中心涌泵闸站集群调度系统建设方案研究

摘要：水利信息化技术是水利行业现代化发展的必要手段，也是水利现代化发展的基础设施。本文系结合挂影洲围中心涌水环境综合整治示范工程，对包括新旧闸站的中心涌泵闸站集群调度控制系统对建设方案进行了比对分析，依据“经济实用、安全可靠、技术先进”的原则选择了具体的实施方案。通过实施科学的调度和统一的管理，加强对流域范围内的水害防治和水资源管理力度，实现引水活源、降低泵闸站运行成本、提高水利工程运行调度管理水平。

关键词：水环境；综合整治；泵闸站；集群调度系统

引言

随着信息科技在水利建设各个工程里的普及应用，人们逐渐认识到信息技术潜在的利用价值。如今，水利信息化已经成为支撑及确保水利改革发展的关键，推动水利信息化发展已经成为一项关乎水利发展全局的战略性任务之一。水利信息化，是指在水利全行业普遍应用现代通信、计算机网络等先进的信息技术，充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，实现水利信息采集、传输、存储、处理和服务的网络化与智能化，全面提升水利事业活动的效率和效能[1]。水利信息化起步于20世纪70年代，當时主要是围绕水情信息汇总、处理展开的。从1979～1980年开始，水文信息化开始一些信息源的处理。20世纪90年代前后，水利信息化逐步向以微机和网络为平台转型。2001年水利部党组确立了“以水利信息化带动水利现代化”的发展思路，同年召开的全国水利信息化工作座谈会将水利信息化建设定名为“金水工程”，2001年是水利信息化建设标志性的一年。到2003年《全国水利信息化规划》正式出台，标志着全国水利信息化的全面展开。目前在防汛抗旱、水文系统、水土保持监测系统、水资源调度等方面取得了一定的成绩[2]。

泵闸站信息化是水利信息化的综合体现，而泵闸站调度系统的建设正是我国大力推进水利信息化的重要组成部分[3]。泵闸站信息化建设的目标是：运用先进的数据采集、传输和处理手段，初步建立一个覆盖整个泵闸站群及相关地区，以信息采集系统为基础、通信传输系统为保障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心的，能够提高泵闸站管理水平、促进泵闸站技术优化和提高用水效率的水利关系信息系统，为泵闸站群水资源的优化配置和合理利用提供调度运行决策支持。目前，针对单一泵闸站的“单泵闸控制”调度系统效率低下，已经不能满足科学管理的要求。为了更好的发挥水闸泵站管理效率，提升水闸泵站的现代化管理水平，需要结合相关的优化调度模型与自动化控制调度系统建立一个集自动化和智能化控制于一体的集群调度管理控制系统[4]。本文结合实际工程案例，探讨泵闸站集群调度系统建设方案。

1 泵闸站集群调度系统构成

1.1系统构成

本文所述泵闸站集群调度系统的工程范围为挂影洲围中心涌水流域。根据工程要求，中心涌泵闸站集群调度系统包括一个调度中心与一个调度分中心。调度中心下辖10座水闸，其中2座为新建、8座为已建旧闸；调度分中心下辖7座新建水闸和1座新建泵站。中心与分中心网络互联，中心为分中心的上级调度机构。本泵闸站集群调度系统的主要任务是：以流域管辖范围内的已建或拟建泵闸站为监控对象，以调度中心为主中心、调度分中心为副中心，建成一套“经济实用，安全可靠，技术先进，易于维护，扩展性强”的水利泵、闸站群联合调度系统。实现流域内以引水活源为目的、泵闸站运行控制集群化、管理信息化、日常维护专业化的目标，并实现水利工程动态工情的网络化。最终提高水利工程运行的科学性、安全性和可靠性；提高水利工程的管理效率和管理水平，适应某区域水利现代化和城市化的整体要求。

调度中心及调度分中心的系统分别由管理服务器、计算机监控工作站、图像监视工作站、存储设备、以太网、UPS等设备组成。调度分中心通过光纤与调度中心连接，调度中心只对调度分中心控制范围内的泵闸站进行数据采集及监视。调度（分）中心与远程泵、闸站现地控制单元采用光缆连接。调度（分）中心将采集到的各泵、闸站的信息加以处理、储存、显示，以此实时了解各泵闸站的运行工况、水位、图像等情况，并作为对各泵闸站进行科学管理、合理调度的依据。

