特大型水庫綜合運行調度平臺建設研究與實踐

陸曉如

(上海青草沙投資建設發展有限公司，201206 上海)

青草沙水庫［1］選址在長江口南北港分流口水域，主要功能是蓄淡避咸，水庫日供原水719萬m3，占上海市原水供應的50%以上，受益人口1 000萬以上。水庫總面積 66.15 km2，環庫堤壩總長48.4 km，總庫容 5.27 億 m3。

水庫設凈寬為70 m的上游取水閘、規模為200 m3/s的取水泵站、凈寬為20 m的下游排水閘、供水規模為23萬m3/d的長興輸水支線輸水泵站和供水規模為708萬m3/d的島域輸水干線輸水閘。

1 綜合監控及調度需求特點分析

1.1 系統可靠性要求高

青草沙水庫是目前上海城市供水規模最大、受益人口最多的飲用水水源地水庫，服務人口將超過1 000萬人。由于水庫的特殊性，決定了青草沙水庫的綜合監控系統必須要保持高可靠性，以確保水庫的安全正常運行。

1.2 監控點位置分散

水庫工程主要建筑物有環庫大堤、取水泵閘、下游水閘、輸水泵站、輸水閘井及調度中心等。取水泵閘位于青草沙水庫西北側(臨長江口的北港側)，下游水閘設在青草沙水庫庫尾，輸水泵閘位于水庫東南側岸邊(靠長興島側)。調度中心位于靠近輸水泵閘的水庫管理區。

1.3 綜合監控信息量大

水庫綜合監控系統須收集匯總的相關信息如下:

(1)水工建筑物安全相關信息有水庫大堤、取排水閘室、取輸水泵房、主副廠房的相關及實時監測信息。

(2)機械設備的相關信息有水泵及管道、閘門、閥門、輔機等設備的運行狀態和故障信息;閘門及啟閉機、攔污柵、清污機等設備的運行狀態和故障信息。

(3)電氣設備的相關信息有水泵電機、勵磁和控制設備、交直流控制電源、變壓器、高低壓開關設備、計算機監控設備、網絡通信設備等運行狀態和故障信息。

(4)視頻監視主要采集水庫設施、水情、水質、機電設備等的實時圖像信息，用于對采集信息的核對、比對及調度命令執行的確認，同時有安全保護的功能。

(5)庫區水質監測信息包括長江口具有代表性部位的鹽度實時信息，庫內外主要部位的水質相關及實時監測信息，包括pH、含氯度、電導率、溶解氧、濁度、氨氮和總磷等。

(6)庫區水情測報相關信息有水庫內外主要部位的水位實時信息和庫區的溫度、風速、雨量等人工及實時監測信息。

1.4 信息采集、處理及應用需高度集成

系統中應分布有各種專業監控系統，從各方面對系統進行運行監視與控制，它們是系統原始數據的主要來源，同時也決定了系統的信息源是多方面的。各監控系統分別采集和存儲各自的原始專業數據，這些數據服務于各自的專業系統以完成各種應用功能，并在各自的系統范圍內是完備和自包含的。但各監控系統間還需要相互集成，最終形成一個有機整體，以便為用戶提供統一集中的系統監控和管理手段，并為全局性的高級分析決策應用提供準確一致的綜合性數據中心，避免這些高級應用面對各個分散專業系統的局面。

1.5 綜合調度內容復雜

針對龐大和復雜的水庫運行控制要求，水庫綜合自動化及調度系統功能目標是在水庫調度中心將各單體樞紐包括泵閘監控、水工設施觀測、水情水質鹽度測報、視頻安防等自動化系統數據進行集中監控及分析，運用相關的模型庫及調度預案庫，實現對青草沙水庫自動化調度管理。因此，需要應用現代信息技術(包括工業級軟件平臺、現代通信平臺、計算機和自動控制平臺等高新技術)對影響取水、輸水全過程各環節的主要設備、運行參數進行實時監測和控制，要求在基礎檔案資料完備且準確，自動檢測、通信、控制等技術及設備非常可靠，自動檢測、控制點分布合理等前提條件下，與水庫地理信息管理模塊(GIS)、管理信息模塊(MIS)、動態數學模型模塊、及計算機專家輔助分析決策模塊等結合后，提出調度控制依據和實施參考方案，輔助調度人員及時掌握系統實際運行工況并實施科學調度控制，實現真正全自動化的計算機綜合調度系統［2］。

2 水庫綜合自動化及調度系統研究與實施

2.1 網絡架構

系統采用高可靠性的網絡方案，其中SCADA系統網絡采用雙1 000 M環網冗余方案;同時為視頻監視系統的大容量視頻流及數據流傳輸也設立專用的1 000 M環網;另為水庫的電話通信、網絡廣播、辦公自動化等輔助信息設立單獨的通信環網。

