西范灌区东扩工程水利工程信息化设计

朱建文

（山西中部引黄水务开发有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

在水利工程的管理和建设中信息化系统有着十分重要的作用。近年来，随着科技信息化的不断发展，对水利工程管理和建设的信息化要求越来越高。西范灌区东扩工程位于运城市西北部，涉及新绛、闻喜、万荣及稷山等四县，主要是为解决该受水地区灌区的缺水问题，还兼顾改善原灌区38.47万亩耕地。该扩建工程的建设线路较长涉及面较广，对其高效率管理是十分必要的，需要设计符合该工程特点的全线信息化管理系统。

1 工程全线信息化内容及任务

1.1 全线信息化系统内容

西范灌区东扩工程全线信息化系统的内容包括：远方控制监控系统（调度中心），五座泵站远方调度系统，总干渠19座闸室监控系统。

1.2 全线信息化的任务

全线自动化的任务为：

（1）建立流域为主体的输水调度中心，调度中心拟建在西范管理局。

（2）调度中心能够采集各个监控点包括：各个泵站、分水阀室等各类自动化信息。

（3）建立调度决策帮助软件系统，合理的模拟流域输水调度过程，通过水力仿真软件的复核，为决策层提供可靠的、优化的调度运行方案。利用现代化通讯手段，最终实现对各泵站、各调节阀的远方控制。

（4）能够建立完整的远程工业可视（电视）系统。以便对主要监控点（调压池、建筑物、机组等）实现远方实时监视。

（5）工程安防系统是由红外对射、监视、门禁等设备组成建立。

2 调度模式及通信系统

2.1 调度模式

为达到供水工程稳定安全输水，全线各种水工建筑物和机电设备的经济、安全运行的目的，须对沿线各分水阀室、泵站进行统一调度。为此设立统一调度中心，实现全线自动化。

调度的操作权限由现地级、站控级和调度级三级组成。

其中，控制级别最高为现地级，其次为站控级。主要控制内容包括：泵站的监控主机、自动级公用LCU、机组LCU以及各闸室LCU（可由现地控制装置PLC兼做）。远方调度级为最后，全线设备自动化由调度中心统一进行管理和控制。

全线的自动化调度模式是：控制调度中心统一管理调度、集中监控，近期实现现地监控站的少人值班，以至实现最终的少人值守、无人值班。

2.2 通信系统

通信系统由沿线总干所有闸室和五座泵站组成，特点是沿线的各闸室分散、且线路较长。目前，现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信。结合工程全线自动化任务及实际情况的特点，通讯方式选择光纤通信。实现光纤通信有以下两种方案：

1）沿控制中心、所有控制点和输水线路敷设光缆为主通信通道；备用通信为租用公网的一条专用通道作为调度和数据传输的通道。

2）按不同的路径（直埋和架空）沿控制中心、所有控制点和输水线路敷设两条光缆，形成通信物理环网，一路为主，另一路为备。

方案二从技术角度考虑，可靠性较高，同时投资较大。综合从经济、可靠、安全性考虑采用方案一。

3 网络传输方式及监控系统

3.1 网络传输方式

1）三网合一传输方式

采用综合以太网接入设备。光纤技术（优化）和以太网数据传输交换技术，建设自动化系统综合信息传输平台，其为“三网合一”的建设支撑，可实现以太网、数据、视频和语音等业务功能灵活接入，及通过光纤实现调度电话、工业电视、安全监测系统和生产自动化等业务功能。

优点是：“三网合一”为系统。过多的外围接入设备不再需要，后期设备维护减少。同时组网灵活，使用空间小，安装方便。

缺点是：国内生产厂家不多，三网之间明显的物理隔离没有，损失部分视频信号。

2）三网分离传输方式

通信系统内网采用以太网交换机。以太网交换机提供多个接口，便于安全监测和调度监测系统内容的内网传输。为了降低投资和减少设备维护，应用网和内网可以采用综合业务光端机，总线式异步数据传输通道可提供多个，及可配置异步数据接口RS232/485等设备。站点交换机中接入各站点视频监控系统，采用视频服务器的方式，调度中心统一管理。电话调度系统：驻地话音网关设备在通信机房设置一套，程控调度交换机与该套设备相连；在各控制站点设置普通电话机及接入语音网关，工业网络（100 M）交换机直接接入语音网关。

从网络传输技术考虑，三网分传输方式可靠性最高，但是投资过大。结合输水特点，传输方式采用三网合一。

3.2 计算机监控系统网络结构

计算机监控系统采用模块、分布、分层式体系结构。

调度中心为双层以太网结构，由SCADA双服务器、数据库服务器、视频服务器、大屏DLP工作站、工程师站、操作员工作站以及WEB服务器等设置互为热备，以上设备分别接入两层以太网。

采用单层以太网为泵站计算机监控系统控制网络。泵站监控网络由现地控制装置及公用LCU、机组LCU和热备操作主机等共同组成，与调度中心通过通讯服务器相连。

调度中心监控系统、沿线闸室LCU与泵站计算机监控系统一起组成了单层工业以太网。

3.3 调度中心监控系统

3.3.1 功能要求

1）远程调度系统应有效、准确、迅速地完成对各级泵站及各个阀室等被监控对象的监视。

2）调度中心应能实现对数据的采集和进行处理，安全运行的监视，屏幕显示，实时调节和控制，事故处理和恢复操作的指导，键盘操作，数据通信，系统诊断，软件培训及开发，泵站设备的维护运行管理等功能，监控程序控制实现操作票校核和检测。