1.2网络结构

本集群调度系统的计算机监控系统的总体结构基于以太网的结构，采用24口以太网交换机，形成1000M自适应的星型以太网。传输协议为TCP/IP，开放性好，可根据需要随时扩展。以太网的传输速度为10/100M自适应，并行采集数据，保证数据的实时性和可靠性。监控结构为远程调度和现地两层。

计算机监控系统的应用服务器采用双机冗余配置，保证系统的正常运行。操作员工作站也是双机配置，且为了便于观察和了解多处情况，每个操作员工作站上连接两台液晶显示器。利用一台打印机作为各种报表、画面、图形和文字的输出设备。一套GPS设备提供计算机设备的同步时钟。UPS设备为监控系统提供可靠的备用电源。整个中心的软硬件设备配置满足安全可靠性、技术先进性，易维护性的要求。系统还可以通过网络光缆与流域最高管理机构总调度中心进行信息交换（留出接口）。

2 实施方案研究

本工程为新旧闸站组成的调度群，情况较为复杂。设计阶段，除新建水闸、泵站外，还要对已建水闸的技术现状进行分析、研究，重点是研究其为接入本群控系统而进行的现地监控设备改造的适应性。

旧闸的情形有两种：一种是独立的水闸，另一种是附属于泵站的自排闸门。前者解决方案是：只需要改造闸门行程开关、增加闸门开度装置和闸前后水位计，同时对闸门控制箱进行PLC化改造，所有前端信号接入现地层控制箱PLC、再通过光缆上传至调度层。

但附属于泵站的自排闸门，情形则要复杂得多。现状是：泵站建设的年限已久，上下位机系统均已老化、且无网络通讯功能和远程调度功能，现有 LCU既接收来自泵组的信号、又接收来自水闸的信号。解决方案是：自排闸门接入调度层的方式采用：通过对现有泵站上下位机软件进行升级改造、更换通讯元件，增加网络交换机，最终闸门信号通过泵站总网络出口接入调度层。

由于工程施工后期才明确调度分中心、内河涌的七座水闸的管理归属于另一个政府部门，为便于日后两部门清晰管理界限，避免相互干扰，最后采取变更调度分中心地点来实现这一目的。实施前对两个可供选择的方案进行了详细的技术经济比较。

2.1 建设方案一

保持原设在调水动力泵站的调度分中心不变，1#～7#节制闸的数据汇集点仍在调水动力泵站、调度功能不变。新建一个调度分中心的副中心，设在1#节制闸处，具有对1#～7#节制闸的调度功能、但必须得到主调度分中心（调水动力泵站）的授权。方案一网络拓扑图如图1所示。

方案一的核心是保留调水动力泵站处调度分中心原有的后台全部设备，在1#节制闸副调度中心处增加：操作员系统工作站、图像工作站、语音系统工作站、打印机以及存储设备；在人机界面上达到与分中心一致，并由调度分中心管理授权和软件授权，调用调度分中心与1#～7#节制闸相关的全部有效数据。

网络方面，此方案不需要新增光缆和设备，前期一次性投资只有少量的工程费和耗材。但在调水动力泵站和1#节制闸之间的网络链路，需要将原30M带宽提升至200M，以保证大量数据的快速传输。

2.2建设方案二

方案二取消原调水动力泵站处SQL数据库服务器、视频存储服务器、前置服务器。在1#节制闸处新建一个调度分中心，新调度中心需要增加网络机柜、交换机、SQL数据库服务器、前置服务器、视频服务器、语音系统服务器，用于1#～7#节制闸的数据采集、系统控制、视频监控及语音广播，1#～7#节制闸的数据汇集点改到1#节制闸处。方案二网络拓扑图如图2所示。

具体措施是取消调水动力泵站处对1#～7#节制闸的调度功能。将原调水动力泵站处的调度分中心的后台服务器等设备全部移到1#节制闸处新建的调度分中心；调水动力泵站按常规泵站另配两套操作员工作站和一套视频工作站以及其它相关附属设备。

网络方面，将原调度分中心的设备移至1#节制闸处，将原调度中心指向调水动力泵站的200M带宽链路改向1#节制闸、将原调度分中心移动设备迁移至新调度分中心处，移动方面只做数据上处理无需另加设备；已建调水动力泵站与1#节制闸之间的链路保持30M带宽不变，用于采集泵站所需1#～7#节制闸的水位数据、闸门状态信号以及向总中心传输泵站数据的功能。泵站所有数据经由1#节制闸处的调度分中心上传至总中心。

同时在1#节制闸、新调度分中心处多增加一条至外围基站的光缆，移动需另外增加光电转换器、交换机、VPN设备作为双路由备份，以确保1#节制闸作为调度分中心汇聚功能点的稳定性和可靠性。

