清河水库输水改造工程自动化系统设计与实现

2019-11-28李哲

海峡科技与产业 2019年7期

李哲

南瑞集团有限公司，江苏南京 210003

1 背景

辽宁清河水库输水工程以防洪、灌溉为主，兼顾城市供水、发电、养鱼和生态补水等综合利用功能[1-2]，该输水工程自清河水库取水，整个工程由取水头部、隧洞和供水管线组成，输水形式为有压重力流，属长距离、大流量的供水工程。该工程分水口众多，输水过程控制难度较大，对运行管理要求较高。

对清河水库输水工程而言，输水系统的运行管理包括闸（阀）、水位压力流量监测、控制调节、视频监控等内容，若考虑防洪灌溉、自然风光旅游开发、城市工商业供水、水库养殖等综合需求，设计难度大、外部因素不确定性强、优化设计目标复杂。目前，尽管传统人工现场控制策略仍被大量应用，但无法彻底克服调度与操作的同步性问题，无法有效地对输水过程进行控制，一定程度上延迟了管理人员的决策，且输水效率低、运行安全没有可靠保证[3]。

基于清河水库输水工程的特点，本文提出充分依靠先进的网络及通信技术，紧密结合工程运行管理方案，获取和综合分析工程实际问题，依据清河水库自动化系统的总体设计思路，深入分析各参与主体的工程化需求，提出了综合考虑多系统接口的系统架构。

2 系统总体思路

清河水库输水改造工程自动化系统有助于实现清河水库供水工程各应用系统成果的集中展示，为供水工程的各级管理人员提供相应的信息服务，实现工程的专业化综合管理支持。

2.1 设计目标

清河水库输水工程自动化系统的设计是以自动化监控和测量为手段，以安全、精确输水为目标，通过工程建设，达到以自动化带动管理的高效化、现代化，建立实用、先进、高效、安全、可靠的自动化监控系统。

2.2 设计原则

（1）“无人值班，少人值守”方案是现代工程管理的重要手段之一，其有助于提升工程运行质量，减少系统运行成本及提高办公智能化，极大地减少人员投资成本。

（2）开发自动化系统应具有标准化、模块化、可拓展性，具有优化的网络结构及优化的人机交互能力，工程运行及维护简单。

（3）自动化系统采用分布式架构，控制层与决策层采用以太网连接，兼容性与容错能力强，适用于各类型运行管理投资。

（4）良好的冗余设计思路，有助于自动化系统在局部故障事件发生时，故障范围可控制与可治理，极大提升系统运行的安全性。

2.3 系统用户设计

根据工程管理机构与机制的分析，工程自动化系统考虑众多用户对象的差异性，主要体现在不同的用户在不同的时间具有不同的角色和身份，不同角色用户对系统有不同的需求。该自动化系统不同用户管理模式设计如下。

（1）总经理/总工程师可随时浏览自动化系统的各类信息，了解供水工程运行情况；审批调水计划方案，协调处理相关事宜。

（2）指导人员从事日常输水调度岗位，根据编制并通过领导审批的调水计划方案，指导操作员实施调度控制操作。

（3）操作员根据调度方案，在指导人员的指导下通过自动化系统进行供水工程的调度控制操作。

（4）培训人员在自动化系统处于培训状态的非运行状态时，对操作人员进行各种模拟操作培训。

（5）工程师主要为自动化系统本身运行进行维护管理的用户，实时掌握系统健康状况，处理系统突发故障。

（6）仅能浏览屏幕显示人员主要为调度值班人员，通过自动化系统的屏幕显示信息实时掌握输水工程运行状况。

2.4 难点问题

该工程自动化系统建设应解决以下几个方面的问题。

（1）通信系统。采用租用公网传输的方式，建设覆盖清河水库输水工程各级管理机构的自动化通信系统。

（2）计算机网络。建立覆盖水库管理局、2 个配水站的计算机广域网络及相应的计算机局域网。

（3）闸（阀）及水文相关的压力、流量、水质监测，对清河水库工程管理单位、两个配水站辖区范围的压力计压力、流量计流量、水质监测系统水质参数进行现地及远程监测，对相关闸门、阀门进行现地及远程监控。

（4）视频监控。对工程管理单位、两个配水站重要位置进行实时远程监控。

3 系统功能需求分析

3.1 闸（阀）门监控需求

清河水库输水线路距离长，闸（阀）门分布在沿线隧洞、管道上，交通不便，亦无法安排人员值守。因此对这些闸（阀）门的监测和控制必须借助于自动化系统，实时地完成各个闸（阀）门的开度、启闭状态、运行状况等数据的采集、传输、接收和处理，采用先进的智能算法输出统计结果，以便工程管理人员决策。清河水库输水系统的各现地闸（阀）门控制既可实现远程控制操作，也可以在现地手动或现地触摸屏自动控制调度。通过闸（阀）门自动控制，极大缩短了闸（阀）门启闭时间过程，对于节约水力资源具有较大的促进作用，并且提高了供水调度管理水平。

当隧洞、管道出现险情，可通过控制相应闸门、阀门，迅速切断事故段水源，因此，对这些闸门应实现远程自动控制，以保证输水安全。

3.2 压力、流量、水质监测需求

清河水库输水线路距离长，流量计、压力计、水质监测系统分布在沿线隧洞、管道上，交通不便、数量众多，也无法安排人员值守。因此，对这些传感器的监测必须借助自动化系统，实时地完成各流量、压力、水质等数据采集、传输、接收和处理，采用智能优化算法输出图形、报表、预报结果等。各传感器数值既可以在工程管理单位进行远程监测，也可以在现地触摸屏实时获取，无需工作人员到现场记录各种数值，实现了无纸化办公。

3.3 视频监控需求

清河水库工程管理单位及各配水站有许多关键位置，需要实时了解关键位置附近安防及设备运行情况，因此需要借助于视频监控系统，实时完成图像的采集、传输、接收、存储等。

3.4 安全需求分析

我国重要工程的监测与运行管理系统历来是网络安全防护的重要对象[4]，多层网络分区防护策略有助于提升系统安全运行水平。自动化系统是实时作业运行系统，需具备一定的安全保障，主要包括以下几个方面。

（1）应用系统具有容灾策略，能够最大限度地保证监测及控制系统的有效性，并预留容量扩展接入后续工程，形成前后期工程整体系统级容灾系统。

（2）数据安全涉及访问、传输、存储等环节，加密程度高，在各层次可以采用差异化数据安全管理策略。

（3）不同层级的管理系统具备安全认证功能，重点关键性数据具备热备用，防范灾难性事故发生。

（4）具备防范网络攻击的功能，实现系统的安全可靠运行。

（5）现场设备安全需求，系统数据采集主要依靠现场设备的正常运行，数据是整个系统运行的关键基础。自动化监控设备虽然部分在室内，但同样需要巡查维护人员密切注意维护设备的安全。

4 系统架构设计

4.1 系统架构

工程管理单位与配水站之间采用C/S 或B/S 方式进行通信，在工程管理单位设置专用工作站或服务器从配水站获取数据或发送控制指令。除自动化监控系统外，各应用软件需整合至统一的门户界面上，通过B/S 方式供管理局办公网用户查询、了解工程运行情况。根据各系统的功能需求，同时提高硬件设备利用效率，对部分系统的工作站进行合并。