清河水庫輸水改造工程自動化系統設計與實現

李 哲

南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210003

1 背景

遼寧清河水庫輸水工程以防洪、灌溉為主，兼顧城市供水、發電、養魚和生態補水等綜合利用功能[1-2]，該輸水工程自清河水庫取水，整個工程由取水頭部、隧洞和供水管線組成，輸水形式為有壓重力流，屬長距離、大流量的供水工程。該工程分水口眾多，輸水過程控制難度較大，對運行管理要求較高。

對清河水庫輸水工程而言，輸水系統的運行管理包括閘（閥）、水位壓力流量監測、控制調節、視頻監控等內容，若考慮防洪灌溉、自然風光旅游開發、城市工商業供水、水庫養殖等綜合需求，設計難度大、外部因素不確定性強、優化設計目標復雜。目前，盡管傳統人工現場控制策略仍被大量應用，但無法徹底克服調度與操作的同步性問題，無法有效地對輸水過程進行控制，一定程度上延遲了管理人員的決策，且輸水效率低、運行安全沒有可靠保證[3]。

基于清河水庫輸水工程的特點，本文提出充分依靠先進的網絡及通信技術，緊密結合工程運行管理方案，獲取和綜合分析工程實際問題，依據清河水庫自動化系統的總體設計思路，深入分析各參與主體的工程化需求，提出了綜合考慮多系統接口的系統架構。

2 系統總體思路

清河水庫輸水改造工程自動化系統有助于實現清河水庫供水工程各應用系統成果的集中展示，為供水工程的各級管理人員提供相應的信息服務，實現工程的專業化綜合管理支持。

2.1 設計目標

清河水庫輸水工程自動化系統的設計是以自動化監控和測量為手段，以安全、精確輸水為目標，通過工程建設，達到以自動化帶動管理的高效化、現代化，建立實用、先進、高效、安全、可靠的自動化監控系統。

2.2 設計原則

（1）“無人值班，少人值守”方案是現代工程管理的重要手段之一，其有助于提升工程運行質量，減少系統運行成本及提高辦公智能化，極大地減少人員投資成本。

（2）開發自動化系統應具有標準化、模塊化、可拓展性，具有優化的網絡結構及優化的人機交互能力，工程運行及維護簡單。

（3）自動化系統采用分布式架構，控制層與決策層采用以太網連接，兼容性與容錯能力強，適用于各類型運行管理投資。

（4）良好的冗余設計思路，有助于自動化系統在局部故障事件發生時，故障范圍可控制與可治理，極大提升系統運行的安全性。

2.3 系統用戶設計

根據工程管理機構與機制的分析，工程自動化系統考慮眾多用戶對象的差異性，主要體現在不同的用戶在不同的時間具有不同的角色和身份，不同角色用戶對系統有不同的需求。該自動化系統不同用戶管理模式設計如下。

（1）總經理/總工程師可隨時瀏覽自動化系統的各類信息，了解供水工程運行情況；審批調水計劃方案，協調處理相關事宜。

（2）指導人員從事日常輸水調度崗位，根據編制并通過領導審批的調水計劃方案，指導操作員實施調度控制操作。

（3）操作員根據調度方案，在指導人員的指導下通過自動化系統進行供水工程的調度控制操作。

（4）培訓人員在自動化系統處于培訓狀態的非運行狀態時，對操作人員進行各種模擬操作培訓。

（5）工程師主要為自動化系統本身運行進行維護管理的用戶，實時掌握系統健康狀況，處理系統突發故障。

（6）僅能瀏覽屏幕顯示人員主要為調度值班人員，通過自動化系統的屏幕顯示信息實時掌握輸水工程運行狀況。

2.4 難點問題

該工程自動化系統建設應解決以下幾個方面的問題。

（1）通信系統。采用租用公網傳輸的方式，建設覆蓋清河水庫輸水工程各級管理機構的自動化通信系統。

（2）計算機網絡。建立覆蓋水庫管理局、2 個配水站的計算機廣域網絡及相應的計算機局域網。

（3）閘（閥）及水文相關的壓力、流量、水質監測，對清河水庫工程管理單位、兩個配水站轄區范圍的壓力計壓力、流量計流量、水質監測系統水質參數進行現地及遠程監測，對相關閘門、閥門進行現地及遠程監控。

