山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)

袁 東 ，徐永兵 ，閆士秋 ，張文博

（1. 山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250014；2. 山東省調(diào)水工程運行維護中心，山東 濟南 250014；3. 山東省水文局，山東 濟南 250014）

0 引言

為了緩解山東省濰坊、威海、青島、煙臺等市的供水緊缺，山東省委省政府緊急啟動了黃水東調(diào)工程，黃水東調(diào)即在東營市引黃河水向東調(diào)入濰坊、威海、青島、煙臺等市，包括應(yīng)急一期和二期工程。該工程對緩解四市水資源供需矛盾，優(yōu)化山東半島地區(qū)水資源配置，保障其經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。應(yīng)急一期和二期工程從黃河年調(diào)引水量為 4.52億 m3，年供水量為 3.15億 m3。工程利用原有麻灣引黃泵站，同時新建曹店引黃、曹店入沉沙池、麻灣入沉沙池、入廣南水庫、一期加壓、二期加壓等泵站。工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為 I 等。

工程為長距離調(diào)水工程，主要利用干渠、管道、閘站、泵站、水庫、閥站實現(xiàn)調(diào)水。調(diào)度覆蓋單體建筑物較多，其中一期泵站6座、水庫1座、明渠7座節(jié)制閘、管道沿線2座閘站、37 座閥站；二期泵站1座，管道沿線1座閘站、40 座閥站。調(diào)水需要調(diào)度的單體建筑物較多，工況復(fù)雜，調(diào)度運行管理系統(tǒng)的建設(shè)是十分必要的。

1 需求分析

1.1 功能分析

根據(jù)工程調(diào)度特點，結(jié)合業(yè)務(wù)流程，功能需求為整體水量統(tǒng)一調(diào)度，全工程調(diào)水聯(lián)動自動控制，保障調(diào)水，快速響應(yīng)特殊事件，支撐調(diào)度會商決策與工程運行安全。

1.2 信息采集需求分析

包括沿線干渠、水庫、管道的水情信息，以及泵站、閥站、閘站運行信息和視頻采集。其中，泵（閘）站、閥站運行信息采集系統(tǒng)的功能是對泵站運行狀態(tài)信息進行采集傳輸和處理。運行狀態(tài)信息包括泵站上下游水位、機組啟閉開度和抽水量、閘門開高和過閘流量、輔助系統(tǒng)設(shè)備和變電所設(shè)備、閥站閘閥的控制運行狀態(tài)信息等，從而實現(xiàn)對泵、閘、閥運行狀態(tài)的監(jiān)控，保證水泵機組、水閘正常運行。根據(jù)黃水東調(diào)應(yīng)急工程建設(shè)分工，泵站、閥站運行信息采集前端設(shè)備（包括 PLC、水位計、流量計、閘位計等）由計算機監(jiān)控工程建設(shè)完成。由于泵站、閘閥站運行信息采集系統(tǒng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)密切相關(guān)，因此泵站運行信息采集納入計算機監(jiān)控系統(tǒng)中進行統(tǒng)一設(shè)計。

視頻信息采集是對泵站、閥站工程各設(shè)備的運行狀態(tài)、管理區(qū)安全狀況、上下游水面狀況進行實時監(jiān)視的系統(tǒng)。根據(jù)黃水東調(diào)應(yīng)急工程建設(shè)分工，視頻前端設(shè)備（包括攝像頭、編解碼器、現(xiàn)地存儲設(shè)備等）由視頻監(jiān)視工程建設(shè)完成。

1.3 數(shù)據(jù)需求分析

根據(jù)對通信自動化系統(tǒng)的功能分析，數(shù)據(jù)需求包括水量調(diào)度、計算機監(jiān)控、水情、視頻監(jiān)視等數(shù)據(jù)。

1.3.1 水量調(diào)度數(shù)據(jù)需求

根據(jù)水量調(diào)度功能分析，水量調(diào)度主要完成水量調(diào)度計劃制定、執(zhí)行監(jiān)控和應(yīng)急及結(jié)果分析反饋等功能，包括水量調(diào)度計劃制定、實時水量調(diào)度、水量統(tǒng)計和水費計算等數(shù)據(jù)需求。

1.3.2 計算機監(jiān)控數(shù)據(jù)需求

輸水沿線參與控制的有7座泵站、1 座水庫、10 座閘站和77座閥站。每個站點采集的信息內(nèi)容和具體要求如下：泵站運行狀態(tài)、閘站水位、閘門啟閉狀態(tài)、開度、荷重、關(guān)鍵點位流量，閥站電動蝶閥狀態(tài)、電流、電壓、PLC 各種數(shù)據(jù)和故障等信息。

