高港泵站信息管理系统的研究和实现

钱 江 ，包加桐 ，闾耀辉 ，严国斐 ，唐鸿儒

（1. 江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州 225321；2. 扬州大学能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

泰州引江河是江苏省“九五”期间为实施“海上苏东”战略决策而兴建的跨世纪重点水利工程，工程于 1999年9月28日竣工。高港枢纽作为泰州引江河的水源工程，是实现泰州引江河工程灌溉、排涝、航运等功能的控制建筑物，包括泵站、节制闸、船闸、调度闸、送水闸、110 kV 专用变电所及管理设施等，泵站工程采用闸站结合布置，配立式开敞式轴流泵 9 台，叶轮直径 3.0 m，单台流量 34 m3/s，为国内同泵型之最，总装机容量 18000 kW，总抽排能力达 300 m3/s，采用 X 型双向流道，具有双向抽排能力，底层流道可自流引江水 160 m3/s。

高港泵站建成时即配置了自动化系统，能够实现泵站运行的自动监测、控制和保护。2000—2001年，自行开发的泵站信息管理系统实现值班记录、调度开票、工程技术管理等功能，提高了管理效率。但是，随着管理要求的提高，原有的信息管理系统存在以下一些问题：1）泵站信息管理系统的功能是利用监控组态软件提供的软件开发工具和Foxpro 实现的，只具有简单的数据存储、统计和泵站运行管理等功能，已不能满足越来越高的管理需求，系统开放性较差，有时会不稳定；2）由于是单机版的软件，与上级调度和管理系统没有连接，虽然积累了大量数据，但无法共享；3）缺少泵站运行调度、设备等管理功能，不能适应现代化的泵站运行管理要求。

鉴于目前各个泵站管理单位的管理方法存在较大差异，市场上尚无专用的泵站管理信息系统软件，经过充分调研后，2010 年开发了新的基于网络的高港泵站信息管理系统（以下简称系统），可实现泵站自动化与信息管理系统的无缝集成，授权人员能够利用计算机或手机浏览泵站运行状态，查询相关信息；能够实现泵站运行调度和事务管理，并且具有比较完善的安全措施。

1 系统功能需求分析

一般区域性水利工程信息化系统可以分为 4 层，从下至上依次为泵站和水闸计算机监控、信息管理，水利工程管理处管理信息和上级调度管理等系统。其中，泵站和水闸计算机监控系统是水利工程信息化系统的各种运行和统计信息的源头，是上级运行调度的执行者。1 和 2 层是上级管理或者调度部门的管理信息系统，可以是水利枢纽管理单位和区域或流域运行调度等的管理系统。第 3 层是泵站、水闸的信息管理系统，处于计算机监控系统与上级管理部门管理信息系统之间，是泵站运行和日常管理的基础，它一方面接收下层计算机监控系统提供的各种实时运行数据，进行分析、处理和统计，并向上级上报有关统计结果；另一方面负责泵站的日常管理。

高港泵站信息管理系统应具备以下功能：

1）实时运行和统计数据管理。应实现与泵站自动化系统的安全通信，实时接收泵站自动化系统的各类实时运行和统计数据。实时运行数据包括：机组开停机状态、定子电压和电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、励磁电压和电流、机组叶片角度、机组运行台时，站变运行状态、电压、电流、有功功率、无功功率，主变运行状态、电压、电流、有功功率、无功功率，上下游水位，单机及全站抽水流量，水闸闸门开度等；统计数据包括：全站日、月、年抽水水量及用电量，水闸单孔和总引水流量，水闸日、月、年引水时间和水量。应能够按照一定的策略对这些数据进行处理、分析和存储。

2）信息发布与查询。能以 Web 方式提供泵站实时运行状况的浏览服务，授权用户通过网络可以浏览和监视泵站的运行状况。供浏览的计算机监控系统实时画面应包括电气主接线图、站身剖面图、全站温度运行监视图、辅机系统图等，发布的画面应能动态加载、实时显示。能以报表方式提供泵站上、下游水位，开机台数，抽水流量、水量、功率和用电量，机组运行台时等数据的查询和浏览。运行报表应包括日、月、年报表3 种形式。

