河北省南水北调配套工程自动化系统设计特点

杨铁树

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

河北省南水北调配套工程自动化系统设计特点

杨铁树

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

河北省南水北调配套工程自动化系统由 12 个子系统构成，在设计中采用“专业分区与管理分层”的设计理念，并在应用支撑平台中采用集中部署方式和虚拟化技术，在数据资源管理平台中配置异地备份数据中心，在工程监控系统中增设区域应急调度站，在主干通信管网中借助总干渠备用管孔，采用微管微缆技术等先进设计方法，形成“集中调度与区域应急调度”的新型调度模式、“二级监控与三级管理”的新型管控模式，极好地适应自动化系统建设需求。

自动化系统；集中部署；虚拟化技术；区域应急调度站；微管微缆技术

1 工程概述

河北省南水北调配套工程水厂以上输水工程总长度 2 069 km，总投资约 297 亿元。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。工程作用主要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。

河北省南水北调配套工程自动化系统包括水务集团总调中心，廊涿、保沧、石津、邢清等 4 条大型输水干渠管理处和 7 个设区市境内管理处，及其输水管道工程所属沿线 183 个现地站（所）的自动化系统等建设内容。

2 自动化系统设计方案

河北南水北调配套工程自动化系统（以下简称自动化系统）是一个作业运行性强、决策支持要求高、用户众多的复杂系统。具有空间跨度大，控制节点多，工程运行管理控制复杂，自动化、集成化要求高等特点。自动化系统遵循“统一调度，分级管理”的设计原则，集中布署应用支撑平台及数据信息存储管理平台，实现管理一体化；重点建设自动化系统中的水量调度及工程监控等核心应用子系统，实现调度集中化；搭建覆盖总调中心—管理处—现地站（管理所）的分层管理体系及通信传输网络，实现管理科学化和信息网络化；统筹建设自动化系统运行实体环境，实现运行安全化，最终形成河北省多水源综合利用的供水网络体系，保障全省经济社会可持续发展。

自动化系统包括：1）应用系统（包含 7 个子系统：信息监测与管理、水量调度、工程管理、综合会商、应用交互、综合办公和三维可视化等子系统）。2）工程监控系统（包括 1 个总调中心、11 个干渠管理处、183 个现地站）。3）工程视频监视和会议系统。4）应用支撑平台（包括应用服务、应用集成、系统监控与管理等平台和公共子系统）。5）数据资源管理平台（包括综合数据库、数据库管理系统及数据存储平台）。6）计算机网络系统（包括控制专网、业务内网和业务外网）。7）通信系统（包括语音调度系统、通信传输系统、时钟同步及通信综合网管系统、通信电源系统、通信管道及通信光电缆）。8）信息采集系统。9）实体运行环境系统（包括系统硬件运行环境、业务人员工作环境、综合会商环境及管理机构相关机房环境）。10）安全体系。11）标准规范体系（包括总体标准规范、技术标准

规范、业务标准规范、管理标准规范、运营标准规范）。12）建设运行管理体系（包括组织管理体系、运维管理体系、人才培训及引进机制）等。河北南水北调配套工程自动化系统结构如图1 所示。

图1 河北南水北调配套工程自动化系统结构图

3 自动化系统设计特点

根据河北省南水北调配套工程主体管网为“树枝状”分布（有别于中线总干渠的“线状”分布）、水源取自中线总干渠多个分水口（有别于中线总干渠的水库取水）等特点，自动化系统设计遵照“统一调度，分级管理”的设计原则，采用“专业分区与管理分层”的设计理念，同时满足了自动化系统专业配置及运行管理的需求；应用支撑平台采用集中部署方式，充分满足了系统需求并节省了建设费

用；应用支撑平台采用虚拟化技术，优化了服务器配置并提高了硬件资源利用率；数据资源管理平台设置了异地备份数据中心，大大提高了数据存储的安全性；工程监控系统增设了区域应急调度站，有效提高了“一级调度，两级控制”的可靠性；主干通信管道借助总干渠备用管孔，并采用微管微缆技术实现了自动化系统主干通信管道与中线总干渠安防系统通信管道的集成建设等。

