二龍山水庫智能監控調度應用系統探析

王 普

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 概述

二龍山水庫工程位于秦嶺南麓長江二級支流的丹江上游，距商洛市區4 km，是一座以防洪、發電、灌溉、城區供水等綜合效益為一體具有年調節能力的中型水庫工程。水庫總庫容8100 萬m3，有效庫容5700 萬m3，控制流域面積965 km2。

二龍山水庫智能監控調度系統主要包括閘門遠程監控子系統、水情自動測報子系統、大壩安全監測子、視頻監視、通信子、計算機網絡及支撐平臺、應用軟件、實體環境建設等。

2 閘門遠程控制系統

2.1 概述

閘門遠程監控系統是在充分考慮啟閉操作的安全性和可靠性的前提下，利用工業控制技術、傳感器技術、數據傳輸技術等，實現閘門信息實時采集、閘門遠程精確啟閉。系統可以實現閘門的遠程控制，并將啟閉設備的電壓、電流、啟閉信號以及開度等重要數據上傳到水庫管理處數據庫內，實現對閘門數據的集中顯示、分析、記錄及越限報警。

2.2 監控對象

閘門監控點見表1。

表1 閘門監控點布置表

2.3 系統功能

（1）數據實時采集：自動采集閘門開度、啟閉機限位狀態、供電系統的電壓及工作電流、消耗的能量，并能根據水位計算出流量；

（2）閘門啟閉控制：可實現閘門的定閘位控制、全開、全關、上升、下降、停止；（3）急停控制：若遇到緊急、意外情況，能夠實施急停控制；（4）工作方式切換控制：通過硬件動作，實現遠程自動控制、現場自動控制、手動操作及鎖定操作等多種控制方式；

（5）故障保護：在閘門運行過程中系統發生故障時，系統立即報警，并根據需要和實際情況自動終止當前的閘門運行操作。

2.4 監控方案

通過設在現場閘室的交換機將各閘門控制PLC 信號匯聚，通過光纜傳輸至水庫管理處，實現閘門的遠程控制。

3 水情自動測報系統

3.1 概述

水情自動測報系統是實現水庫智能監控調度的數據基礎，水情自動測報系統數據的準確性直接影響水庫防洪調度方案。

水情自動測報系統是根據遙測水位雨量站采集的數據信息，結合氣象信息，利用適用于二龍山水庫的預報模型，給出水庫不同目標的預報入庫洪水過程線，為水庫洪水調度，水資源利用提供可靠的依據。二龍山水庫水情自動測報系統預報模型采用降雨徑流預報模型。

3.2 站網布設

二龍山水庫水情站網布設情況見表2。

3.3 系統組網

系統組網見圖1。

表2 二龍山水庫水情自動測報站點分布表

圖1 二龍山水情自動測報系統組網圖

4 大壩安全監測系統

大壩安全監測系統也是智能監控調度系統建設的一個重要內容，主要是監測大壩運行狀況。監測項目為：環境量（上、下游水位、氣溫、氣壓及降水量），變形（壩體表面位移、內部位移、裂縫、壩基位移），滲流（揚壓力、滲漏量、繞壩滲流、水質監測），巡視檢查（壩體，壩基、壩肩及近壩庫岸）等。大壩安全監測系統采用集中式網絡結構的數據采集系統，大壩安全監測系統由傳感器、前端數據采集單元MCU、監控軟件、中心數據采集計算機組成。大壩安全監測數據在左壩肩管理房匯聚后傳輸至二龍山水庫管理處進行系統集成，接入二龍山水庫智能監控調度系統。

5 視頻監視系統

5.1 概述

視頻監視系統作為智能化監控調度的一個輔助子系統，是實現水庫自動化運行，無人值班，少人值守的必要技術手段。在左岸泄洪底孔放水塔、右岸泄洪底孔放水塔、發電輸水洞放水塔、大壩壩頂、水庫管理處等處共布設智能網絡高清攝像機15臺，對水庫樞紐主要工程建筑物進行全天24 小時不間斷監視，并在水庫管理處配置視頻存儲服務器及視頻工作站，視頻存儲服務器按照15 d 存儲容量設計，大小為24 t。

