)其泵組（閘門(mén)、閥門(mén)）進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)河北省配套工程各輸水管線的分支流量調(diào)節(jié)及整個(gè)配套工程總量平衡調(diào)節(jié)，保證138個(gè)供水目標(biāo)所需用水量和32個(gè)分水口供應(yīng)來(lái)水量及其二者供需總量平衡。總調(diào)中心具備調(diào)度控制權(quán)限和權(quán)限管理功能，各現(xiàn)地站具有控制權(quán)限。

（2）非常調(diào)度控制方式增設(shè)了區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站，當(dāng)總調(diào)中心事故退出時(shí)，啟用區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站進(jìn)行區(qū)域集中調(diào)度，各現(xiàn)地站按照應(yīng)急調(diào)度指令對(duì)所屬泵組（閘門(mén)、閥門(mén)）進(jìn)行區(qū)域應(yīng)急控制，并發(fā)出告警信息。

3.2 調(diào)度控制模型

根據(jù)調(diào)度控制策略采用3種調(diào)度控制模式對(duì)各現(xiàn)地站的泵組（閘門(mén)、閥門(mén)）進(jìn)行控制。各控制層的調(diào)度控制模型配置如表1。

表1 各控制層的調(diào)度控制模型及功能分布

3.2.1 總調(diào)中心集中調(diào)度監(jiān)控模式

由總調(diào)中心的水量調(diào)度系統(tǒng)向工程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)度控制指令，經(jīng)當(dāng)班調(diào)度人員確認(rèn)，下發(fā)至各現(xiàn)地站，并分解為各泵組（閘門(mén)、閥門(mén)）可執(zhí)行的控制信號(hào)，以完成各現(xiàn)地站控制參數(shù)（如流量、壓力、水位等）的遠(yuǎn)程調(diào)度監(jiān)控。這是正常情況下的基本控制模式。

3.2.2 現(xiàn)地站自我閉環(huán)控制模式

各現(xiàn)地站根據(jù)總調(diào)中心水量調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的供水計(jì)劃或目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制?，F(xiàn)地站也可通過(guò)人工輸入控制目標(biāo)，由PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)完成并保持當(dāng)前控制目標(biāo)，直至控制目標(biāo)的再次改變。這種控制模式也是基本的控制模式。

3.2.3 區(qū)域應(yīng)急調(diào)度監(jiān)測(cè)模式

在總調(diào)中心非正常情況下，通過(guò)10個(gè)區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站對(duì)其所屬區(qū)域內(nèi)的泵組（閘門(mén)、閥門(mén)）下達(dá)調(diào)度計(jì)劃和分解任務(wù)，此時(shí)現(xiàn)地站采取現(xiàn)地模式進(jìn)行控制。

3.3 調(diào)度控制功能分布

各控制層調(diào)度控制模型的布設(shè)主要表現(xiàn)于不同功能的分布。各控制層的功能分布如表1。

（1）總調(diào)中心和區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站具有調(diào)度功能。上級(jí)控制層以行政命令或調(diào)度指令方式向各現(xiàn)地站下達(dá)供水目標(biāo)值，各現(xiàn)地站將現(xiàn)場(chǎng)供水信息及運(yùn)行工況上傳上級(jí)控制層?？傉{(diào)中心還具有操作配置和安全管理功能。

（2）總調(diào)中心和現(xiàn)地站具有控制功能。通過(guò)監(jiān)控服務(wù)自動(dòng)下發(fā)各現(xiàn)地站的實(shí)時(shí)操作控制命令，自動(dòng)上傳執(zhí)行結(jié)果，并通過(guò)對(duì)執(zhí)行結(jié)果的再次判斷，實(shí)時(shí)修正控制指令，以閉環(huán)控制方式達(dá)到供水目標(biāo)的自動(dòng)調(diào)控。

（3）各控制層均具有監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)監(jiān)控服務(wù)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)PLC的數(shù)據(jù)，在各監(jiān)控層平臺(tái)界面上實(shí)時(shí)顯示。

4 工程監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)機(jī)制

4.1 數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)

4.1.1 過(guò)程數(shù)據(jù)一級(jí)存儲(chǔ)

過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用一級(jí)分層存儲(chǔ)機(jī)制?？傉{(diào)中心、數(shù)據(jù)備份中心及區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站存儲(chǔ)所有泵（閘、閥）產(chǎn)生的過(guò)程數(shù)據(jù)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期為1年。