3.1 自动化系统采用“专业分区与管理分层”的设计理念

为了提高自动化系统集中调度功能及各应用系统的独立完整性，为了体现河北省配套工程三级管理的组织机构特点，自动化系统采用专业分区与管理分层的设计原则。

图2 河北南水北调配套工程自动化系统关系图

1）专业分区。自动化系统在纵向结构上分为控制区、业务区、外网区，在控制区布设控制专网，用于支撑泵站/闸阀站自动控制；在业务区布设业务内网，支撑各项业务应用；在外网区布设业务外网，提供互联网服务。控制专网与业务内网、业务内网与业务外网间通过网闸等安全设备连通，在隔离网络区域的同时，严格控制网间少量流量的信息交换。

2）管理分层。自动化系统工程管理的各级应用需求不同，在横向结构上分为 3 层：a. 河北水务集团层，布设所有水量调度、闸阀监控、工程维护管理、调度决策会商、信息监测与管理、综合办公等功能；b. 管理处层，各应用系统通过访问河北水务集团层实现；c. 现地站层，各现地站通过预留的接口和服务接入自动化系统。工程维护、信息管理、综合办公等功能通过访问前两层实现。河北南水北调配套工程自动化系统各子系统间相互关系如图2所示。

3.2 应用支撑平台采用集中部署方式

根据应用支撑平台对各应用系统的通用性及共性需求，进行提炼与抽象，搭建统一的开发与运行环境，完成跨子系统的数据及流程交互，实现各应用系统在技术层面的统一布局，在接口间的互连互通，在资源利用上的共享复用，故应用支撑平台采用集中部署方式，集中布置于水务集团总调中心。各应用系统都运行在应用支撑平台架构上，根据各应用系统业务处理的需要，对应用支撑平台请求各种服务，从而完成业务处理功能。

应用支撑平台若按照常规的分布式部署方式，需设置分层部署的多个子平台，不仅造成系统结构重叠、设备配置累赘、投资费用增加，而且影响到“统一调度、集中监控”的建设原则。

3.3 应用支撑平台采用虚拟化技术配置服务器

按传统服务器配置惯用的模式即“1 个应用占据 1 台物理服务器”，则总调中心需配置 20 余台服务器。采用虚拟化技术可让 1 台物理服务器虚拟成多个系统而让多个应用分享。随着服务器、存储、网络、应用软件等资源虚拟之后，总调中心的应用支撑平台就变成了可以动态调配的资源池，可充分和动态利用物理资源，大幅降低电力消耗和节省占地空间。

采用虚拟化技术，总调中心仅需配置 5 台高性能服务器，即可满足所有支撑平台、业务应用、综合办公等的应用需求，并利用虚拟化管理软件对服务器资源进行统一管理与分配。虚拟机可用于 Web和中间件层，实现本地不同的物理机之间动态漂移，大大提高了资源的可利用率。应用支撑平台采用虚拟化技术服务器配置如图3 所示。

3.4 数据资源管理平台设置异地备份数据中心

数据资源管理平台是自动化系统信息汇集、数据处理、存储管理和应急备份的物质基础。实现对各应用系统的海量数据集中存储和管理，包括数据库（支撑和水利专题数据库）、数据库维护管理（基础数据管理维护、元数据库管理维护、数据存储备份、数据备份）。通过数据资源的统一管理和整合，保证数据的完整性和一致性，并可降低数据管理成本。

图3 应用支撑平台采用虚拟化技术服务器配置图

异地备份是一种保证任何对资源的破坏都不至于导致数据完成不可恢复的预防措施，通过数据备份方式（整体或增量备份）、备份频率（如每年某一时间进行整个数据库体完全备份，或每周/月进行数据库体备份）、恢复措施（全盘恢复或个别文件恢复）的设定，实现数据异地备份存储，以保证数据安全及可靠性，故自动化系统除在总调中心建立数据资源管理平台之外，另在保沧干渠管理处建立 1 个异地数据备份中心。自动化系统数据资源管理平台数据存储及备份系统结构如图4所示。

3.5 工程监控系统设置区域应急调度站

根据自动化系统

“统一调度、集中部署”的建设原则，工程监控系统采用“一级调度、两级控制”的结构模式，即由具有集中调度和集中监控功能的总调中心和具有自动闭环监控功能的各现地站所构成。总调中心生成各站点的水量分配调度指令，发送至各现地站；各现地站接收其调水指令，并执行相应水量调度操作流程及信息反馈。

