港口抽黄灌区梯级泵站联合调度信息系统应用研究

(陕西省地下水管理监测局，陕西 西安 710003)

陕西省有两百多个中小型灌区，大部分灌区存在梯级泵站输水的情况，目前泵站信息化建设大多处于自动化阶段，对于怎么进行联调联控目前还处于研究阶段，在某些灌区也进行了试点建设尝试，但由于建设单位都是以自动化建设为要务，如何管好水、用好水方面没有进行过水力学、机电设备方面的考虑，所以效果不佳。当前绝大多数灌区的站群信息化都是以泵站为单元进行的自动化建设，在进行泵站自动化建设中没有进行灌区级别的信息化考量，故此，存在站与站之间的流量衔接关系不够明晰，各个泵站之间的停启泵时间基本依赖人工操作，这就给生产带来一定风险并增加了管理难度。如何解决这个问题成为了摆在灌区信息化方面的一个显著的难点

本文以陕西省内的港口灌区为例，进行各级泵站之间乃至整个站群的联调联控，以解决在大型灌区、中型灌区及需要长距离输水时候的水量调度的问题。

1 港口抽黄灌区信息化建设现状

港口抽黄灌区共建成各级(最高5级)泵站13座，3个灌溉管理站，管理设施面积7 200 m2，安装抽水机组50台套，总装机容量2.63万 kw，累计最高扬程294.57 m，加权平均扬程256 m。水源站港口站设在黄河潼关水文站上游800 m处，引水流量为7.15 m3/s，备用水源站零级站位于港口站上游2 km处，引水流量3.38 m3/s，泵站运行情况良好。港口灌区在前多年的信息化建设过程中，已经实现了各个泵站的自动化。该信息化主要集中在单个泵站的自动化建设，经过多个厂家的建设，目前已经能够做到泵站的数据采集、远程测控、统计报表以及报警管理。但是要成为一套完善的梯级泵站联调、联控的信息化平台，还有很多工作需要进行。借助于已有信息化基础，充分考虑梯级泵站联调、联控信息平台建设，争取实现研究范围内所有泵站的联调、联控，努力将港口灌区打造为一个技术先进、管理规范的灌区信息化平台。

灌区的水费和生产成本倒挂，实现对水量进行合理分配，对能耗进行有效调节，对设备运转进行适时控制，以达到现代化灌区的基本要求。同时在联调联控的基础上实现灌区的精细化管理，实现从需水到配水，从人工操作到电子化管理，从模糊概念到数字管理的一系列现代化管理措施。以期做到灌溉管理方面的实时性和有效性。同时在经济指标性能的基础上，进一步监测设备的生产运转情况，将安全生产和经济运行相结合，打造一个经济运转、可靠运行、管理先进的现代化灌区。

2 梯级泵站联合调度信息系统研究内容

该系统主要建成以灌区管理局为中心，覆盖灌区各管理站和信息点，集遥测、遥信、遥调和遥控为一体的水资源利用和管理网络，借助信息化系统，通过对泵站的联控、联调，优化灌溉水资源的配置，最终实现灌溉增效，可持续发展的目标。主要是要基于信息化基础上，充分利用现有自动化成果，搭建一套既能满足现有需求，又要考虑后期建设；既要适应现代管理人员基本情况，又要采用新型信息化技术。在整体规划的基础上进行分步实施，以保证现有信息化成果和后期现代化灌区的要求(图1)。

图1 梯级泵站联合调度信息系统总体布置图

2.1 信息平台建设

按照陕西省水利信息化顶层设计，结合港口抽黄灌区发展实际，以更加关注标准化规范化、资源共享利用、统一平台建立、最新技术应用、安全措施增强、服务能力提升为出发点，基于面向服务的SOA架构，充分发挥物联网、视联网、云计算、大数据、智能化、可视化等新技术的作用，构建港口抽黄灌区信息化总体结构。

港口抽黄灌区信息化逻辑层次框架由物联网络层、基础设施层(IaaS)、数据管理层(DaaS)、支撑平台层(PaaS)、应用服务层(SaaS)，安全保障、运维管理、标准规范、政策法规体系所构成，如图2所示。

图2 港口抽黄灌区信息化逻辑层次框架

以物联网、视联网、基础设施技术为基础，按照统一标准、广泛的感知手段、泛在的通信网络，逐步建成完善的水利信息化综合监控体系。

以云计算技术为基础，建设以灌区数据中心为核心的基础设施公用云平台，推进灌区基础设施平台建设。

以大数据技术为基础，满足全灌区水利数据资源共享、数据分析挖掘服务，以满足灌区各项业务需求。

基于面向服务的SOA架构，建设面向全灌区业务系统的云平台，满足各类水利信息资源、通用业务应用组件的高度共享，以及部署灌区业务与事务管理信息化系统的需求。

以中等粒度、可广泛复用、具有独立应用功能的组件开发为基础，逐步形成应用组件资源库和灌区业务应用构建模型库，基于“一张图”，建立可定制、可重组的个性化服务系统，全面满足宏观决策、微观分析、服务公众的应用需求。

