紅旗泡水庫綜合自動化監控系統設計方案綜述

葉江南，曹明偉

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2.中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都611130)

1 設計原則

1.1 可行性、可靠性第一的原則

深入了解現場環境和監控對象特點，系統設計、設備選型、軟件編寫、系統集成、軟硬件測試、設備安裝、系統聯調等過程必須遵循可行性、可靠性第一的原則。

1.2 實用性與先進性相統一的原則

堅持“在實用條件下力求先進”的主導思想。結合水庫自然條件的特點，以及水閘、抽水站等供排水設施的具體情況，選擇國內外先進而實用的科學技術和軟硬件產品。

1.3 適應水利信息化發展趨勢和要求

順應數字化演示、數字化調配、數字化管理的發展方向，滿足信息發布和資源共享等信息化要求。

1.4 系統應具有操作簡單與標準化特點

系統建設應考慮到操作方便、易學、直觀等方面，必須具有友好的人機界面和智能操作，同時系統的設計和軟件開發應遵循行業主管部門的有關規范或規定。系統各功能部件、安裝方式、標識標志等盡量統一并符合相關行業標準。

1.5 系統具有開放性和可擴展性

系統采用的技術方案須適應系統擴展和未來技術發展的趨勢，最大限度地減少重復投資和資源浪費，保障業主的投資效益。

1.6 系統應具有完善的故障診斷功能和可靠的安

全性能

故障診斷系統應具有軟件、硬件故障報警功能，同時還應提供報警記錄和打印功能。故障診斷系統可提供故障區域、故障類型、故障時間、故障排除方法、故障恢復等信息。

系統安全是保障可靠運行的關鍵，除有效的網絡安全外，還包括抗雷電、抗強電、抗電磁干擾、防盜、防破壞等保護措施。

2 建設目標與任務

紅旗泡水庫作為尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程的重要組成，紅旗泡水庫管理所是北引綜合自動化系統的樞紐節點(分控中心)。

系統建設的總體目標是:實現紅旗泡水庫全庫區視頻監控、同時監測水庫水位及進出流量及水庫管理所的局域網改造［1］。

具體建設任務如下:

1)工程監控:實現泵站、渠道的流量及水庫水位監測。

2)視頻監視:全庫區視頻監視。

3)水質在線監測。

4)水庫管理所的局域網改造。

5)水庫管理所、管理站及監測站點的電源及防雷接地設施。

6)建設環湖光纜通道。

3 系統建設需求分析

3.1 水源地保護需求

由于安達市早已出現供水緊張情況，紅旗泡水庫已列入安達市供水水源地，據《安達市供水工程可行性研究報告》中描述，“根據庫區水質的要求，參照《黑龍江省飲用水源保護區劃分與防護的實施辦法》，將紅旗泡水庫引水口薩爾圖分干上溯1km、兩岸外延0.1km 范圍，庫周圍外延0.1km 的陸域劃分為一級水源保護區。”

在《安達市供水工程可行性研究報告》中對一級水源地保護措施的要求如下:

1)在水庫周圍人員活動頻繁的區域加裝防護網，防止人類活動污染水庫水質。

2)禁止新建擴建與供水設施和保護水源無關的建設項目。

3)禁止向水域排放污水、傾倒工業廢渣、城市垃圾等。

4)禁止在灘地和岸坡及飲用水渠沿岸堆放存儲固體廢棄物和其它導致水體污染的物質。

5)不得在水體內清洗車輛、衣物和其它器具。

6)禁止從事種植、放養禽畜，嚴格控制網箱養殖活動。

7)禁止游泳、水上訓練，露營、野炊等可能污染水源的體育和娛樂活動，

8)禁止毒魚、炸魚、電魚;禁止使用毒藥和高殘留農藥。

現水庫庫區僅完成部分防護網，具備少部分湖面的視頻監視能力。為實現對水源地的有效保護有必要建設水庫水質監控系統及全庫區視頻監控系統等工程設施，監測水源地的水質及視頻監視主要路口、路面、庫面巡測及周邊環境，并對傳入者實施錄像取證及語音驅離。

3.2 工程監控需求

紅旗泡水庫樞紐工程包括:大壩、薩爾圖分干進水閘、泄水閘、北湖補水閘。此外有大慶市所屬大型抽水泵站(石化泵站)1 處，安達供水泵站1 處。

大壩為均質土壩，全長16.67 km，分主壩和東、西副壩。主壩長3 478 m，最大壩高5.36 m，迎水面坡為渣油混凝土8 cm墊層，5 cm厚瀝青砂漿坐漿。上層用30×25×25 cm3的料石護砌，縫隙灌注瀝青砂漿。西副壩全長9 445 m，最大壩高3.71 m，迎水面有5 080 m長直接采用20 cm 厚的渣油混凝土護坡，其余為土緩坡，草皮護砌。東副壩全長3 750 m，最大壩高2.5 m，迎水面少部分采用厚度15 cm渣油混凝土護砌，大部分是土緩坡，用草皮子護砌。

