特大型水庫(kù)綜合運(yùn)行調(diào)度平臺(tái)建設(shè)研究與實(shí)踐

陸曉如

(上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司，201206 上海)

青草沙水庫(kù)［1］選址在長(zhǎng)江口南北港分流口水域，主要功能是蓄淡避咸，水庫(kù)日供原水719萬(wàn)m3，占上海市原水供應(yīng)的50%以上，受益人口1 000萬(wàn)以上。水庫(kù)總面積 66.15 km2，環(huán)庫(kù)堤壩總長(zhǎng)48.4 km，總庫(kù)容 5.27 億 m3。

水庫(kù)設(shè)凈寬為70 m的上游取水閘、規(guī)模為200 m3/s的取水泵站、凈寬為20 m的下游排水閘、供水規(guī)模為23萬(wàn)m3/d的長(zhǎng)興輸水支線輸水泵站和供水規(guī)模為708萬(wàn)m3/d的島域輸水干線輸水閘。

1 綜合監(jiān)控及調(diào)度需求特點(diǎn)分析

1.1 系統(tǒng)可靠性要求高

青草沙水庫(kù)是目前上海城市供水規(guī)模最大、受益人口最多的飲用水水源地水庫(kù)，服務(wù)人口將超過1 000萬(wàn)人。由于水庫(kù)的特殊性，決定了青草沙水庫(kù)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)必須要保持高可靠性，以確保水庫(kù)的安全正常運(yùn)行。

1.2 監(jiān)控點(diǎn)位置分散

水庫(kù)工程主要建筑物有環(huán)庫(kù)大堤、取水泵閘、下游水閘、輸水泵站、輸水閘井及調(diào)度中心等。取水泵閘位于青草沙水庫(kù)西北側(cè)(臨長(zhǎng)江口的北港側(cè))，下游水閘設(shè)在青草沙水庫(kù)庫(kù)尾，輸水泵閘位于水庫(kù)東南側(cè)岸邊(靠長(zhǎng)興島側(cè))。調(diào)度中心位于靠近輸水泵閘的水庫(kù)管理區(qū)。

1.3 綜合監(jiān)控信息量大

水庫(kù)綜合監(jiān)控系統(tǒng)須收集匯總的相關(guān)信息如下:

(1)水工建筑物安全相關(guān)信息有水庫(kù)大堤、取排水閘室、取輸水泵房、主副廠房的相關(guān)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。

(2)機(jī)械設(shè)備的相關(guān)信息有水泵及管道、閘門、閥門、輔機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息;閘門及啟閉機(jī)、攔污柵、清污機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。

(3)電氣設(shè)備的相關(guān)信息有水泵電機(jī)、勵(lì)磁和控制設(shè)備、交直流控制電源、變壓器、高低壓開關(guān)設(shè)備、計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。

(4)視頻監(jiān)視主要采集水庫(kù)設(shè)施、水情、水質(zhì)、機(jī)電設(shè)備等的實(shí)時(shí)圖像信息，用于對(duì)采集信息的核對(duì)、比對(duì)及調(diào)度命令執(zhí)行的確認(rèn)，同時(shí)有安全保護(hù)的功能。

(5)庫(kù)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息包括長(zhǎng)江口具有代表性部位的鹽度實(shí)時(shí)信息，庫(kù)內(nèi)外主要部位的水質(zhì)相關(guān)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，包括pH、含氯度、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、氨氮和總磷等。

(6)庫(kù)區(qū)水情測(cè)報(bào)相關(guān)信息有水庫(kù)內(nèi)外主要部位的水位實(shí)時(shí)信息和庫(kù)區(qū)的溫度、風(fēng)速、雨量等人工及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。

1.4 信息采集、處理及應(yīng)用需高度集成

系統(tǒng)中應(yīng)分布有各種專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，從各方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)視與控制，它們是系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的主要來源，同時(shí)也決定了系統(tǒng)的信息源是多方面的。各監(jiān)控系統(tǒng)分別采集和存儲(chǔ)各自的原始專業(yè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)服務(wù)于各自的專業(yè)系統(tǒng)以完成各種應(yīng)用功能，并在各自的系統(tǒng)范圍內(nèi)是完備和自包含的。但各監(jiān)控系統(tǒng)間還需要相互集成，最終形成一個(gè)有機(jī)整體，以便為用戶提供統(tǒng)一集中的系統(tǒng)監(jiān)控和管理手段，并為全局性的高級(jí)分析決策應(yīng)用提供準(zhǔn)確一致的綜合性數(shù)據(jù)中心，避免這些高級(jí)應(yīng)用面對(duì)各個(gè)分散專業(yè)系統(tǒng)的局面。

