沈 云 晉成龍

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，信息化已經(jīng)提升到國家戰(zhàn)略高度，以信息化驅(qū)動現(xiàn)代化始終貫穿我國現(xiàn)代化建設(shè)的進程。水利部在《加快推進新時代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》中指出要全方位推進智慧水利建設(shè)，大幅提升水利信息化水平。水閘自動控制系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為水利信息化的基礎(chǔ)設(shè)施，為防汛、抗旱、水工程安全運行等方面提供有力保障，同時也為水資源開發(fā)利用、水利監(jiān)督等業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐，進一步保障各項水利工作高效、可靠開展。

2 工程現(xiàn)狀

二級壩水利樞紐工程位于江蘇、山東兩省交界，屬大Ⅰ型工程，設(shè)計洪水標準為50年一遇。主要建筑物包括攔湖大壩、溢流壩、南水北調(diào)工程二級壩泵站、微山二線船閘、第一節(jié)制閘、第二節(jié)制閘、第三節(jié)制閘、第四節(jié)制閘等，其中4 座水閘（以下簡稱一閘、二閘、三閘、四閘）總長2140.31m，共312 孔，目前四閘已經(jīng)棄用。

2.1 一閘自動化設(shè)施

一閘共39 孔閘門，于1998年除險加固完成，目前僅能在現(xiàn)地進行控制，其中僅19 孔閘門可按預(yù)置位開閉并顯示其開度，其余20 孔無此功能，未設(shè)置集中控制層和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，二級壩樞紐管理局無法掌握一閘的實時工情信息，導(dǎo)致二級壩樞紐一閘、二閘、三閘的整體運行管理時效性出現(xiàn)偏差。

2.2 二閘自動化設(shè)施

二閘共55 孔閘門，根據(jù)水利部水總〔2004〕417號文《關(guān)于南四湖二級壩第二節(jié)制閘加固改造工程初步設(shè)計報告的批復(fù)》批準對該閘進行加固，同時完成自動化改造，可實現(xiàn)對閘門的集中控制和現(xiàn)地控制。

2.3 三閘自動化設(shè)施

三閘共84 孔閘門，根據(jù)淮委規(guī)計〔2005〕244號文《關(guān)于南四湖二級壩第三節(jié)制閘自動監(jiān)控系統(tǒng)工程初步設(shè)計的批復(fù)》批準對該閘進行自動化改造，可實現(xiàn)對閘門的集中控制和現(xiàn)地控制。

2.4 二級壩樞紐管理局自動化設(shè)施

管理局現(xiàn)狀自動化設(shè)施包括日常辦公系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，兩個系統(tǒng)共用一張網(wǎng)，且具備手機端工情APP 功能。由于辦公系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)，且APP 功能通過內(nèi)、外網(wǎng)連通實現(xiàn)，信息安全方面存在較大隱患，同時遠控層現(xiàn)狀已癱瘓，設(shè)備大部分已損壞。

3 二級壩樞紐自動化系統(tǒng)設(shè)計方案

2019年2月，水利部以《南四湖二級壩除險加固工程初步設(shè)計報告準予行政許可決定書》（水許可決〔2019〕12 號）準予工程行政許可，批準對一閘自動化系統(tǒng)及電氣設(shè)備、管理局監(jiān)控通信系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)進行更新改造，增設(shè)安全監(jiān)測設(shè)施等。

3.1 設(shè)計范圍

二級壩樞紐自動化控制系統(tǒng)布置在二級壩樞紐監(jiān)控中心，主要涵蓋一閘、二閘、三閘。

二級壩樞紐監(jiān)控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用二級控制方式：監(jiān)控中心遠程控制方式、水閘現(xiàn)地集中控制方式。根據(jù)控制方式，二級壩樞紐自動化控制系統(tǒng)分為監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和上傳，實現(xiàn)對各閘門的自動監(jiān)測和監(jiān)控，并為上級防洪調(diào)度管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成調(diào)度指揮系統(tǒng)的調(diào)度指令，同時根據(jù)監(jiān)控的需要，采集必要的水位、流量等數(shù)據(jù)。

對于新建的一閘現(xiàn)地計算機監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)實現(xiàn)與監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能；對于目前已經(jīng)完成的二閘、三閘的現(xiàn)地水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)補充其與監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)的接口設(shè)計。同時一閘、二閘、三閘的現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)配置實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。

3.2 系統(tǒng)需求

3.2.1 各層級功能需求

監(jiān)控中心遠程監(jiān)控系統(tǒng)、水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)功能需求如表1。

表1 各層級對水閘監(jiān)控系統(tǒng)功能需求表

3.2.2 數(shù)據(jù)需求

（1）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

采集的監(jiān)控信息主要包括：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)、開啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護、荷重保護、相序故障、PLC 狀態(tài)等。

（2）具體要求

①水閘信息采集應(yīng)能以毫秒級精度完成實時運行信息和控制信息采集，并進行匯集、處理、存儲。

②要求有完善的安全機制，保證對閘門運行及控制的安全。

③要求有完善安全的訪問機制、訪問接口和信息流程，應(yīng)對上級系統(tǒng)訪問。

3.3 總體結(jié)構(gòu)

二閘和三閘現(xiàn)狀均有計算機監(jiān)控系統(tǒng)，為實現(xiàn)遠程監(jiān)控，分別在二閘、三閘的中控室各增設(shè)1 臺數(shù)據(jù)庫訪問客戶機，將各站點接入監(jiān)控中心遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照監(jiān)控中心和現(xiàn)地監(jiān)控站二層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，各層功能按其運行管理范圍確定，各級的控制權(quán)限以近設(shè)備端為最高。系統(tǒng)設(shè)計為分層分布式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)既可接收上級命令實施監(jiān)控操作，又可脫網(wǎng)獨立運行，部分設(shè)備的損壞，不影響全部系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)故障不影響現(xiàn)地單元的獨立操作，確保系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)總體拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