對(duì)于過(guò)程數(shù)據(jù)，在總調(diào)中心和數(shù)據(jù)備份中心都配置有實(shí)時(shí)監(jiān)控與通訊接口服務(wù)器，實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)保存到服務(wù)器上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.1.2 特征數(shù)據(jù)兩級(jí)存儲(chǔ)

特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用兩級(jí)分層存儲(chǔ)機(jī)制，特征數(shù)據(jù)庫(kù)分別位于總調(diào)中心及區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站、現(xiàn)地站。這種存儲(chǔ)機(jī)制既可保證數(shù)據(jù)安全，又便于用戶的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。

總調(diào)中心及數(shù)據(jù)備份中心存儲(chǔ)所有泵（閘、閥）站產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站存儲(chǔ)所轄所有現(xiàn)地站產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)到區(qū)域應(yīng)急工作站。現(xiàn)地站（配置了工控機(jī)的現(xiàn)地站）存儲(chǔ)本站產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)到工控機(jī)。特征數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小，存儲(chǔ)周期為5年。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)分層配置

在總調(diào)中心設(shè)置兩臺(tái)安裝有ORCAL數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器，在數(shù)據(jù)備份中心設(shè)有一臺(tái)安裝ORCAL數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器，正常情況下，監(jiān)控服務(wù)分別向總調(diào)中心和數(shù)據(jù)備份中心的一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上進(jìn)行存儲(chǔ)特征數(shù)據(jù)，總調(diào)中心的兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間具有同步功能。工程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分層配置如圖3。

圖3 工程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分層配置

在區(qū)域應(yīng)急調(diào)度站上，設(shè)有兩臺(tái)應(yīng)急工作站，均部署MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。正常情況下，主控機(jī)的監(jiān)控服務(wù)向本機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存特征數(shù)據(jù)，當(dāng)主控機(jī)的監(jiān)控服務(wù)出現(xiàn)異常時(shí)，備用機(jī)向本機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)特征數(shù)據(jù)；主、備機(jī)之間MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)具有數(shù)據(jù)同步功能，以保證主、備機(jī)數(shù)據(jù)一致性。

在現(xiàn)地泵站設(shè)有兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在主控機(jī)上部署SERVER歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；正常情況下，主控機(jī)的監(jiān)控服務(wù)向數(shù)據(jù)庫(kù)中保存特征數(shù)據(jù)，當(dāng)主控機(jī)的監(jiān)控服務(wù)出現(xiàn)異常時(shí)，備用機(jī)向數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)特征數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

河北省南水北調(diào)配套工程所獨(dú)有的多引水點(diǎn)、多供水目標(biāo)、無(wú)中間調(diào)蓄的樹(shù)枝狀配水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給工程監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度控制提出了更新、更高的要求，通過(guò)多方工程調(diào)研和理論研究，提出了多種比選方案并優(yōu)化論證，最終構(gòu)造了一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用、安全、可靠的配套工程監(jiān)控系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上適應(yīng)了監(jiān)控層次的設(shè)置需求，在調(diào)度模型上滿足了監(jiān)控功能的應(yīng)用需求，在存儲(chǔ)機(jī)制上保證了數(shù)據(jù)調(diào)用的安全需求。

這進(jìn)一步說(shuō)明：一個(gè)工程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)首先進(jìn)行受控對(duì)象的功能需求分析，其次選定一個(gè)適合主體工程層次要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再次針對(duì)工程特點(diǎn)建立調(diào)度控制模型和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制，并反復(fù)進(jìn)行過(guò)程調(diào)優(yōu)和自適應(yīng)性檢驗(yàn)，最終完成工程監(jiān)控系統(tǒng)的整體性設(shè)計(jì)。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2014.

［2］合肥三立自動(dòng)化工程有限公司.河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程自動(dòng)化系統(tǒng)工程監(jiān)控系統(tǒng)集成標(biāo)第二次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)匯報(bào)材料［R］.2015.

［3］DL/T5065—2009，水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］NB/T35004—2013，中華人民共和國(guó)國(guó)家能源局［S］.

［5］DL/T 5003—2005，電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］GB/T 17176—1997，信息技術(shù)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)［S］.