河北省南水北调配套工程监控系统设计特点

杨铁树，张同生

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250；2.河北省辛集市水务局渠道管理处，河北 辛集052360）

1 工程概况

河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程总长度2069km，工程受水区包括石家庄、邯郸、邢台、保定、廊坊、沧州、衡水7个省辖市、92个县（市）和华北油田等多个重要工业区。配套工程主要作用是补充沿线城市生活用水，兼顾部分工业、农业和生态环境用水，是上述地区社会、经济、生活、环境等长期稳定、健康发展的重要保障，也是南水北调中线工程效益正常发挥的关键环节之一。

河北省南水北调配套工程监控系统包括：1个总调中心（河北水务集团）、11个干渠管理处（4个干渠管理处、7个设区市管理处）、10个区域应急调度站（其中有5个与管理处合并）及183个现地站（管理站）。

2 工程监控系统结构设计特点

工程监控系统结构设计以满足全线统一调度、区域应急调度为核心，以实现远程集中监控、现地闭环自控为重点，以达到安全输水、优化配水、精确调水为目标，结合工程条件、机构设置和管理要求，提出了本工程所特有的“3+1”层应用架构，“1+1”型双网架构（即控制专网+业务内网），构造出“先进、实用、安全、可靠”的工程监控系统。

2.1 “3+1”层应用结构

3+1层应用结构是在常规调水工程监控系统3层架构（即总调中心层、管理处层、现地监控层）的基础上，增设了区域应急调度层，构成了“总调中心层、管理处层、区域应急调度层和现地监控层”的3+1层应用结构。该应用结构不仅解决了总调中心采用“统一调度、集中布署”所带来的安全性隐患，而且弥补了管理处层仅设置监测功能所带来的功能性缺失。工程监控系统“3+1”层应用结构如图1。

图1 工程监控系统“3+1”层应用结构

2.1.1 总调中心层

由设于河北水务集团的总调中心和设于保沧干渠管理处的数据备份中心组成，主要实现整个工程监控系统的统一调度和远程监控。

2.1.2 管理处层

在4个跨市干渠管理处和7个设区市管理处的监测分中心各设置远程终端站，以实现对所属区域内各现地站的监测和管理功能，不具备控制和系统管理功能。

2.1.3 区域应急调度层

当总调中心故障退出时，为了提高整个配套工程的供水保证率，增设区域应急调度功能，在10个信息汇集中心（即4条干渠管理处、邯郸市管理处、正定管理所、保定末端现地站、黑沙村隧洞进口阀站、傅家庄管理所、泊头市管理所）建立区域应急调度站。

2.1.4 现地监控层

在183个现地站（包括42个泵站、34个闸站、93个阀站、2个调压井站和12个纯管理站）配置了工控机、监控软件、PLC、触摸屏、现场数据采集设备、控制执行机构（装置）、数据通信等设备，是工程监控系统最基层的控制单元。

2.2 “1+1”型双网结构

针对“3+1”层应用结构对其网络通信所承载信息量的实时性和安全性要求不同，在总调中心层、区域应急调度层和现地监控层间建立控制专网，以提高调度指令下达和数据信息上传的安全性；在总调中心层和管理处层借用业务内网信息通道实现其间的监测信息交换，不仅节省了专网建设费用，而且充分利用了业务内网传输流量大的特点。这样需要在控制专网与业务内网间建立信息交互通道，两网间设置网闸以保障其数据交互的安全性。工程监控系统“1+1”型双网结构如图2。

图2 工程监控系统“1+1”型双网结构图

“1+1”型双网结构具备扁平化特性，在具备权限的前提下，网络上的所有节点都可以相互访问，总调中心可以直接访问到各现地站，可以直接将控制指令下达到各现地站；各现地站可以直接上传数据信息到总调中心。

3 工程监控系统调度控制策略

3.1 调度控制策略

河北省南水北调配套工程引水点为南水北调中线总干渠的32个分水口，用水户为分布于7个设区市的138个供水目标，工程监控系统的调度控制策略就是要解析这个以32个分水口为输入变量、138个供水目标为输出变量的多元函数，其最优解就是实现每条输水管线的水量供需调度平衡及整个配套工程供水目标的动态控制平衡。采用“统一调度”和“集中控制”是实现这一目标的最佳方法。

（1）正常调度控制方式采用总调中心远程集中调度，各现地站按照总调中心统一下发的调度指令对其泵组（闸门、阀门）进行远程控制，实现河北省配套工程各输水管线的分支流量调节及整个配套工程总量平衡调节，保证138个供水目标所需用水量和32个分水口供应来水量及其二者供需总量平衡。总调中心具备调度控制权限和权限管理功能，各现地站具有控制权限。

（2）非常调度控制方式增设了区域应急调度站，当总调中心事故退出时，启用区域应急调度站进行区域集中调度，各现地站按照应急调度指令对所属泵组（闸门、阀门）进行区域应急控制，并发出告警信息。