具體需要實現(xiàn)以下要求：1）實時完成泵站、閘站、閥站運行和控制信息采集，采集時間控制在秒級；2）實時采集、匯集、處理、存儲泵站、閘站、閥站運行相關(guān)數(shù)據(jù)；3）有可靠的安全機制，保證對閘門（泵機）、閥門控制的安全；4）有靈活的訪問機制、接口及完善的數(shù)據(jù)流程，同時具備上聯(lián)能力。

1.3.3 水情監(jiān)測數(shù)據(jù)需求

水情監(jiān)測數(shù)據(jù)需求主要包括干渠、泵站出口、重要交水斷面水量和輸水干線周邊水文等信息。

1.3.4 工程管理數(shù)據(jù)需求

主要包括2種數(shù)據(jù)需求：1）工程維護數(shù)據(jù)需求，包括工程人工巡查信息。2）工程防洪數(shù)據(jù)需求，主要包括干渠凌情、交叉河流水文氣象、閘站水位流量、流域和市縣的洪水預(yù)報、交叉河流上相關(guān)的工程險情等信息。

1.3.5 視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)需求

輸水渠上參與生產(chǎn)運行的閘站、閥站、水庫、泵站和其它控制站作為采集站點，每個站點采集的信息內(nèi)容和具體要求為：視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)能實時完成閘閥（泵）站視頻信息采集，實時采集閘閥（泵）站的圖像，有健全的控制機制，協(xié)調(diào)對閘閥門（泵機）和攝像頭的控制，實時采集所需視頻信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體框架

以需求分析為基礎(chǔ)，本著避免重復(fù)建設(shè)的原則，根據(jù)總體功能，綜合考慮與膠東調(diào)水工程聯(lián)合調(diào)度需要，采用先進、科學(xué)的信息與管理技術(shù)[1-2]，形成山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)的總體框架。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.2 工程管理綜合信息系統(tǒng)

工程管理綜合信息系統(tǒng)采用 SOA 架構(gòu)，包括應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺。應(yīng)用系統(tǒng)為調(diào)水提供各種應(yīng)用服務(wù)，支撐日常的運行維護，提高了管理效率和質(zhì)量，包含工程運行維護、OA、水量調(diào)度和工程檔案管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)是整個調(diào)度運行管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺，所有數(shù)據(jù)在這里集中和處理，為各個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)資源，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心，為各個系統(tǒng)的計算和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。應(yīng)用支撐平臺為各個系統(tǒng)提供統(tǒng)一的跨系統(tǒng)支撐，最主要包括中間件等，是各個系統(tǒng)的底層支撐，各系統(tǒng)通過應(yīng)用支撐平臺進行數(shù)據(jù)、消息等的傳遞，保障了各個系統(tǒng)之間的互聯(lián)和互通，實現(xiàn)了邏輯的大統(tǒng)一，形成了標準化的資源。

2.3 信息采集

黃水東調(diào)工程的信息采集是整個調(diào)度運行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)[3]，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運用物聯(lián)網(wǎng)控制與智能運維一體化系統(tǒng)，完成各系統(tǒng)信息的采集、傳送、整理、分析和管理。采集來源分為自動、人工及與外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。自動采集主要包括工程運行、水情、工程安全和視頻等信息[4]，所有的終端都進入物聯(lián)網(wǎng)控制與智能運維一體化系統(tǒng)，有效控制了信息采集的效果與功能穩(wěn)定。

2.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)對沿線的閘、閥和泵站進行實時自動監(jiān)控，實現(xiàn)調(diào)水自動化[5]。本系統(tǒng)由遠程和現(xiàn)地站監(jiān)控系統(tǒng)組成，是自動化調(diào)水和保證調(diào)水工程安全運行的核心，采用國產(chǎn)主流計算機監(jiān)控軟件，保障調(diào)水運行核心系統(tǒng)自主可控，建設(shè)實時庫和歷史庫，創(chuàng)新地采用排程控制系統(tǒng)，把調(diào)水命令通過模型自動計算后直接下達到每個泵站，安排每臺泵的變頻控制，從而達到精細化控制的目的，大大節(jié)約了能源，實現(xiàn)了調(diào)度的真正自動化。計算機監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

利用視頻監(jiān)視、視頻傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)建設(shè)覆蓋各級機構(gòu)的實時圖像監(jiān)視和安防監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時掌握現(xiàn)地閘和泵站的環(huán)境、輸水、水泵、閥站運行情況，從而到達科學(xué)調(diào)度、精確計量的目的。

圖1 山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)總體框圖

圖2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

黃水東調(diào)應(yīng)急工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計充分考慮相關(guān)部門的使用要求，按照多級中心管理架構(gòu)建設(shè)，實現(xiàn)集散式控制要求，分為二級架構(gòu)，由總調(diào)度中心、泵站及閘站視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。