青草沙水庫綜合自動化系統網絡，是涉及一個調度中心和4個分控站的大型網絡，它們分別是青草沙水庫調度中心、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。其監控系統是一個層次型(調度中心、分控站)，多系統集成式(泵閘監控系統、水情測報系統、水質監測系統、大壩安全監測系統以及水庫運行聯調決策支持、工程監測與安全運行評估、事故應急處理預案與決策支持等各種高級應用)的綜合自動化系統，共有4個計算機小局域網并互聯構成水庫總局域網［3］。

2.2 軟件結構及配置

各分控站監控系統是實現對管轄范圍內的所有監測、監控、水質、視頻等信息進行監測、控制和處理，對采集的數據進行存儲與管理，有選擇性的將數據上傳控制中心。分控站軟件系統應包括系統軟件(操作系統)、支持軟件(SCADA開發系統，數據庫、報表編輯軟件等)、應用軟件(上位機SCADA監控系統，I/O冗余采集系統和工業實時歷史數據系統等)。

調度中心監控系統是結合水庫的物理(蓄水能力、取水能力、出水能力等)特征，以實時監測數據(水文水質數據、大壩監測數據、設備工況數據)為依據，根據天氣預報數據、海潮預報數據、長江上游來水預報數據、歷史數據、水動力模型作出預測和分析，輔助決策者作出分析、判斷并確定最為優化、經濟的方案，由調度控制系統依據此方案轉換成可執行的指令來控制各水閘、泵站的啟閉、開關。調度控制系統同時還可根據需要制定相應的事故應急預案和聯動操作預案，實現調度決策的合理化、自動化、管理科學化。調度中心軟件系統主要包括系統軟件(操作系統)、支持軟件(SCADA開發系統，數據庫、報表編輯軟件，網絡發布軟件等)、應用軟件(上位機SCADA監控系統、I/O冗余采集系統、工業實時歷史數據系統、關系數據庫系統、系統安全軟件和GIS系統等)。

整個系統應用軟件的層次關系應基于圖1構建。

圖1 應用軟件層次關系圖［2］Fig.1 Hierarchical Relationship of Application Software

2.3 系統主要功能

綜合運行調度平臺建設的難點，首先是要將水工建筑、機械設備、電氣設備、視頻監視、水質監測、水情測報等多系統多類型的數據進行有效整合，建立水庫運行調度基礎數據庫，并在此之上，建立水庫水位監測與節能、泵閘經濟運行、鹽度監測與避咸蓄淡、水質監測與避污蓄清、水質監測與防止水庫富營養化等優化調度模型，實現水庫的智能化調度。

本工程自動化系統集成商的實施方案:首先通過SCADA監控組態軟件，完成基本的各系統數據采集、統計計算分析、人機界面展示等綜合監控系統功能;其次通過專用GIS平臺軟件，完成各系統數據在地理信息平臺上的展示，并利用該平臺軟件進行了調度模型庫、調度流程、調度軟件算法、調度聯動預案等的開發。對目前邏輯關系已明確的水庫水位及水量、泵閘經濟運行等系統，實現了模型運算用于輔助決策;對于水庫避咸蓄淡、避污蓄清等水質預警系統，待相關科研課題有進一步結論后，繼續對模型庫、知識庫等進行補充開發完善。

調度中心主要軟件功能如表1所示［4］。

表1 調度中心主要軟件功能Tab.1 Main Functions of Software in Controlling Center

續 表

3 結論

在先期實施的綜合監控系統中，首先完成泵閘監控、水工設施觀測、水情水質鹽度測報、視頻安防等基礎數據的采集，建立水庫運行調度基礎數據庫，并據此完成基本的水庫運行調度功能。實踐證明該綜合運行調度平臺的建設對青草沙水庫的科學運行和調度乃至整個原水的安全起著至關重要的關鍵作用，并平穩地經受了水庫建成以來經歷的多次大規模咸潮入侵和突發事件的考驗。隨著水庫運行經驗的積累并結合后續的研究，通過數據庫規范化設計，高級應用組合、優化調度算法、各功能模塊實用化流程、實用化界面的設計等，建立水庫的水位監測與節能、泵閘經濟運行、鹽度監測與避咸蓄淡、水質監測與避污蓄清、水質監測與防止水庫富營養化等優化調度模型。根據上述模型形成水庫綜合運行調度預案庫，結合水庫現有的綜合監控系統，最終形成青草沙水庫綜合運行調度平臺。

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

［2］王漢東，黃少華，黃會勇，等.南水北調中線一期工程水量調度系統設計與實現［J］.人民長江，2013，44(9):100-103.

［3］富慶范，肖佳華.青草沙水庫綜合自動化系統設計與實現［G］.上海長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發展有限公司，上海勘測設計研究院，上海市水利工程設計研究院.長江口青草沙水庫及取輸水泵閘工程設計關鍵技術研究報告［R］.2012.