1.5 綜合調(diào)度內(nèi)容復(fù)雜

針對(duì)龐大和復(fù)雜的水庫(kù)運(yùn)行控制要求，水庫(kù)綜合自動(dòng)化及調(diào)度系統(tǒng)功能目標(biāo)是在水庫(kù)調(diào)度中心將各單體樞紐包括泵閘監(jiān)控、水工設(shè)施觀測(cè)、水情水質(zhì)鹽度測(cè)報(bào)、視頻安防等自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)控及分析，運(yùn)用相關(guān)的模型庫(kù)及調(diào)度預(yù)案庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)青草沙水庫(kù)自動(dòng)化調(diào)度管理。因此，需要應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)(包括工業(yè)級(jí)軟件平臺(tái)、現(xiàn)代通信平臺(tái)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制平臺(tái)等高新技術(shù))對(duì)影響取水、輸水全過程各環(huán)節(jié)的主要設(shè)備、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，要求在基礎(chǔ)檔案資料完備且準(zhǔn)確，自動(dòng)檢測(cè)、通信、控制等技術(shù)及設(shè)備非常可靠，自動(dòng)檢測(cè)、控制點(diǎn)分布合理等前提條件下，與水庫(kù)地理信息管理模塊(GIS)、管理信息模塊(MIS)、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型模塊、及計(jì)算機(jī)專家輔助分析決策模塊等結(jié)合后，提出調(diào)度控制依據(jù)和實(shí)施參考方案，輔助調(diào)度人員及時(shí)掌握系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況并實(shí)施科學(xué)調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)真正全自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)綜合調(diào)度系統(tǒng)［2］。

2 水庫(kù)綜合自動(dòng)化及調(diào)度系統(tǒng)研究與實(shí)施

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)采用高可靠性的網(wǎng)絡(luò)方案，其中SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用雙1 000 M環(huán)網(wǎng)冗余方案;同時(shí)為視頻監(jiān)視系統(tǒng)的大容量視頻流及數(shù)據(jù)流傳輸也設(shè)立專用的1 000 M環(huán)網(wǎng);另為水庫(kù)的電話通信、網(wǎng)絡(luò)廣播、辦公自動(dòng)化等輔助信息設(shè)立單獨(dú)的通信環(huán)網(wǎng)。

青草沙水庫(kù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是涉及一個(gè)調(diào)度中心和4個(gè)分控站的大型網(wǎng)絡(luò)，它們分別是青草沙水庫(kù)調(diào)度中心、取水泵閘分控站、輸水泵站分控站、輸水閘井分控站及下游水閘分控站。其監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)層次型(調(diào)度中心、分控站)，多系統(tǒng)集成式(泵閘監(jiān)控系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及水庫(kù)運(yùn)行聯(lián)調(diào)決策支持、工程監(jiān)測(cè)與安全運(yùn)行評(píng)估、事故應(yīng)急處理預(yù)案與決策支持等各種高級(jí)應(yīng)用)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，共有4個(gè)計(jì)算機(jī)小局域網(wǎng)并互聯(lián)構(gòu)成水庫(kù)總局域網(wǎng)［3］。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)及配置

各分控站監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)管轄范圍內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、水質(zhì)、視頻等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和處理，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，有選擇性的將數(shù)據(jù)上傳控制中心。分控站軟件系統(tǒng)應(yīng)包括系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng))、支持軟件(SCADA開發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表編輯軟件等)、應(yīng)用軟件(上位機(jī)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，I/O冗余采集系統(tǒng)和工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)等)。

調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)是結(jié)合水庫(kù)的物理(蓄水能力、取水能力、出水能力等)特征，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水文水質(zhì)數(shù)據(jù)、大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備工況數(shù)據(jù))為依據(jù)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、海潮預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、長(zhǎng)江上游來水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、水動(dòng)力模型作出預(yù)測(cè)和分析，輔助決策者作出分析、判斷并確定最為優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)的方案，由調(diào)度控制系統(tǒng)依據(jù)此方案轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的指令來控制各水閘、泵站的啟閉、開關(guān)。調(diào)度控制系統(tǒng)同時(shí)還可根據(jù)需要制定相應(yīng)的事故應(yīng)急預(yù)案和聯(lián)動(dòng)操作預(yù)案，實(shí)現(xiàn)調(diào)度決策的合理化、自動(dòng)化、管理科學(xué)化。調(diào)度中心軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng))、支持軟件(SCADA開發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表編輯軟件，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件等)、應(yīng)用軟件(上位機(jī)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)、I/O冗余采集系統(tǒng)、工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、系統(tǒng)安全軟件和GIS系統(tǒng)等)。