5.2 點位布置

在二龍山水庫共設置15 處視頻監視點，見表3。

表3 視頻監視點布置表

6 通信系統

通信主要解決閘門遠程控制、水情自動測報、大壩安全監測及視頻監視的數據傳輸問題。智能監控調度系統通信主要包含壩頂閘室、安全監測室、壩頂至左壩肩管理房的通信，水文遙測站點至水庫管理處的通信，左壩肩管理房至水庫管理處的通信。管理房至二龍山水庫管理處自建光纜，自建光纜沿庫區道路地埋敷設，采用工業以太網交換機組網方式。在左岸泄洪底孔放水塔、右岸泄洪底孔放水塔、發電輸水洞放水塔各配置2臺導軌式工業以太網交換機，1 臺用于閘門遠程監控系統，1 臺用于視頻監視系統。3 處現地閘室交換機通過光纜將信號匯總至左壩肩管理房匯聚交換機，再通過自建光纜傳輸至管理處核心交換機，視頻監視系統采用獨立的交換機，與其他系統共用光纜。

水情自動測報因水文站點分布較遠且較分散，故考慮采用無線通信技術，無線通信技術有衛星通信、無線網橋通信、4G 通信等，衛星通信及4G 通信都屬于公網通信，無線網橋通信屬于自建通信，考慮到站點分布較遠，無線網橋通信需自建多個中繼站，成本較大，衛星通信相比較4G 通信成本較大，因本工程所在區域中國移動、中國電信、中國聯通等幾大運營商均有無線網絡覆蓋，且信號強度滿足要求，故采用4G通信來滿足水文遙測站點至水庫管理處監控調度中心的通信。

7 計算機網絡系統

計算機網絡是智能監控調度的載體。通過建設計算機網絡，高速獲取和處理實時監控業務（水情、工情、語音、遠程視頻監控等）與非實時業務等數據，滿足管理調度需求。同時，建立數據存儲與管理體系，保證整個信息系統的穩定運行，確保信息共享的高效。建設主動、開放、有效的系統安全體系，實現網絡安全狀況可知、可控和可管理，形成集防護、監測、響應、恢復于一體的安全防護體系。

二龍山水庫智能監控調度系統計算機網絡設計成業務內網與業務外網兩張物理網絡。業務內網與業務外網之間采用網閘隔離。

業務內網：為遠程閘閥監控等控制系統信息及各業務應用提供數據承載服務，負責各個現地閘閥的控制及閘閥控制信息的傳輸，負責實現水量調度管理及視頻監視、工程安全監測與管理、水情測報等功能，其數據種類較多、數據量大，對網絡時延和抖動要求較高，需要確保數據安全可靠、低時延傳輸。

業務外網：Internet 服務，為管理處提供外部Internet 接入服務。系統可在對內實現科學高效管理的基礎上，同時對外提供信息服務平臺。

二龍山水庫智能監控調度系統計算機網絡結構見圖2。

圖2 計算機網絡結構圖

8 系統支撐平臺及應用軟件

8.1 應用支撐平臺

應用支撐平臺采用松耦合，易擴展的設計思路，以基于SOA 面向服務架構和企業服務總線的體系架構建設應用支撐平臺，選配支撐平臺建設需要的應用服務器、通用中間件等商用軟件。以統一架構、統一平臺、統一門戶為原則建設集中部署分散應用。充分利用服務松耦合的軟件模式以及各種主流的開放標準。服務接口采用了通用的Web 服務和XML 標準，可以用一個服務替換另一個服務而無須關心其底層的實現技術和服務的位置。

8.2 應用軟件

8.2.1 信息動態監視預警系統

信息動態監視預警系統由采集監測、預警分析、數據管理、報表統計、查詢顯示、系統管理、三維展示等組成。

8.2.2 水情自動測報系統

軟件部分包括水情數據庫、數據接收軟件以及水情管理查詢預報系統。

（1）水情數據庫

雨量遙測站和自記水位站實時采集的雨量和水位信息傳輸至中心站，處理后進入數據庫各類數據表中，以便根據需要檢索和查詢。

在數據庫內共建設實時水情表、實時降水量表、日降水量表、洪水預報表、洪水要素摘錄表、降水摘錄表、預報模型參數表、洪水特征值表、雨量站表等數據雨水情及其他信息存儲表。

