河北省南水北調配套工程監控系統設計特點

楊鐵樹，張同生

（1.河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250；2.河北省辛集市水務局渠道管理處，河北 辛集052360）

1 工程概況

河北省南水北調配套工程水廠以上輸水工程總長度2069km，工程受水區包括石家莊、邯鄲、邢臺、保定、廊坊、滄州、衡水7個省轄市、92個縣（市）和華北油田等多個重要工業區。配套工程主要作用是補充沿線城市生活用水，兼顧部分工業、農業和生態環境用水，是上述地區社會、經濟、生活、環境等長期穩定、健康發展的重要保障，也是南水北調中線工程效益正常發揮的關鍵環節之一。

河北省南水北調配套工程監控系統包括：1個總調中心（河北水務集團）、11個干渠管理處（4個干渠管理處、7個設區市管理處）、10個區域應急調度站（其中有5個與管理處合并）及183個現地站（管理站）。

2 工程監控系統結構設計特點

工程監控系統結構設計以滿足全線統一調度、區域應急調度為核心，以實現遠程集中監控、現地閉環自控為重點，以達到安全輸水、優化配水、精確調水為目標，結合工程條件、機構設置和管理要求，提出了本工程所特有的“3+1”層應用架構，“1+1”型雙網架構（即控制專網+業務內網），構造出“先進、實用、安全、可靠”的工程監控系統。

2.1 “3+1”層應用結構

3+1層應用結構是在常規調水工程監控系統3層架構（即總調中心層、管理處層、現地監控層）的基礎上，增設了區域應急調度層，構成了“總調中心層、管理處層、區域應急調度層和現地監控層”的3+1層應用結構。該應用結構不僅解決了總調中心采用“統一調度、集中布署”所帶來的安全性隱患，而且彌補了管理處層僅設置監測功能所帶來的功能性缺失。工程監控系統“3+1”層應用結構如圖1。

圖1 工程監控系統“3+1”層應用結構

2.1.1 總調中心層

由設于河北水務集團的總調中心和設于保滄干渠管理處的數據備份中心組成，主要實現整個工程監控系統的統一調度和遠程監控。

2.1.2 管理處層

在4個跨市干渠管理處和7個設區市管理處的監測分中心各設置遠程終端站，以實現對所屬區域內各現地站的監測和管理功能，不具備控制和系統管理功能。

2.1.3 區域應急調度層

當總調中心故障退出時，為了提高整個配套工程的供水保證率，增設區域應急調度功能，在10個信息匯集中心（即4條干渠管理處、邯鄲市管理處、正定管理所、保定末端現地站、黑沙村隧洞進口閥站、傅家莊管理所、泊頭市管理所）建立區域應急調度站。

2.1.4 現地監控層

在183個現地站（包括42個泵站、34個閘站、93個閥站、2個調壓井站和12個純管理站）配置了工控機、監控軟件、PLC、觸摸屏、現場數據采集設備、控制執行機構（裝置）、數據通信等設備，是工程監控系統最基層的控制單元。

2.2 “1+1”型雙網結構

針對“3+1”層應用結構對其網絡通信所承載信息量的實時性和安全性要求不同，在總調中心層、區域應急調度層和現地監控層間建立控制專網，以提高調度指令下達和數據信息上傳的安全性；在總調中心層和管理處層借用業務內網信息通道實現其間的監測信息交換，不僅節省了專網建設費用，而且充分利用了業務內網傳輸流量大的特點。這樣需要在控制專網與業務內網間建立信息交互通道，兩網間設置網閘以保障其數據交互的安全性。工程監控系統“1+1”型雙網結構如圖2。

圖2 工程監控系統“1+1”型雙網結構圖

“1+1”型雙網結構具備扁平化特性，在具備權限的前提下，網絡上的所有節點都可以相互訪問，總調中心可以直接訪問到各現地站，可以直接將控制指令下達到各現地站；各現地站可以直接上傳數據信息到總調中心。

3 工程監控系統調度控制策略

3.1 調度控制策略

河北省南水北調配套工程引水點為南水北調中線總干渠的32個分水口，用水戶為分布于7個設區市的138個供水目標，工程監控系統的調度控制策略就是要解析這個以32個分水口為輸入變量、138個供水目標為輸出變量的多元函數，其最優解就是實現每條輸水管線的水量供需調度平衡及整個配套工程供水目標的動態控制平衡。采用“統一調度”和“集中控制”是實現這一目標的最佳方法。

（1）正常調度控制方式采用總調中心遠程集中調度，各現地站按照總調中心統一下發的調度指令對其泵組（閘門、閥門）進行遠程控制，實現河北省配套工程各輸水管線的分支流量調節及整個配套工程總量平衡調節，保證138個供水目標所需用水量和32個分水口供應來水量及其二者供需總量平衡。總調中心具備調度控制權限和權限管理功能，各現地站具有控制權限。

（2）非常調度控制方式增設了區域應急調度站，當總調中心事故退出時，啟用區域應急調度站進行區域集中調度，各現地站按照應急調度指令對所屬泵組（閘門、閥門）進行區域應急控制，并發出告警信息。