2.2 站级网络通信

根据港口现场情况，目前各个泵站自动化建设已经建成，但是各级泵站之间没有有效的通信手段，所以解决通信问题是本次信息化建设的基础，需要将各个泵站的信息化相关联，为联控联调打下良好的通信基础。通信建设主要将零级站、一级站、望远沟站、试验站、凹里站、李家庄站等六个提水泵张进行光纤对接。

2.3 站级联调联控

关于大型梯级泵站优化调度的研究由来己久，但是受理论方法、计算能力等方面的限制，相关研究大多集中于以抽水成本(抽水电费)最小为目标建立优化调度模型，模型相对简单，求解算法也不够准确，且往往侧重于抽水成本是否经济，对工程运行安全性以及工程运行的维修成本等方面涉及较少。而大型梯级泵站调度运行的合理性不仅仅涉及到工程运营的经济性，对沿线管渠的安全性和水泵机组本身的工作效率、使用寿命等也具有一定程度的影响。调度运行的失误不仅容易引起工程沿线流量变化，导致水力过渡过程现象出现，轻则致使渠道水位骤升、骤降，造成渠道衬砌破坏、渠道滑坡、漫提，重则可能毁闸、淹没泵房；同时，以抽水成本为目标的优化调度模型，在一定程度上将导致机组频繁启动以及运行工况的频繁变化，加剧了机组振动，恶化了运行条件，这不仅增加了机组启动失败几率，加剧了机组零部件的损耗，缩短了水泵使用寿命，也提高了机组故障几率，增加了维修成本。

基于数字通信网络，对各级泵站数据进行接入，接入数据内容包含：水泵运行数据、机电设备数据、视频监视图像等，同时建立以调度为目标的视频会商系统。同时解决各站之间的语音通话问题，建设数字语音通信系统，使得控制中心与各级泵站实现可靠的语音通信。梯级泵站运行需要解决的最突出的问题就是各级泵站之间的调配水关系，如果解决不好这个问题，那么会给生产带来安全风险和经济性能低下，在本次建设中充分考虑各个泵站之间的调配水关系和泵站点击运行情况，在数据采集的基础上结合灌区用水需求，使得各个泵站处于高效、安全的运行曲线范围内。

2.4 业务应用软件

信息化建设除了进行设备数据的采集、远程控制之外，他的内涵主要体现在业务应用软件层面。

业务应用涉及到管理平台、信息采集、泵站调度等方面的业务软件建设，各软件须基于SOA架构，形成统一访问接口，业务软件除了满足自身功能需求意外，须能够相互之间进行灵活的数据接口访问机制。

2.5 应用环境搭建

应用环境涉及到中心建设、分站建设等方面的内容。应用环境建设主要承载各个系统的运行保障任务。要能够满足各个部门工作人员的工作需求和灌区的宣传需求。满足管理局中心承载着调度中心的需求，在规划上考虑大屏、沙盘、视频会商能够有机结合，为灌区日常工作提供一个功能强大的数据及调度中心(图3)。

图3 数据及调度中心规划图

3 泵站与站群调度系统关键技术分析

泵站与站群调度系统是根据各需水单位的用水申请计划，综合考虑干渠调水的联合运用，制定调水计划和实时调度指令，并通过监控系统实施水量调度管理。要实现供水目标，需要对全线进行用水管理站群进行统一的调度和运行管理。

系统功能主要分为基本应用功能和高级应用功能两部分，其中基本应用功能是指数据采集、人机交互、报表日志、系统管理等为系统提供底层应用平台的功能，高级应用功能则是基于基本应用功能之上的实现水电联合优化调度的专业性决策支持系统。

支持系统主要考虑以下几方面的要素：节能降耗、节约水资源、安全生产、应急处理等。

节能降耗主要根据各级泵站的需水情况进行水电联和考虑，根据当地电力情况进行错峰抽水。在需水时间、需水量一定的情况下对各个泵站进行水量调配，同时考虑设备运转情况，进行泵站操作指令适时下发。

节约水资源主要根据需水情况，适量抽水，在综合考虑作物需水、气象要素、机电设备等各方面要素的情况下对泵组开机台数及开机时长进行优化，利用水力模型计算进行调配，使得各级泵站做到“零弃水”。

安全生产主要是对于各个机电设备的运行参数进行分析，对于采集到的机电设备电压、电流、转子温度、噪音等参数进行分析，要使各个机电设备都运行在经济曲线之内。并对各机电设备在运行状况不佳的情况下采取及时检修。

应急处理是各个灌区所需要考虑的关键要素，系统建立起一套完善的应急处理智库，为各种应急状况提供有效的经验支持，并对各种模型进行指标评价，逐步积累灌区应急指挥知识库，为后期应急方案提供有力的数据支撑。

4 技术和经济环境效益分析

4.1 经济效益分析

(1)科学调配，节约用水。实施灌区泵站站群联调、联控系统，是灌区实现动态计划用水、科学调配、提高经济效益的重要途径。系统的实施可显著提高干渠的有效水利用系数、扩大灌溉面积、提高年生产效益。