（2）數據接收軟件

水情數據接收處理軟件主要是對來自各個遙測站的原始數據信息，進行接收、歸類、轉換、糾錯、入庫等操作，負責各類數據庫建立、編輯、維護，為其他系統提供數據接口。

（3）水情管理查詢預報系統

水情管理查詢預報系統是水情自動測報的核心，該系統的主要任務是根據采集的實時雨情、水情、工情等資料，結合歷史水文數據，對本工程未來將發生的洪水做出洪水總量、洪峰發生時間、洪水發生過程等情況的預測，并通過采用水文學、水力學、河流動力學有機結合，建立洪水預報數學模型，實現洪水預報的動態仿真，快速、準確地為工程調度決策提供依據，系統同時滿足水情信息的查詢發布、日常管理等功能。系統主要由數據庫管理模塊、洪水預報模塊、水情動態監測模塊、歷史洪水模擬模塊、洪水動態模擬仿真模塊、洪水預報信息發布查詢模塊、系統日常管理模塊等部分組成。

8.2.3 閘門遠程監控系統

1）閘門狀態的實時監控

a.數據采集：從設備控制層實時采集生產信息及設備的運行參數和各種狀態參數。運行參數包括電量參數和非電量參數。主要包括電流、電壓、閘門開度等，設備狀態參數包括開、停、運行、故障狀態。

b.流程畫面：可顯示控制設備運行狀態總貌，多層次顯示每個系統單元、每個設備、單個調節回路、順序控制回路、通信狀態、網絡狀態。

c.工況狀態：通過數字、指示燈、圖形等形式實時顯示每個工藝設備工況狀態，并將相關工況狀態顯示在一起，便于生產操作、維護和管理。

d.指令確認：對現地控制主單元發送控制指令后，在設定的時間段內等待控制主單元反饋回來的確認信號，如果等待的時間超出設定的時間段后仍接收不到確認信號，則發出報警信號，提示操作人員及時采取措施排除故障。

2）故障實時報警

對采集到數據進行限值檢查，發現超出限定范圍，實時以不同顏色燈閃爍、語音提示以及報警窗口畫面等形式顯示現場設備及網絡通訊報警信息。

8.2.4 水庫防洪調度決策系統

水庫防洪調度決策系統是智能監控調度系統在二龍山水庫應用的核心。水庫防洪調度決策系統是依據水情自動測報預報成果，采用調洪極值解法、多目標模糊優選決策模型、人機交互決策方法，面向對象技術、數據庫技術等技術與方法，自動生成調度預案，以人機交互方式制定實時調度方案，進行方案仿真、評價和優選，并且具有汛情分析、洪災預測、信息查詢等功能。

1）業務分析

由于洪水的突發性、歷史洪水的不重復性和復雜的社會政治經濟等條件，應能按決策者的意圖，迅速、靈活、智能地制訂出各種可行方案和應急措施，使決策者能有效地應用歷史經驗減少風險，選出滿意方案并組織實施，以達到在保證工程安全的前提下，充分發揮防洪工程效益，盡可能減少洪災損失。水庫防洪調度決策系統的業務流程見圖3。

2）功能設計

水庫防洪調度決策系統主要由防洪形勢分析、調度方案制定、調度方案仿真、調度方案評價、調度成果管理、系統管理等功能模塊組成，組成結構見圖4。

圖3 水庫防洪調度決策系統業務流程圖

8.2.5 綜合業務管理系統

綜合業務管理系統是一個覆蓋工程各級管理機構的一體化綜合辦公體系。其充分運用現代信息技術和網絡技術，圍繞各管理機構實際辦公需要，整合、規范現行業務流程，實現各部門間辦公信息互聯互通、資源共享、協同辦公，全面提高工作效率。

9 智能監控調度系統實體環境建設

圖4 水庫防洪調度決策系統功能結構圖

智能監控調度系統實體環境建設主要包括監控調度中心大廳和機房建設，大屏幕、綜合布線、不間斷供電、防雷接地等基礎設施，監控調度中心位于水庫壩后左岸的水庫管理處。根據本系統規模，監控調度中心設備所占空間大小，初步確定監控調度中心大廳面積60 m2，機房面積20 m2，為滿足工程運行管理的需要，在管理處監控調度中心建設LED 小間距大屏顯示系統，大屏顯示系統屏幕采用P1.5 產品，像素間距為1.5 mm，顯示屏尺寸為3.60 m×2.025 m，分辨率為3360×1890。

10 結語

依據水情自動測報系統預報結果，結合大壩安全監測系統，視頻監視系統等。通過軟件自動分析計算，進而控制閘門開度，實現水庫智能化運行，實現水資源的合理利用。