3.2 調度控制模型

根據調度控制策略采用3種調度控制模式對各現地站的泵組（閘門、閥門）進行控制。各控制層的調度控制模型配置如表1。

表1 各控制層的調度控制模型及功能分布

3.2.1 總調中心集中調度監控模式

由總調中心的水量調度系統向工程監控系統發出調度控制指令，經當班調度人員確認，下發至各現地站，并分解為各泵組（閘門、閥門）可執行的控制信號，以完成各現地站控制參數（如流量、壓力、水位等）的遠程調度監控。這是正常情況下的基本控制模式。

3.2.2 現地站自我閉環控制模式

各現地站根據總調中心水量調度系統下達的供水計劃或目標任務進行自適應調節控制。現地站也可通過人工輸入控制目標，由PLC控制系統自動完成并保持當前控制目標，直至控制目標的再次改變。這種控制模式也是基本的控制模式。

3.2.3 區域應急調度監測模式

在總調中心非正常情況下，通過10個區域應急調度站對其所屬區域內的泵組（閘門、閥門）下達調度計劃和分解任務，此時現地站采取現地模式進行控制。

3.3 調度控制功能分布

各控制層調度控制模型的布設主要表現于不同功能的分布。各控制層的功能分布如表1。

（1）總調中心和區域應急調度站具有調度功能。上級控制層以行政命令或調度指令方式向各現地站下達供水目標值，各現地站將現場供水信息及運行工況上傳上級控制層。總調中心還具有操作配置和安全管理功能。

（2）總調中心和現地站具有控制功能。通過監控服務自動下發各現地站的實時操作控制命令，自動上傳執行結果，并通過對執行結果的再次判斷，實時修正控制指令，以閉環控制方式達到供水目標的自動調控。

（3）各控制層均具有監測功能。通過監控服務實時采集現場PLC的數據，在各監控層平臺界面上實時顯示。

4 工程監控系統存儲機制

4.1 數據分級存儲

4.1.1 過程數據一級存儲

過程數據存儲采用一級分層存儲機制。總調中心、數據備份中心及區域應急調度站存儲所有泵（閘、閥）產生的過程數據到實時數據庫服務器。過程數據存儲周期為1年。

對于過程數據，在總調中心和數據備份中心都配置有實時監控與通訊接口服務器，實時采集到的數據自動實時保存到服務器上的實時數據庫中。

4.1.2 特征數據兩級存儲

特征數據存儲采用兩級分層存儲機制，特征數據庫分別位于總調中心及區域應急調度站、現地站。這種存儲機制既可保證數據安全，又便于用戶的查詢、統計和分析。

總調中心及數據備份中心存儲所有泵（閘、閥）站產生的特征數據到歷史數據庫服務器。區域應急調度站存儲所轄所有現地站產生的特征數據到區域應急工作站。現地站（配置了工控機的現地站）存儲本站產生的特征數據到工控機。特征數據的數據量較小，存儲周期為5年。

4.2 數據庫分層配置

在總調中心設置兩臺安裝有ORCAL數據庫的服務器，在數據備份中心設有一臺安裝ORCAL數據庫的服務器，正常情況下，監控服務分別向總調中心和數據備份中心的一臺數據庫服務器上進行存儲特征數據，總調中心的兩臺數據庫服務器之間具有同步功能。工程監控系統數據庫分層配置如圖3。

圖3 工程監控系統數據庫分層配置

在區域應急調度站上，設有兩臺應急工作站，均部署MySQL數據庫。正常情況下，主控機的監控服務向本機數據庫中保存特征數據，當主控機的監控服務出現異常時，備用機向本機數據庫中存儲特征數據；主、備機之間MySQL數據庫具有數據同步功能，以保證主、備機數據一致性。

在現地泵站設有兩臺監控計算機，在主控機上部署SERVER歷史數據庫；正常情況下，主控機的監控服務向數據庫中保存特征數據，當主控機的監控服務出現異常時，備用機向數據庫中存儲特征數據。

5 結語

河北省南水北調配套工程所獨有的多引水點、多供水目標、無中間調蓄的樹枝狀配水網絡系統，給工程監控系統的調度控制提出了更新、更高的要求，通過多方工程調研和理論研究，提出了多種比選方案并優化論證，最終構造了一個先進、實用、安全、可靠的配套工程監控系統。在結構設計上適應了監控層次的設置需求，在調度模型上滿足了監控功能的應用需求，在存儲機制上保證了數據調用的安全需求。

這進一步說明：一個工程監控系統的設計應首先進行受控對象的功能需求分析，其次選定一個適合主體工程層次要求的結構設計，再次針對工程特點建立調度控制模型和數據存儲機制，并反復進行過程調優和自適應性檢驗，最終完成工程監控系統的整體性設計。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.河北省南水北調配套工程水廠以上輸水工程自動化系統初步設計報告［R］.2014.

［2］合肥三立自動化工程有限公司.河北省南水北調配套工程水廠以上輸水工程自動化系統工程監控系統集成標第二次設計聯絡會匯報材料［R］.2015.

［3］DL/T5065—2009，水力發電廠計算機監控系統設計技術規范［S］.

［4］NB/T35004—2013，中華人民共和國國家能源局［S］.

［5］DL/T 5003—2005，電力系統調度自動化設計技術規范［S］.

［6］GB/T 17176—1997，信息技術開放系統互聯應用層結構［S］.