3.4 數(shù)據(jù)存儲

3.4.1 二級壩樞紐水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫對采集及處理過的實時數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對系統(tǒng)中模擬量數(shù)據(jù)（原始輸入信號或中間計算值）和開關(guān)量進行連續(xù)記錄。記錄的數(shù)據(jù)支持實時趨勢曲線顯示，能夠在實時趨勢曲線上選擇顯示任何一個點的數(shù)值、時間等參數(shù)。

3.4.2 二級壩樞紐水閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)建立歷史數(shù)據(jù)庫，能夠存儲系統(tǒng)中主要的輸入信號（水位、流量、閘門開度等）以及重要的中間計算數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)能夠存儲30 天的歷史數(shù)據(jù)，作為整個監(jiān)控中心的公用數(shù)據(jù)庫。

歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)記錄與存儲應(yīng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多種檢索方式，如歷史趨勢曲線、日報表、月報表、事件查詢等，以滿足用戶的不同需求。

歷史數(shù)據(jù)庫可通過程序設(shè)置實現(xiàn)自動清理、備份等功能。

3.5 系統(tǒng)功能

3.5.1 數(shù)據(jù)接收與處理

一閘、二閘、三閘的數(shù)據(jù)信號，在現(xiàn)地端經(jīng)處理、計算、分析、統(tǒng)計后，按照統(tǒng)一要求的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送到監(jiān)控中心遠程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后，存入對應(yīng)水閘現(xiàn)地系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，所有數(shù)據(jù)要求長期保存。

（1）實時數(shù)據(jù)接口

監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行監(jiān)視界面實時顯示當前遠程監(jiān)控對象的狀態(tài)，對數(shù)據(jù)接收、傳輸?shù)乃俣群桶踩煽啃砸蠛芨?，在監(jiān)控中心遠程監(jiān)控系統(tǒng)同水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸時，為監(jiān)控平臺系統(tǒng)配置標準的通訊接口軟件，以保證監(jiān)控系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行。

（2）歷史數(shù)據(jù)接口

對于接收到的數(shù)據(jù)進行存儲，形成歷史數(shù)據(jù)是水利系統(tǒng)運行調(diào)度的基礎(chǔ)之一，調(diào)度系統(tǒng)通過對大量存儲的歷史數(shù)據(jù)進行計算、分析、統(tǒng)計，以便及時作出調(diào)度決策，因此遠程監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的接收除了對實時性要求高之外，對歷史數(shù)據(jù)的完整性要求也相當高，任何原因的數(shù)據(jù)丟失都將造成分析結(jié)果的不準確，甚至導(dǎo)致調(diào)度的誤判、指令的錯誤。因此，水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)要對上傳的數(shù)據(jù)進行本地存儲，當網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時再將數(shù)據(jù)重新發(fā)送，對于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)是連續(xù)而完整的。

3.5.2 事故和報警報告

（1）事故（事件）和報警處理

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

各水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)按照統(tǒng)一格式對事故（事件）和報警記錄進行發(fā)送，監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)對于接收到的各監(jiān)控站的所有事件和報警應(yīng)按日期和時間順序列表，并按規(guī)定格式產(chǎn)生報警報告。

（2）SOE 數(shù)據(jù)采集

各水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)對于存儲在各現(xiàn)地LCU 內(nèi)的事件順序記錄（SOE）按照統(tǒng)一格式進行處理，保存到現(xiàn)地數(shù)據(jù)庫中。LCU 儲存的SOE 信息中記錄著帶有時標的事件狀態(tài)變化。

（3）開關(guān)跳閘報警

各水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到斷路器跳閘時，實時記錄報警，并傳輸?shù)竭h程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)在接收到該跳閘信號報警后，立即顯示在遠程監(jiān)控界面上顯示，給出相應(yīng)的音響告警和報警信號，并提供報警可能對水量調(diào)度的影響和處理方案。

3.5.3 調(diào)度指令下達

調(diào)度系統(tǒng)將調(diào)度指令下達到水閘各現(xiàn)地監(jiān)控點；各監(jiān)控站點將對這些調(diào)度方案再做優(yōu)化，確定各閘門開度值等，變?yōu)閷﹂l門設(shè)備的控制指令，并完成閘門上升/下降操作、閘門開度調(diào)節(jié)。

3.5.4 報表生成和打印

監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用高效、便于使用的軟件生成和打印來自實時控制和歷史資料庫的報表。

3.6 通信

遠程監(jiān)控系統(tǒng)配有必要的用于本計算機系統(tǒng)內(nèi)部和外圍設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)和通訊設(shè)備。還配置與其他系統(tǒng)和下屬子系統(tǒng)之間的通信設(shè)備和接口。

監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有與局域網(wǎng)上各節(jié)點、各監(jiān)控站點監(jiān)控系統(tǒng)、上級部門及其他部門通信的功能。

3.7 計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

各水閘現(xiàn)地計算機監(jiān)控系統(tǒng)中控室工控計算機上均設(shè)置防病毒軟件。

監(jiān)控中心遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置工業(yè)級防火墻、網(wǎng)閘、工業(yè)監(jiān)測審計平臺、安全統(tǒng)一管理平臺、工控主機衛(wèi)士等安全防護措施。

4 結(jié)語

二級壩樞紐自動化控制系統(tǒng)的建設(shè)完善了二級壩樞紐的水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施，極大地提高了二級壩的自動化集成度和信息化水平，同時本系統(tǒng)為南四湖和沂沭泗流域的水資源管理、防汛調(diào)度等提供實時有效的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)服務(wù)■