整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的層次關(guān)系應(yīng)基于圖1構(gòu)建。

圖1 應(yīng)用軟件層次關(guān)系圖［2］Fig.1 Hierarchical Relationship of Application Software

2.3 系統(tǒng)主要功能

綜合運(yùn)行調(diào)度平臺(tái)建設(shè)的難點(diǎn)，首先是要將水工建筑、機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、視頻監(jiān)視、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水情測(cè)報(bào)等多系統(tǒng)多類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，建立水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此之上，建立水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)與節(jié)能、泵閘經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、鹽度監(jiān)測(cè)與避咸蓄淡、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與避污蓄清、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與防止水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化等優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的智能化調(diào)度。

本工程自動(dòng)化系統(tǒng)集成商的實(shí)施方案:首先通過SCADA監(jiān)控組態(tài)軟件，完成基本的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析、人機(jī)界面展示等綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能;其次通過專用GIS平臺(tái)軟件，完成各系統(tǒng)數(shù)據(jù)在地理信息平臺(tái)上的展示，并利用該平臺(tái)軟件進(jìn)行了調(diào)度模型庫(kù)、調(diào)度流程、調(diào)度軟件算法、調(diào)度聯(lián)動(dòng)預(yù)案等的開發(fā)。對(duì)目前邏輯關(guān)系已明確的水庫(kù)水位及水量、泵閘經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模型運(yùn)算用于輔助決策;對(duì)于水庫(kù)避咸蓄淡、避污蓄清等水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)，待相關(guān)科研課題有進(jìn)一步結(jié)論后，繼續(xù)對(duì)模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等進(jìn)行補(bǔ)充開發(fā)完善。

調(diào)度中心主要軟件功能如表1所示［4］。

表1 調(diào)度中心主要軟件功能Tab.1 Main Functions of Software in Controlling Center

續(xù) 表

3 結(jié)論

在先期實(shí)施的綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，首先完成泵閘監(jiān)控、水工設(shè)施觀測(cè)、水情水質(zhì)鹽度測(cè)報(bào)、視頻安防等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，建立水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并據(jù)此完成基本的水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度功能。實(shí)踐證明該綜合運(yùn)行調(diào)度平臺(tái)的建設(shè)對(duì)青草沙水庫(kù)的科學(xué)運(yùn)行和調(diào)度乃至整個(gè)原水的安全起著至關(guān)重要的關(guān)鍵作用，并平穩(wěn)地經(jīng)受了水庫(kù)建成以來經(jīng)歷的多次大規(guī)模咸潮入侵和突發(fā)事件的考驗(yàn)。隨著水庫(kù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累并結(jié)合后續(xù)的研究，通過數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范化設(shè)計(jì)，高級(jí)應(yīng)用組合、優(yōu)化調(diào)度算法、各功能模塊實(shí)用化流程、實(shí)用化界面的設(shè)計(jì)等，建立水庫(kù)的水位監(jiān)測(cè)與節(jié)能、泵閘經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、鹽度監(jiān)測(cè)與避咸蓄淡、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與避污蓄清、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與防止水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化等優(yōu)化調(diào)度模型。根據(jù)上述模型形成水庫(kù)綜合運(yùn)行調(diào)度預(yù)案庫(kù)，結(jié)合水庫(kù)現(xiàn)有的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，最終形成青草沙水庫(kù)綜合運(yùn)行調(diào)度平臺(tái)。

［1］上海青草沙水源地工程簡(jiǎn)介［J］.凈水技術(shù)，2009，28(3):78.

［2］王漢東，黃少華，黃會(huì)勇，等.南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.人民長(zhǎng)江，2013，44(9):100-103.

［3］富慶范，肖佳華.青草沙水庫(kù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［G］.上海長(zhǎng)江口青草沙水源地原水工程論文集.

［4］上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院.長(zhǎng)江口青草沙水庫(kù)及取輸水泵閘工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告［R］.2012.