第一級為沿線閘閥站、泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)。負責(zé)閘站現(xiàn)地的實時監(jiān)視，設(shè)存儲及監(jiān)控設(shè)備，能就地觀看，經(jīng)視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至管理視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換機。

第二級為總調(diào)度中心。主要完成對各泵站視頻信息的分類處理與備份，對輸水沿線的各泵站、重要閘站、閥站關(guān)鍵位置進行視頻監(jiān)視和遠程監(jiān)控。

二級之間通過設(shè)在綜合管理平臺控制視頻控制權(quán)限和圖像瀏覽。視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓撲如圖3所示。

2.6 計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是信息采集、應(yīng)用、泵站和閥站監(jiān)控、數(shù)據(jù)資源及管理和應(yīng)用支撐平臺等系統(tǒng)的信息承載平臺，是系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_。根據(jù)傳輸信息的重要性，承載信息的分析，網(wǎng)絡(luò)流量、流向分析和安全需求不同，本工程網(wǎng)絡(luò)分為業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)、控制專網(wǎng)。為了保障網(wǎng)絡(luò)同步運行與安全，建設(shè)時間同步和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)。2個網(wǎng)間采用網(wǎng)閘，通過數(shù)據(jù)庫進行交換數(shù)據(jù)，保障了數(shù)據(jù)的實時性與安全性。網(wǎng)絡(luò)承載各類系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖

圖4 網(wǎng)絡(luò)承載各類系統(tǒng)示意圖

控制專網(wǎng)功能是承載最高實時性和最強安全性需求的泵、閘、閥站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)功能是承載視頻、綜合辦公、各種其他應(yīng)用等。

2.7 綜合通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是整個調(diào)度運行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要由傳輸系統(tǒng)、通信光纜、時鐘同步及綜合網(wǎng)管等部分組成[6]，實施中采用基于 SDH 技術(shù)的多通道、高效率的大容量 MSTP 設(shè)備進行組網(wǎng)，組成2個相切環(huán)網(wǎng)，大大加強了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

黃水東調(diào)應(yīng)急工程通信自動化系統(tǒng)信息傳輸距離跨度大、節(jié)點多、信息量大，根據(jù)信息流量與流向，同時兼顧靈活性和擴展性，黃水東調(diào)應(yīng)急工程通信傳輸系統(tǒng)按骨干層（主干網(wǎng)絡(luò)）和接入層2層結(jié)構(gòu)組建。

1）骨干層主要由總調(diào)、泵站、管理站等節(jié)點之間組建的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雖少，但傳輸容量較大，對容量和可靠性要求較高，經(jīng)綜合比較后采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，用來完成各節(jié)點之間高效、可靠的大數(shù)據(jù)流傳輸。

2）接入層主要由骨干層下轄的現(xiàn)地閘、閥站、泵站管轄設(shè)備建筑物單體及與骨干層節(jié)點間連接（接入網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，負責(zé)本站業(yè)務(wù)的接入和匯聚及轉(zhuǎn)接區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)接入電路，需要較強的匯聚和較穩(wěn)定的接入等能力。二級網(wǎng)絡(luò)主要由工業(yè)應(yīng)用級傳輸平臺組建成環(huán)網(wǎng)，負責(zé)完成工程沿線的各個密集分布的現(xiàn)地站到業(yè)務(wù)匯聚節(jié)點信息的接入和匯聚上傳任務(wù)。

2.8 調(diào)度電話系統(tǒng)

調(diào)度電話系統(tǒng)是實現(xiàn)全線調(diào)度中心、泵站、管理站所、閘閥站統(tǒng)一語音調(diào)度和輔助行政語音通話的重要保障，分為調(diào)度和行政辦公系統(tǒng)。

本項目站點比較分散，閥站有專用光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因此采用 VOIP 技術(shù)等方式實現(xiàn)本工程語音系統(tǒng)的功能。

3 結(jié)語

山東省黃水東調(diào)工程調(diào)度運行管理系統(tǒng)為整個調(diào)水工程運行和維護打下堅實的基礎(chǔ)。系統(tǒng)基本實現(xiàn)了“無人值班，有人值守”的調(diào)水功能，所有泵站及閘閥站在調(diào)度中心實現(xiàn)了遠程監(jiān)視與控制，有效地支持了調(diào)水決策，工程運行安全得到了保障，運行提高了效率，減少所需人員，水量調(diào)度實現(xiàn)了有計劃有規(guī)范，人機交互友好，調(diào)水模型和控制互為依賴，辦公實現(xiàn)了無紙化，流程清晰[7]。集泵站群的渠道和管道結(jié)合輸水工程對調(diào)度運行管理系統(tǒng)的需求迫切，系統(tǒng)建成后效果十分明顯，對整個工程的科學(xué)決策、現(xiàn)代化管理提供助力，最終實現(xiàn)精細配水的目標，對其他綜合調(diào)水工程是非常有借鑒意義的。