3.3.2 调度中心系统结构

1）由SCADA/AGC/AVC服务器2套、光纤磁盘阵列1套、历史数据服务器2套、操作员兼工程师工作站2套、WEB服务器1套、ON-CALL工作站1套、大屏幕DLP系统1套、通讯服务器2套、1000 M集控中心网络交换机1套、路由器1套、UPS1套、打印机1台、GPS1套、防火墙1套、纵向隔离装置2套等组成调度中心计算机监控系统；各泵站的监控系统与调度中心通讯，配置了通讯服务器1套。

2）系统采用分布式体系结构。系统以局域网为核心，实现工作站和服务器的功能分担，并对数据进行分散式处理，符合技术发展的趋势。具有处理速度快、工作效率高、系统风险小等特点。

各工作站/服务器在系统中处同等地位功能，以后系统扩充不会引起现有系统较大波动，并对整个系统的不断完善提供有力条件。

在系统中，各工作站若出现故障只会对局部功能产生影响，可使整个系统功能的简单化，其可靠性可大大提高。

3）开放式的系统环境

开发应用、接口用户和系统互联的环境组成开放式环境，采用此环境系统要做到：确保用户运行硬件更新的同时，其软件能够继续使用，不同系列产品的可移植性得到解决；确保在其他计算机上的相互操作，同时用户的资源投资应得到保护；选择合适的不同品牌的硬件，使得计算机的集成性提高；经局域网将工作站/全图形服务器连接作为基础，将系统组成开放式分布系统。

4）局域网监控系统按IEEE设计，应用开放式的分布结构，光纤电缆作为网络介质，通信规约为TCP/IP，大于10/100Mbps的网络传输速率。

3.3.3 软件配置

1）系统及组态软件

工程系统软件主要包括：UNIX、Windows XP等，为了保证系统的完整与可靠，监控系统采用亚控组态软件。

2）数据库软件与关系型数据库软件

实时数据库与历史数据库应当是完全独立的、不依赖于任何第三方关系数据库（如MS SQL Server、Oracle等）的商业产品化的工业实时数据库。

关系数据库软件采用基于SQL的大型对象关系型数据库，应满足 ANSI/ISOSQL86、SQL92、SQL99 等标准，在通用性、实时性、可靠性、开放性、可扩充性和安全性具有最好的技术及国际认证。

3）核心防护软件

在操作系统的安全功能之上核心系统防护软件提供了安保层，访问方式是从内核层控制截取文件，进而加强系统的安全可靠性。防护软件支持多种操作系统功能。即使以系统管理员权限进入入侵，也不能对系统篡改和数据窃取，从根本上杜绝由于操作系统缺陷而造成的入侵。

4）信息化系统

信息化系统通过采集和收集各类流域内的信息，完成调度决策辅助模块、水力学仿真模块、计划与执行管理模块、信息发布模块等一系列调度辅助模块。根据信息化系统的特点，一些模块之间存在着相互依存的关系。因此信息化系统设计采用统一模块化，分布实施的原则。

3.3.4 多媒体会议室

目前全世界高级的数字会议是应用网络时分的复用技术，即语言进行数字化，可在电缆上实现多路的同时签到、发言、讨论、同声传译、表决、投票等会议功能。可对各类会议提供较为灵活管理等多功能。会议系统的核心是控制设备。

3.4 视频监视系统

视频监视系统主要分为工业视频监视系统和安防视频监视系统。对于安防视频监视系统集中显示和存储在调度中心。

方案的构成本着实现“无人值守，少人值班”的控制模式，并充分考虑了系统实用性、先进性、可靠性和系统可扩展性的需要。

方案采用了基于模拟视频和数字视频相结合的组成方式，使系统既具有模拟视频图像质量好、实时性强的特点，又具备网络数字视频应用广泛、使用和存储方便等方面的特性。

3.4.1 工业视频监视系统

1）系统功能

在输水工程中视频监控实际业务主要是在工作现场安装摄像机，以实现远程状态下观测工作人员工作情况和设备安全运行状况。在控制室内安装视频监测系统工作站和相关控制设备，实时视频录像服务器是系统核心，摄像机所有信号传输给它，并进行相应的录像和数字化处理，与监控系统相连。应用云台就可以对对摄像机的光学参数、方向等功能进行控制。

通过客户端或Web方式监控软件，远程用户即可实现远程管理和监控。

2）监视内容

工业视频监视系统包括四座泵站视频监视系统、19座闸室视频监视系统。

3.4.2 安防视频监控

安防系统由出入口控制、入侵报警、视频监视系统组成。

1）视频监视系统

采用模拟传输、数字存储、电缆与光缆相结合，实现调度中心安防。

在建筑物制高点安装带有云台、变焦镜头的彩色一体化摄像机。在大楼入口、楼道等安装摄像机。

监视功能：在安防工作站、分站上对整个监视区域进行监视。

录像功能：可以采用同步录像、定时录像和视频报警触发录像。

远程监控系统配有逆向解码主机、同步录像存储器、智能矩阵、视频分配器、专用键盘及软件等。

2）监视内容

拟在每处泵站室外布置2个安防摄像头，合计8个摄像头；在调度中心设置8个摄像头。工程合计布置16个摄像头。

3）出入口控制系统

识读式出入口控制系统由识读（显示）装置、传输网络、管理控制器、记录设备、执行机构等组成。识读式系统的各类识别装置、执行机构应保证操作的有效性和可靠性，应有防尾随措施。对非法进入的行为，应发出报警信号，以及疏散、紧急逃生的有关规定。识读式系统应具有人员的出入时间、地点、顺序等数据设置、显示、记录、查询和打印等功能，时间误差应在±10 s以内，并有防篡改、防销毁等措施。

4 结论

西范灌区东扩工程信息化管理可实现各个监控点的监控管理，可以使得工程在管理中实现“无人值守，少人值班，高效管理”的控制模式，最终实现对各泵站、各调节阀的远方控制，提高工程运行效益。