泄水通過尾水渠注入北二十里泡，進入閉流區排水系統，而后泄入松花江。

紅旗水庫為安達市及大慶石化總廠等多地多單位提供水源，供水保證率要求很高，并且全年運行。

3.2.1 工程監控現狀

1)紅旗泵站及安達供水泵站的流量未實施監控，現為企業自報流量，水庫對企業實際用水量無法實施有效計量。

2)水庫水位為人工測量。

3)泄洪閘手動控制，泄洪流量無計量。

4)進水閘為電動閘門，無遠動功能。

3.2.2 工程監控需求

受業主委托現工程監控需求為:①自動監測2處泵站流量;②自動監測水庫水位;③進水閘實現遠程監控;④泄洪閘實現電動及遠程監控，并監測泄洪流量。

3.3 工程管理需求

3.3.1 綜合信息管理平臺的需求分析

管理單位的財務、人事、檔案、后勤、業務數據等行政事務管理。

3.3.2 地理信息技術應用需求分析

水庫擁有較多的水源工程、灌排渠系、量測站點等建筑物，采用先進的地理信息技術，提高水庫工程圖紙的應用水平。

3.3.3 工情信息管理應用需求分析

對于分布在廣闊的地域上的水利工程設施，傳統的手工管理無法表現水利設施的空間信息，即使基于紙質地圖，在水利設施工情信息的空間分布方面也缺乏足夠的表現力。這對渠道、閘門等水利建筑物的數據維護管理工作、水資源的合理調度帶來了極大的不便。而且針對工程設施的信息查詢(如物理屬性、位置屬性、維修記錄等)和進行專題地圖的劃分與應用都難以實現。因此，為了提高灌區的工程管理水平，需要進行灌區工情地理信息系統的建設。

3.3.4 水量計量業務應用需求分析

水量計量是水源地水庫的基本業務之一。

3.4 系統性能需求

3.4.1 正確率

1)信號傳輸正確率≥99%。

2)遙控正確率≥99%。

3.4.2 系統實時性指標

1)非電氣模擬量(如水位、流量等)＜5S。

2)電氣模擬量(如電壓、電流等)＜3S。

3)控制命令回答響應時間＜2S。

4)調節命令回答響應時間＜3S。

5)故障信號及報警事件產生到畫面顯示＜2S。

6)參數越限及復限報警響應時間＜5S。

3.4.3 遙測終端RTU 實時性指標

1)數據采用周期≤2S。

2)D 轉換時間≤10mS。

3.4.4 主站實時性指標

畫面調用響應時間85%畫面≤3S，其它≤5S。

畫面實時數據刷新周期≤5S。

視頻圖像掃描周期≥20 Hz/s。

電子顯示屏數據刷新時間≤3S。

3.4.5 計算機的CPU 負荷率

1)正常狀態下任意30min 內＜60%。

2)突發任務時10S 內＜80%。

3.4.6 LAN 負荷率

1)正常狀態下任意30min 內＜20%。

2)突發任務時10S 內＜40%。

3.4.7 可維護性

平均維護修復時間＜4h。

3.4.8 安全性

對監測系統的每個功能和動作提供檢查和校核，當動作有誤時，終止動作并報警。

3.4.9 可擴性

1)I/O 模塊預留10%的備用量。

2)CPU 負載率＜50%。

3.5 系統安全需求

系統應保證:①管理安全;②通信、網絡安全;③設備安全;④防雷接地。

4 系統設計

綜合自動化系統以水位、流量、水質等信息采集、閘站控制、視頻監視為基礎;以計算機及通信網絡平臺為支撐;以綜合數據庫、各功能軟件和應用軟件為核心，建成一個技術先進、功能豐富、可靠實用、規范標準的自動化監控系統。進而實現供水決策支持、實時水量調度、供水信息管理、供水安全與工程安全預警，構筑集水利信息采集、傳輸、存儲、共享、分析和應用一體化的管控平臺，全面實現水庫運行管理的數字化與自動化，為工程的現代化管理提供先進技術手段和設施。

該工程為水利工程綜合自動化系統，根據建設目標與任務本系統分為視頻監控系統、網絡傳輸系統、局域網絡系統、水情工情監控系統、水質監測系統、監控站配電系統以及防雷接地系統等七個子系統進行分別設計。

4.1 視頻監控系統

采用第三代視頻安防監控技術，將工程監測及安全監測統一設置，并利用光纜線路進行數據傳輸。工程共布置視頻監控站20 個，覆蓋全庫區。視頻信息采用集中存儲策略，存儲于控制中心的硬盤陣列內，存儲時間6 個月。

4.2 網絡傳輸系統

建設環湖光纜工程，采用單模鎧裝光纜敷設、連接所有監控站及管理站，光纜全長約39 km，沿水庫外側壩坡直埋敷設。

4.3 局域網系統

本系統局域網承載所有視頻數據和業務數據，紅旗水庫網絡平臺采用核心交換、接入層交換雙層架構體系，網絡結構為星形，采用千兆網絡交換機為核心進行組建。局域網通過防火墻及路由器同大慶北引工程管理處進行連接，連接速率1000Mb/S。

4.4 水情工情監控系統

采用分層分布式設計，實現現地層、控制中心2層控制。通過網絡及PLC 控制技術實現對工程范圍內對大慶石化泵站、引嫰入安泵站流量監測，對水庫排水閘門的水位、閘位、流量監測，同時監測水庫水位，控制閘門啟閉。

4.5 水質監測系統

水質監測采用在線監測的方式，實現水質的實時連續監測和遠程監控。設置水質自動監測系統。監測指標包括水溫、溶解氧、pH 值、電導率、濁度、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數等9 項。

4.6 監控站配電系統

視頻監控站及閘站的電源系統設計。

4.7 防雷接地系統

水庫管理所、管理站、監控站、閘站的防雷接地系統設計。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.紅旗泡水庫綜合自動化設計報告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2010.