（4）視頻監控。對工程管理單位、兩個配水站重要位置進行實時遠程監控。

3 系統功能需求分析

3.1 閘（閥）門監控需求

清河水庫輸水線路距離長，閘（閥）門分布在沿線隧洞、管道上，交通不便，亦無法安排人員值守。因此對這些閘（閥）門的監測和控制必須借助于自動化系統，實時地完成各個閘（閥）門的開度、啟閉狀態、運行狀況等數據的采集、傳輸、接收和處理，采用先進的智能算法輸出統計結果，以便工程管理人員決策。清河水庫輸水系統的各現地閘（閥）門控制既可實現遠程控制操作，也可以在現地手動或現地觸摸屏自動控制調度。通過閘（閥）門自動控制，極大縮短了閘（閥）門啟閉時間過程，對于節約水力資源具有較大的促進作用，并且提高了供水調度管理水平。

當隧洞、管道出現險情，可通過控制相應閘門、閥門，迅速切斷事故段水源，因此，對這些閘門應實現遠程自動控制，以保證輸水安全。

3.2 壓力、流量、水質監測需求

清河水庫輸水線路距離長，流量計、壓力計、水質監測系統分布在沿線隧洞、管道上，交通不便、數量眾多，也無法安排人員值守。因此，對這些傳感器的監測必須借助自動化系統，實時地完成各流量、壓力、水質等數據采集、傳輸、接收和處理，采用智能優化算法輸出圖形、報表、預報結果等。各傳感器數值既可以在工程管理單位進行遠程監測，也可以在現地觸摸屏實時獲取，無需工作人員到現場記錄各種數值，實現了無紙化辦公。

3.3 視頻監控需求

清河水庫工程管理單位及各配水站有許多關鍵位置，需要實時了解關鍵位置附近安防及設備運行情況，因此需要借助于視頻監控系統，實時完成圖像的采集、傳輸、接收、存儲等。

3.4 安全需求分析

我國重要工程的監測與運行管理系統歷來是網絡安全防護的重要對象[4]，多層網絡分區防護策略有助于提升系統安全運行水平。自動化系統是實時作業運行系統，需具備一定的安全保障，主要包括以下幾個方面。

（1）應用系統具有容災策略，能夠最大限度地保證監測及控制系統的有效性，并預留容量擴展接入后續工程，形成前后期工程整體系統級容災系統。

（2）數據安全涉及訪問、傳輸、存儲等環節，加密程度高，在各層次可以采用差異化數據安全管理策略。

（3）不同層級的管理系統具備安全認證功能，重點關鍵性數據具備熱備用，防范災難性事故發生。

（4）具備防范網絡攻擊的功能，實現系統的安全可靠運行。

（5）現場設備安全需求，系統數據采集主要依靠現場設備的正常運行，數據是整個系統運行的關鍵基礎。自動化監控設備雖然部分在室內，但同樣需要巡查維護人員密切注意維護設備的安全。

4 系統架構設計

4.1 系統架構

工程管理單位與配水站之間采用C/S 或B/S 方式進行通信，在工程管理單位設置專用工作站或服務器從配水站獲取數據或發送控制指令。除自動化監控系統外，各應用軟件需整合至統一的門戶界面上，通過B/S 方式供管理局辦公網用戶查詢、了解工程運行情況。根據各系統的功能需求，同時提高硬件設備利用效率，對部分系統的工作站進行合并。

4.2 系統接口關系

清河水庫供水工程自動化系統是以自動化監控系統的監測和采集數據為基礎，通過定制研發而實現的集中展示平臺，該系統與其他結構的設計方案如下。

（1）與工程水質監測系統接口。該工程自動化系統通過SDH 設備實現與水質監測系統的連接，采集水質監測數據和分析結果，供信息展示用。

（2）與供水計量系統接口。該自動化系統實時接收本工程發布服務器發送的流量計等數據信息并安裝供水計量軟件，接口設置在通信服務器上。

（3）與辦公系統接口。該自動化系統安裝于發布服務器，通過發布服務器向辦公網絡發布本工程信息數據頁面，提供查詢服務。

5 結語

清河水庫輸水工程自動化系統實現了對工程沿線閘門、閥門、流量計、壓力計、水質監測系統等設備的自動監測和控制，同時能夠實現管理局自動化系統對全線設備的調度控制，各配水站自動化系統對所轄范圍內設備的調度控制，以及對重要位置進行視頻監控。該系統研發及投產運行能夠提高清河水庫輸水工程的管理與運行水平。