3）日常管理。应具有下列调度和管理功能，a）值班管理，包括值班事件记录与交接班管理、闸门及开机运值记录；b）调度开票，包括水情调度、变电所、泵站 400 V 电源切换、开机、停机等操作票；c）安全管理，包括安全文件、规程、台帐、措施，以及消防设施；d）工程管理，包括规程规范，工程大事记、项目管理；e）设备管理，包括工程技术手册，设备揭示图、台帐，缺陷等管理，以及备品备件和资料管理等功能。

2 系统体系结构与安全措施

2.1 系统结构

根据泵站信息管理系统的功能需求分析，高港泵站采用图 1 所示的信息化系统结构框图。最下层是泵站自动化系统，利用 JX-300 DCS 集散控制系统实现对泵站主机组、辅机设备、变电所、闸门等数据的采集和控制。中间层是泵站信息管理系统，通过 JX-300X DCS 提供的 OPC 服务器获取泵站运行的各种实时数据，进行处理分析和存储；以 Web方式向上级管理部门提供泵站实时运行数据的浏览和查询服务；实现泵站运行管理等功能。引江河管理处或者上级调度管理部门能够通过局域网或者Internet 等远程浏览泵站实时运行工况，查询泵站运行的统计数据，查询或者监督泵站有关值班记录、调度操作、缺陷记录等方面的管理数据。

图1 高港泵站信息化系统结构框图

2.2 安全措施

为保证系统安全运行，不同层之间按照安全要求等级的不同设置相应的网间隔离装置。在自动化系统和信息管理系统间设置了安全隔离网闸，采用多主机隔离结构和安全芯片设计实现安全隔离，通过信息摆渡机制实现透明的高度安全的信息交换；且由于采用专有硬件进行交换，不占 CPU 时间，保证数据的传输效率。处于网闸内网、安装在 OPC 服务器上的 MISGate 服务程序实时采集自动化系统的运行数据，并向网闸的指定端口发送 UDP （用户数据包协议）数据包；另一方面，处于网闸外网的泵站信息管理系统中的 MISGate 客户端程序从网闸相应的端口接收 UDP 数据包。所有数据的传输均为单向传输，自动化系统不受泵站信息管理系统的任何影响，从而保证自动化系统的高安全性。

在高港泵站管理所和引江河管理处之间设置了硬件防火墙，防火墙只开放 Web 访问的 80 端口，其它端口一律屏蔽。通过 Internet 或者水情网络访问泵站信息管理系统的用户，需要通过管理处的边界防火墙进行访问控制。此外，在高港泵站信息管理系统中，通过限制数据库和 Web 服务器的端口开放，以及按照一定策略进行关键数据的定期备份等措施可进一步提高系统的安全性。

3 系统功能实现

系统采用基于 Silverlight 的富互联网应用（RIA）架构，如图 2 所示。该架构采用分层的思想组织程序逻辑，主要由 Silverlight 客户端、Web 服务端和数据库等 3 部分组成。

图2 基于 Silverlight 的 RIA 架构

Silverlight 客户端具有高度互动性，同桌面应用软件系统，可以实现企业级的数据交互、表现和处理，且具有跨平台与浏览器的优点。Silverlight 客户端可内嵌于浏览器中，通过 Web 浏览方式加载客户端程序，从而实现客户端的快速安装与部署。当再次运行客户端软件时，可直接从磁盘加载程序而无需重新下载。目前利用 Silverlight 技术开发富互联网交互应用成了一种新的技术手段，如文献 [1]利用Silverlight 技术构建了 1 个地理信息系统，文献 [2]基于 Silverlight 平台开发了风力发电远程监控界面等。