3.2 调度控制模型

根据调度控制策略采用3种调度控制模式对各现地站的泵组（闸门、阀门）进行控制。各控制层的调度控制模型配置如表1。

表1 各控制层的调度控制模型及功能分布

3.2.1 总调中心集中调度监控模式

由总调中心的水量调度系统向工程监控系统发出调度控制指令，经当班调度人员确认，下发至各现地站，并分解为各泵组（闸门、阀门）可执行的控制信号，以完成各现地站控制参数（如流量、压力、水位等）的远程调度监控。这是正常情况下的基本控制模式。

3.2.2 现地站自我闭环控制模式

各现地站根据总调中心水量调度系统下达的供水计划或目标任务进行自适应调节控制。现地站也可通过人工输入控制目标，由PLC控制系统自动完成并保持当前控制目标，直至控制目标的再次改变。这种控制模式也是基本的控制模式。

3.2.3 区域应急调度监测模式

在总调中心非正常情况下，通过10个区域应急调度站对其所属区域内的泵组（闸门、阀门）下达调度计划和分解任务，此时现地站采取现地模式进行控制。

3.3 调度控制功能分布

各控制层调度控制模型的布设主要表现于不同功能的分布。各控制层的功能分布如表1。

（1）总调中心和区域应急调度站具有调度功能。上级控制层以行政命令或调度指令方式向各现地站下达供水目标值，各现地站将现场供水信息及运行工况上传上级控制层。总调中心还具有操作配置和安全管理功能。

（2）总调中心和现地站具有控制功能。通过监控服务自动下发各现地站的实时操作控制命令，自动上传执行结果，并通过对执行结果的再次判断，实时修正控制指令，以闭环控制方式达到供水目标的自动调控。

（3）各控制层均具有监测功能。通过监控服务实时采集现场PLC的数据，在各监控层平台界面上实时显示。

4 工程监控系统存储机制

4.1 数据分级存储

4.1.1 过程数据一级存储

过程数据存储采用一级分层存储机制。总调中心、数据备份中心及区域应急调度站存储所有泵（闸、阀）产生的过程数据到实时数据库服务器。过程数据存储周期为1年。

对于过程数据，在总调中心和数据备份中心都配置有实时监控与通讯接口服务器，实时采集到的数据自动实时保存到服务器上的实时数据库中。

4.1.2 特征数据两级存储

特征数据存储采用两级分层存储机制，特征数据库分别位于总调中心及区域应急调度站、现地站。这种存储机制既可保证数据安全，又便于用户的查询、统计和分析。

总调中心及数据备份中心存储所有泵（闸、阀）站产生的特征数据到历史数据库服务器。区域应急调度站存储所辖所有现地站产生的特征数据到区域应急工作站。现地站（配置了工控机的现地站）存储本站产生的特征数据到工控机。特征数据的数据量较小，存储周期为5年。

4.2 数据库分层配置

在总调中心设置两台安装有ORCAL数据库的服务器，在数据备份中心设有一台安装ORCAL数据库的服务器，正常情况下，监控服务分别向总调中心和数据备份中心的一台数据库服务器上进行存储特征数据，总调中心的两台数据库服务器之间具有同步功能。工程监控系统数据库分层配置如图3。

图3 工程监控系统数据库分层配置

在区域应急调度站上，设有两台应急工作站，均部署MySQL数据库。正常情况下，主控机的监控服务向本机数据库中保存特征数据，当主控机的监控服务出现异常时，备用机向本机数据库中存储特征数据；主、备机之间MySQL数据库具有数据同步功能，以保证主、备机数据一致性。

在现地泵站设有两台监控计算机，在主控机上部署SERVER历史数据库；正常情况下，主控机的监控服务向数据库中保存特征数据，当主控机的监控服务出现异常时，备用机向数据库中存储特征数据。

5 结语

河北省南水北调配套工程所独有的多引水点、多供水目标、无中间调蓄的树枝状配水网络系统，给工程监控系统的调度控制提出了更新、更高的要求，通过多方工程调研和理论研究，提出了多种比选方案并优化论证，最终构造了一个先进、实用、安全、可靠的配套工程监控系统。在结构设计上适应了监控层次的设置需求，在调度模型上满足了监控功能的应用需求，在存储机制上保证了数据调用的安全需求。

这进一步说明：一个工程监控系统的设计应首先进行受控对象的功能需求分析，其次选定一个适合主体工程层次要求的结构设计，再次针对工程特点建立调度控制模型和数据存储机制，并反复进行过程调优和自适应性检验，最终完成工程监控系统的整体性设计。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程自动化系统初步设计报告［R］.2014.

［2］合肥三立自动化工程有限公司.河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程自动化系统工程监控系统集成标第二次设计联络会汇报材料［R］.2015.

［3］DL/T5065—2009，水力发电厂计算机监控系统设计技术规范［S］.

［4］NB/T35004—2013，中华人民共和国国家能源局［S］.

［5］DL/T 5003—2005，电力系统调度自动化设计技术规范［S］.

［6］GB/T 17176—1997，信息技术开放系统互联应用层结构［S］.