(2)节能降耗，增加效益。在对于各个泵站运行参数采集的基础上，对各个机组运行状况进行数学分析，根据每台机组的能耗进行变频操作，同时使得各台机组运行在最佳工况下，以节约设备单耗，降低单方水的能源消耗。

(3)优化水沙调度方案，减少干渠泥沙淤积。灌区在引黄河水的同时，必然会引入大量泥沙，造成输水干渠泥沙淤积严重，影响了灌区效益的正常发挥。该方案的研究可对渠道运行状况实时监测，进行趋势分析，通过管理软件可进行优化配水，提供最佳的水沙调配方案，实现远距离输沙，减少干渠泥沙淤积，节约清淤费用及人力，为灌区带来巨大的经济和社会效益。

4.2 社会效益分析

以洪涝灾害频发、水资源紧缺、生态环境恶化、水土流失严重为特征的水问题已制约了水资源的可持续利用。通过水资源的联调、联控和优化调度，从而实现减少水污染、提高江河水体自净化能力、合理配置生活、生态和工农业用水的目标，加强水资源的调控能力，提高水资源可持续利用水平。

4.3 环境效益分析

随着气候变暖、降雨减少、人类活动的增加，水资源短缺状况在不断加剧。水资源禀赋的变化和极端事件的发生，对灌区供水、粮食安全、水环境质量等构成严重威胁，多次采用临时水资源调度或管制应急措施。由于水资源缺乏统一的现代化管理，各自为政，在实行计划供水和节约用水时，缺乏必要的科学化、定量化管理手段，造成大水漫灌、无序引水、无度引水等现象。通过现代高科技手段，建设水资源管理系统，实现增加可供水量、提高水资源利用率、改善生态环境的目标，为通过水资源的有效利用促进环境逐步改善，生态逐步恢复的灌区生态发展规划提供有力支撑。

5 结语

通过对港口灌区泵站站群的联调、联控及信息化系统的研究，为灌区供水管理提供科学的信息、实施平台支撑和应急响应体系，及时监测水资源的变化，掌握和协调国民经济用水，制定供水应急措施，减缓气候变化和其他人为因素导致的水资源变化对人民日常生活的不利影响，提高了快速反应能力，从而减少灾害损失。本工程的实施将加强灌区管理处、调度管理分中心与各泵站之间信息的互通，加强管理调度中心对各泵站的直接管理，特别是对泵站合理化调度提供有力的数据支撑，由此而产生的经济效益、社会效益将是巨大的。

(1)能实时掌握水情状况，为灌区工程的正常运行提供了第一手资料。众所周知，水位的陡涨陡落、超标准的冒险运行都将对渠堤工程造成负面影响，尤其是渠堤不允许有溢水现象发生，一旦出现渠水溢堤的现象，将会导致溃堤事故，造成的后果是不堪设想的。在信息技术不发达的年代，调度人员、管理人员控制灌区工程的正常运行比较困难。应用信息系统以后，可实时掌握灌区各控制断面的水位变化状况以及各测站的降雨过程，为调度人员的安全调度提供了依据，有利于灌区工程的防汛保安，能有效地防止因运行不当而导致溃堤等影响区内自然环境、生态环境及社会安定的恶性事件的发生。

(2)通过工情信息采集，能及时掌握工程的病变状况，为制定维修和治理方案提供依据，做到提前预防和治理，避免或减少因工程隐患而导致渠道停水失修现象的发生。由于能及时发现工程的异常现象，从而可以采取切实措施防止灌区工程突发性事件的发生。信息化技术的应用，能较好地收集灌区重要建筑物的运行数据，掌握其运行状况，为制定建筑物的维修养护计划提供依据。这三个方面的共同结果，均是提高灌区工程正常运行的保证率，减少灌区工程停水抢修的机率，有利于确保灌区工程效益的发挥，这对于提高灌区工程社会环境效益将起到极大的作用。

(3)灌区水管理信息化系统的建立与应用，对于提高灌区水利工程的社会环境效益有着积极的作用。要实现灌区水资源优化配置、优化调度、优化利用的水管理目标，需要应用系统工程学理论。而系统工程技术也只有在环境条件非常清楚的情况下才能确定其最优方案。显而易见，要实现优化的水管理目标，灌区管理人员必须要及时掌握灌区水资源状况、工程运行状况、气象状况、农作物需水状况、各用户对水资源的需求状况等基本资料。这在人工管理手段的条件下是无法做到的，只有应用现代信息技术才能满足这一管理条件。水资源优化配置、优化调度、优化利用的结果，不仅提高了灌区工程的社会效益，而且提高了水管单位的内部经济效益。可见，灌区水管理信息化系统的应用，对区内社会环境的正面影响是可观的。

(4)通过信息系统的应用推进灌区建设与管理人员的IT水平，进而提高建设与管理的效率。信息技术在灌区水管理工作中的应用，是信息技术与水管理技术有机结合的体现。处于信息化时代的管理人员，如果不掌握或基本掌握相应信息技术，就难以适应现代灌区管理的要求。随着灌区改革的深入，竞争机制的引进，新技术的应用，水管理人员的素质将会得到全面的提高。在管理人员素质提高的情况下，灌区水管理水平也会相应地提高。