在 Web 服务端中，除实现传统面向服务应用中的数据存取层与业务逻辑层外，增加了 WCF（Windows Communication Foundation）服务层，通过在该层定义和实现具有不同功能的服务供客户端程序访问调用，建立 Silverlight 界面交互层与业务逻辑层的联系，从而建立和完善客户端与服务端的分布式实时通信框架。

使用 Visual Studio .Net 开发工具，采用面向对象软件开发方法，对系统各层软件功能模块进行功能实现，具体实现内容包括：

1）开发了泵站运行远程监控平台。在此平台上，授权人员能够通过计算机或手机上网方式在泵站、管理处内部或外部对泵站运行状态进行监视和信息查询。

首先设计用于存储泵站实时与历史运行监控数据的大型数据库。采用安全性能高、管理能力强的SQL Server，增强数据存储能力及存取安全性。在数据库中定义各类具有计算逻辑的存储过程以实现数据的快速存取。由于泵站实时运行数据来源于泵站DCS 系统，因此进一步开发泵站运行数据采集软件模块，通过与 DCS 系统中的 OPC 服务器进行数据交互，实时采集现场运行数据并保存到数据库中。在此基础上，开发 Web 服务端程序，根据功能需求定义和实现各类 WCF 服务，包括设备状态总览、变电所主接线图、1～9 # 主机运行状态、水闸状况（节制闸、调度闸和送水闸）、下层流道引水状况、辅机系统、实时趋势图查看（水位变化、节制闸自流引江、下层流道引水、4～9 # 主机 B 门高度）等用于实时监控数据查看的服务，以及开机、引水情况，水位、极值统计等用于历史监控数据分析统计的服务，各类服务中实现相关数据的存取与业务逻辑封装。最后利用 Silverlight 实现用户交互界面，图 3 是高港泵站运行状况远程监视画面。

2）开发了泵站日常管理平台。综合考虑高港泵站日常管理中的各个业务需求，开发了统一的网络化和集成化的泵站日常管理软件子系统，该子系统与泵站运行远程监控子系统构成整个泵站信息管理系统。泵站运行人员利用泵站日常管理软件子系统实现值班、组织、安全、工程、设备、资料管理，以及调度开票等工作。图 4 为泵站设备台账管理界面。

图3 泵站运行状况远程监视画面

图4 泵站设备台账管理界面

整个泵站信息管理软件系统利用 Silverlight 提供图形丰富、响应速度快的用户交互界面，通过使用客户端/服务端分布式实时通信框架，形成安全、可扩展、易维护面向大型泵站运行管理的跨平台与浏览器的网络服务平台。

4 结语

自 2010 年底正式投入运行以来，高港泵站信息管理系统运行可靠，使用方便，性能稳定。管理人员可以随时在控制室、管理处或互联网上处理管理事务，查看管理信息和工程状态，减轻了运行管理人员的工作强度，提高了管理效率。上级领导和调度机构也可以随时查看高港枢纽泵站的设备状态、运用情况，以及设备台账、安全生产、技术管理资料等。

近年来，国家一直重视水利工程和农业建设，投入不断增加，目前江苏境内有几十座大中型泵站，这些泵站都需配置信息管理系统作为运行管理工作的平台。研制的高港泵站信息管理系统采用开放式的软件架构和标准化的软件接口，向下可以与一般的泵站计算机监控系统相连，向上可以接入水情专网等管理网络。不同泵站利用该系统提供的工具可以方便构建适合自己特点的泵站信息管理系统。因此，高港泵站信息管理系统可以广泛适用于一般的大中型泵站运行管理工作，对于大范围内的调度管理系统建设具有重要的参考价值，具有广阔的推广前景。

[1]Liu Y, Liu X F, Mao J H. Research on the integration of Silverlight and WebGIS based on REST[C]. Ningbo, IEEE International Conference on Multimedia Technology, 2010:1-4.

[2]武愈振. 基于 Silverlight 的 RIA 研究及应用[J]. 可编程控制器与工厂自动化，2010 (1): 69-71.