山东省黄水东调工程调度运行管理系统

袁 东 ，徐永兵 ，闫士秋 ，张文博

（1. 山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014；2. 山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250014；3. 山东省水文局，山东 济南 250014）

0 引言

为了缓解山东省潍坊、威海、青岛、烟台等市的供水紧缺，山东省委省政府紧急启动了黄水东调工程，黄水东调即在东营市引黄河水向东调入潍坊、威海、青岛、烟台等市，包括应急一期和二期工程。该工程对缓解四市水资源供需矛盾，优化山东半岛地区水资源配置，保障其经济社会可持续发展具有重要意义。应急一期和二期工程从黄河年调引水量为 4.52亿 m3，年供水量为 3.15亿 m3。工程利用原有麻湾引黄泵站，同时新建曹店引黄、曹店入沉沙池、麻湾入沉沙池、入广南水库、一期加压、二期加压等泵站。工程规模为大（1）型，工程等别为 I 等。

工程为长距离调水工程，主要利用干渠、管道、闸站、泵站、水库、阀站实现调水。调度覆盖单体建筑物较多，其中一期泵站6座、水库1座、明渠7座节制闸、管道沿线2座闸站、37 座阀站；二期泵站1座，管道沿线1座闸站、40 座阀站。调水需要调度的单体建筑物较多，工况复杂，调度运行管理系统的建设是十分必要的。

1 需求分析

1.1 功能分析

根据工程调度特点，结合业务流程，功能需求为整体水量统一调度，全工程调水联动自动控制，保障调水，快速响应特殊事件，支撑调度会商决策与工程运行安全。

1.2 信息采集需求分析

包括沿线干渠、水库、管道的水情信息，以及泵站、阀站、闸站运行信息和视频采集。其中，泵（闸）站、阀站运行信息采集系统的功能是对泵站运行状态信息进行采集传输和处理。运行状态信息包括泵站上下游水位、机组启闭开度和抽水量、闸门开高和过闸流量、辅助系统设备和变电所设备、阀站闸阀的控制运行状态信息等，从而实现对泵、闸、阀运行状态的监控，保证水泵机组、水闸正常运行。根据黄水东调应急工程建设分工，泵站、阀站运行信息采集前端设备（包括 PLC、水位计、流量计、闸位计等）由计算机监控工程建设完成。由于泵站、闸阀站运行信息采集系统与计算机监控系统密切相关，因此泵站运行信息采集纳入计算机监控系统中进行统一设计。

视频信息采集是对泵站、阀站工程各设备的运行状态、管理区安全状况、上下游水面状况进行实时监视的系统。根据黄水东调应急工程建设分工，视频前端设备（包括摄像头、编解码器、现地存储设备等）由视频监视工程建设完成。

1.3 数据需求分析

根据对通信自动化系统的功能分析，数据需求包括水量调度、计算机监控、水情、视频监视等数据。

1.3.1 水量调度数据需求

根据水量调度功能分析，水量调度主要完成水量调度计划制定、执行监控和应急及结果分析反馈等功能，包括水量调度计划制定、实时水量调度、水量统计和水费计算等数据需求。

1.3.2 计算机监控数据需求

输水沿线参与控制的有7座泵站、1 座水库、10 座闸站和77座阀站。每个站点采集的信息内容和具体要求如下：泵站运行状态、闸站水位、闸门启闭状态、开度、荷重、关键点位流量，阀站电动蝶阀状态、电流、电压、PLC 各种数据和故障等信息。

具体需要实现以下要求：1）实时完成泵站、闸站、阀站运行和控制信息采集，采集时间控制在秒级；2）实时采集、汇集、处理、存储泵站、闸站、阀站运行相关数据；3）有可靠的安全机制，保证对闸门（泵机）、阀门控制的安全；4）有灵活的访问机制、接口及完善的数据流程，同时具备上联能力。

1.3.3 水情监测数据需求

水情监测数据需求主要包括干渠、泵站出口、重要交水断面水量和输水干线周边水文等信息。

1.3.4 工程管理数据需求

主要包括2种数据需求：1）工程维护数据需求，包括工程人工巡查信息。2）工程防洪数据需求，主要包括干渠凌情、交叉河流水文气象、闸站水位流量、流域和市县的洪水预报、交叉河流上相关的工程险情等信息。

1.3.5 视频监视数据需求

输水渠上参与生产运行的闸站、阀站、水库、泵站和其它控制站作为采集站点，每个站点采集的信息内容和具体要求为：视频监视系统应能实时完成闸阀（泵）站视频信息采集，实时采集闸阀（泵）站的图像，有健全的控制机制，协调对闸阀门（泵机）和摄像头的控制，实时采集所需视频信息。

2 系统设计

2.1 总体框架

以需求分析为基础，本着避免重复建设的原则，根据总体功能，综合考虑与胶东调水工程联合调度需要，采用先进、科学的信息与管理技术[1-2]，形成山东省黄水东调工程调度运行管理系统的总体框架。系统总体框架如图1所示。

2.2 工程管理综合信息系统

工程管理综合信息系统采用 SOA 架构，包括应用系统、数据资源管理系统、应用支撑平台。应用系统为调水提供各种应用服务，支撑日常的运行维护，提高了管理效率和质量，包含工程运行维护、OA、水量调度和工程档案管理系统。数据资源管理系统是整个调度运行管理等系统的数据管理平台，所有数据在这里集中和处理，为各个系统提供数据资源，是整个系统数据处理中心，为各个系统的计算和应用提供基础。应用支撑平台为各个系统提供统一的跨系统支撑，最主要包括中间件等，是各个系统的底层支撑，各系统通过应用支撑平台进行数据、消息等的传递，保障了各个系统之间的互联和互通，实现了逻辑的大统一，形成了标准化的资源。