2.3两个方案的技术经济比较

（1）两个方案的技术比较

方案一的优点是：原调水动力泵站和调度分中心设备无变化，系统软件调试无工作量增加。网络方面不改变原有拓扑结构，前期不需要新增光缆和设备；缺点是：副调度分中心对1#～7#节制闸的运行管理和数据采集，副调度中心数据实际还是需要原调水动力泵站SQL数据库服务器数据以及前置服务器读取数据，副调度中心视频监控系统同样需要读取原调水动力泵站视频服务器存储数据，两管理单位并未从数据采集、存储以及组态上完全分离，一旦原调度分中心光纤故障或者任何一台服务器出现故障，副中心对应的系统会全面瘫痪。因此副调度中心的数据采集、控制、视频监控等系统都受到原调水动力泵站系统的牵制，造成副调度中心无法独立正常运行，失去建设意义。

方案二的优点是：1#节制闸处新建的调度分中心，直接对1#～7#节制闸进行运行管理和数据采集，调水动力泵站和1#～7#节制闸系统从逻辑上完全分离，调水动力泵站数据采集、存储、控制、视频监控独立、便于运行和管理；新调度分中心只是通过SQL数据库同步的方式将相关状态及水位信息回传至调水动力泵站；实质上新调度分中心和调水动力泵站之间无权限约束，达到独立運行，保证了两套系统的安全可靠、稳定，提高了运行人员的管理效率；系统采用分层分布式结构，局部的故障不影响整个系统的可靠运行，上一层的故障不影响下一层控制、调节和安全操作，即调度层及其通讯通道故障时，不影响新调度分中心层和调水动力泵站层的功能，而新调度分中心层故障，不影响控制单元层的功能。控制层故障，不影响控制层的功能。

方案一中两套系统并未完全独立，方案二中两套系统采用底层数据采集单元层分开的方式完全独立，从系统技术层面中的安全性、稳定性、控制先进性等方面上都明显优于方案一。

（2）两个方案的经济比较

建设方案调整引起系统的设备变化：方案一，在调水动力泵站处没有设备变化，而在1#节制闸副中心处有设备增加。方案二，在原调水动力泵站处的后台设备全部移至1#节制闸，调水动力泵站按常规泵站另配两套操作员工作站和一套视频工作站以及其它相关附属设备。

建设方案调整引起的网络费用增加：方案一，不需要新增光缆和设备，施工期一次性投资只有少量的工程费和耗材。但调水动力泵站和1#节制闸之间的网络链路，需要由原设计的30M带宽提升至200M，提升后运营期每月将增加租用费。方案二，由于需要改变原有拓扑结构，施工期需新增设备：1#节制闸新增一条光缆、中兴PTN6110设备1台，下挂2台和记奥普泰小型化PTN，各种线缆若干，用于设备之间的互连。虽有施工期的网络设备增加，但运营期每月光纤租用费无变化。

经核算，方案一系统增加的设备投资与后期的网络租用费方面高于方案二。

3 结 语

经以上对两个建设方案进行技术和经济比较后可见：虽两方案各有优缺点，但方案二更能满足两个部门分界管理的实际需求，且总体投资增加稍低，运营期的光缆租用费用未增加。因此最终采用建设方案二。此系统建成后，调度中心数据库的数据还可通过预留的接口与市三防指挥中心的综合信息平台的互联和数据共享，为流域内各站点的优化调度，以及合理引水活源、改善水环境的综合调度提供科学依据。

闸站集群调度系统是一个复杂的、综合性的信息管理平台，作为水务系统数字化管理的核心部分、同时也是衡量水务信息化管理水平的标准之一。闸站集群调度系统的建设应综合考虑成本、技术要素进行综合比较，确保系统建设的合理性、经济性与适用性。

参考文献

[1]欧正蜂，傅属燕，杨岱庚，袁坤，王之博.我国水利信息化建设现状与发展[J].中国水运，2013，13（10）：78-80.

[2]许航. 关于我国水利信息化建设现状及发展趋势的思考[J].内蒙古科技与经济，2008，13：101-102.

[3]丁伟，李彬.圩区泵闸群自动化调度控制策略研究[J].水利信息化，2017，2：12-15.

[4]吴松.水闸泵站智能化群控系统理念的研究及运用[J].中国水运，2009，9（9）：149-151.

作者简介：罗征宇（1967年生～），大学本科学历，工作单位：广东省科技基础条件平台中心，从事信息化项目与工程的咨询规划测评服务和监理工作。

（作者单位：广东省科技基础条件平台中心）