图4 自动化系统数据存储及备份系统结构图

为了提高工程监控系统的事故应急处理能力，当总调中心出现事故或主干通信网络异常中断，按配套工程所具有的树枝状工作区域增设了区域应急调度监测站（与现地站结合设置），实现对该区域内所属各现地站的区域应急集中调度，保证各个工作区域的协同机制，降低系统调度异常的风险影响域。工程监控系统结构如图5 所示。

图5 工程监控系统结构图

3.6 主干通信光缆借用中线总干渠备用管孔敷设微管微缆

河北省南水北调配套工程上接南水北调中线总干渠，作为其直接用水户，自然形成了以中线总干渠河北省段（邯郸于家店分水口—涿州三岔沟分水口）为供水主干网及通信主干网的布置格局，即以中线总干渠为“树干”，以配套工程各输水管线为“树枝”的树状网，故只要沿中线总干渠搭建一条主干通信光缆，即可全面连通分布于配套工程受水区的每条输水管线上的各个现地站，这样既节省了二次征地费用，又提高了光缆路由的安全保障率。

借助中线总干渠预埋的备用硅芯管，并与之新建的安防系统通信路由相结合，在备用硅芯管内敷设 3 根微管，其中 2 根微管用于中线总干渠自动化系统和安防系统，另 1 根微管内吹 1 条 48 芯微缆，24 芯用于河北配套工程自动化系统主干核心网。采用微管微缆技术并借助中线总干渠预留的备用硅芯管孔，同时满足了中线总干渠及河北配套工程自动化系统的通信光缆建设需求，是经济合理的解决方案。河北省南水北调配套工程自动化系统主干通信网沿中线总干渠敷设微管微缆方案如图6 所示。

4 结语

河北省南水北调配套工程自动化系统在方案设计及初步设计中，结合其工程特点，进行有针对性的需求分析，提出有针对性的设计理念，采用有针对性的先进技术，如自动化系统采用“专业分区与管理分层”的设计理念，解决了自动化系统设备配置及运行管理的不同需求；应用支撑平台采用了

集中部署方案，较好地适应了“统一调度、集中部署”的建设需求；数据资源管理平台增设了异地备份数据中心，有效保证了数量资源的可靠性和安全性；工程监控系统增设了区域应急调度监控站，提高了“一级调度，两级控制”模式的可靠度。通过适应性及优化性设计有效保证了自动化系统的设计质量和设计水平，这也是今后大型复杂工程自动化系统设计的必由之路。

图6 沿中线总干渠备用管孔敷设微管微缆示意图

[1] 中华人民共和国水利部. SL/Z 332-2005水利信息系统初步设计报告编制规定 [S]. 北京：中国水利水电出版社，2005: 6.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T9387信息技术开放系统互连基本参考模型[S]. 北京：中国标准出版社，2009: 3.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T17176信息技术开放系统互连应用层结构 [S]. 北京：中国标准出版社，1997: 10-11.

[4] 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]. 天津：河北省水利水电勘测设计研究院，2014: 111-140.Design Features of Automation System of South-to-North Water Transfer Auxiliary Project in Hebei Province

YANG Tieshu

(Investigation Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province, Tianjin 300250, China)

The automation system of South-to-North water transfer auxiliary project in Hebei Province consists of 12 subsystems, using the design concept of “Professional Partitioning and Hierarchical Management”. The application supporting platform adopts technology of centralized deployment and the virtualization. The data resource management platform is configured with a remote backup data center, the monitoring and control system of the project is added the regional emergency dispatching station. With the aid of the spare tube hole of the main canal and technology of microtubules and micro cable, the trunk communication network forms a new scheduling model of centralized scheduling and regional emergency scheduling, and a new type of management mode of secondary monitor and threelevel management, they perfectly adapt to the construction requirements of the automation system.

automation system; centralized deployment; virtualization technology; regional emergency dispatching station; technology of microtubules and micro cable

TV67

A

1674-9405(2015)06-0048-06

2015-11-16

杨铁树（1963- ），男，河北辛集人，教师级高工，从事水力水电工程的自动监控及信息化研究工作。