2.3 信息采集

黄水东调工程的信息采集是整个调度运行管理系统的基础[3]，采用物联网技术，运用物联网控制与智能运维一体化系统，完成各系统信息的采集、传送、整理、分析和管理。采集来源分为自动、人工及与外部系统进行数据交换。自动采集主要包括工程运行、水情、工程安全和视频等信息[4]，所有的终端都进入物联网控制与智能运维一体化系统，有效控制了信息采集的效果与功能稳定。

2.4 计算机监控系统

计算机监控系统对沿线的闸、阀和泵站进行实时自动监控，实现调水自动化[5]。本系统由远程和现地站监控系统组成，是自动化调水和保证调水工程安全运行的核心，采用国产主流计算机监控软件，保障调水运行核心系统自主可控，建设实时库和历史库，创新地采用排程控制系统，把调水命令通过模型自动计算后直接下达到每个泵站，安排每台泵的变频控制，从而达到精细化控制的目的，大大节约了能源，实现了调度的真正自动化。计算机监控系统总体架构如图2所示。

2.5 视频监视系统

利用视频监视、视频传输、数据存储、数据压缩等技术建设覆盖各级机构的实时图像监视和安防监控系统，可以实时掌握现地闸和泵站的环境、输水、水泵、阀站运行情况，从而到达科学调度、精确计量的目的。

图1 山东省黄水东调工程调度运行管理系统总体框图

图2 计算机监控系统总体架构图

黄水东调应急工程视频监视系统设计充分考虑相关部门的使用要求，按照多级中心管理架构建设，实现集散式控制要求，分为二级架构，由总调度中心、泵站及闸站视频监控系统构成。

第一级为沿线闸阀站、泵站视频监视系统。负责闸站现地的实时监视，设存储及监控设备，能就地观看，经视频传输网络传至管理视频监控系统的网络交换机。

第二级为总调度中心。主要完成对各泵站视频信息的分类处理与备份，对输水沿线的各泵站、重要闸站、阀站关键位置进行视频监视和远程监控。

二级之间通过设在综合管理平台控制视频控制权限和图像浏览。视频监视系统拓扑如图3所示。

2.6 计算机网络系统

计算机网络系统是信息采集、应用、泵站和阀站监控、数据资源及管理和应用支撑平台等系统的信息承载平台，是系统之间数据传输的平台。根据传输信息的重要性，承载信息的分析，网络流量、流向分析和安全需求不同，本工程网络分为业务内网、控制专网。为了保障网络同步运行与安全，建设时间同步和网络安全系统。2个网间采用网闸，通过数据库进行交换数据，保障了数据的实时性与安全性。网络承载各类系统如图4所示。

图3 视频监视系统拓扑图

图4 网络承载各类系统示意图

控制专网功能是承载最高实时性和最强安全性需求的泵、闸、阀站计算机监控系统。业务内网功能是承载视频、综合办公、各种其他应用等。

2.7 综合通信网络系统

通信系统是整个调度运行管理系统的基础，主要由传输系统、通信光缆、时钟同步及综合网管等部分组成[6]，实施中采用基于 SDH 技术的多通道、高效率的大容量 MSTP 设备进行组网，组成2个相切环网，大大加强了系统的安全稳定性。

黄水东调应急工程通信自动化系统信息传输距离跨度大、节点多、信息量大，根据信息流量与流向，同时兼顾灵活性和扩展性，黄水东调应急工程通信传输系统按骨干层（主干网络）和接入层2层结构组建。

1）骨干层主要由总调、泵站、管理站等节点之间组建的网络构成，其网络节点虽少，但传输容量较大，对容量和可靠性要求较高，经综合比较后采用环形结构，用来完成各节点之间高效、可靠的大数据流传输。

2）接入层主要由骨干层下辖的现地闸、阀站、泵站管辖设备建筑物单体及与骨干层节点间连接（接入网络）的网络构成，负责本站业务的接入和汇聚及转接区域内业务接入电路，需要较强的汇聚和较稳定的接入等能力。二级网络主要由工业应用级传输平台组建成环网，负责完成工程沿线的各个密集分布的现地站到业务汇聚节点信息的接入和汇聚上传任务。

2.8 调度电话系统

调度电话系统是实现全线调度中心、泵站、管理站所、闸阀站统一语音调度和辅助行政语音通话的重要保障，分为调度和行政办公系统。

本项目站点比较分散，阀站有专用光纤网络覆盖，因此采用 VOIP 技术等方式实现本工程语音系统的功能。

3 结语

山东省黄水东调工程调度运行管理系统为整个调水工程运行和维护打下坚实的基础。系统基本实现了“无人值班，有人值守”的调水功能，所有泵站及闸阀站在调度中心实现了远程监视与控制，有效地支持了调水决策，工程运行安全得到了保障，运行提高了效率，减少所需人员，水量调度实现了有计划有规范，人机交互友好，调水模型和控制互为依赖，办公实现了无纸化，流程清晰[7]。集泵站群的渠道和管道结合输水工程对调度运行管理系统的需求迫切，系统建成后效果十分明显，对整个工程的科学决策、现代化管理提供助力，最终实现精细配水的目标，对其他综合调水工程是非常有借鉴意义的。