葉江南，曹明偉

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080;2.中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都611130)

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 可行性、可靠性第一的原則

深入了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和監(jiān)控對(duì)象特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、軟件編寫、系統(tǒng)集成、軟硬件測(cè)試、設(shè)備安裝、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等過程必須遵循可行性、可靠性第一的原則。

1.2 實(shí)用性與先進(jìn)性相統(tǒng)一的原則

堅(jiān)持“在實(shí)用條件下力求先進(jìn)”的主導(dǎo)思想。結(jié)合水庫自然條件的特點(diǎn)，以及水閘、抽水站等供排水設(shè)施的具體情況，選擇國內(nèi)外先進(jìn)而實(shí)用的科學(xué)技術(shù)和軟硬件產(chǎn)品。

1.3 適應(yīng)水利信息化發(fā)展趨勢(shì)和要求

順應(yīng)數(shù)字化演示、數(shù)字化調(diào)配、數(shù)字化管理的發(fā)展方向，滿足信息發(fā)布和資源共享等信息化要求。

1.4 系統(tǒng)應(yīng)具有操作簡單與標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)

系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)考慮到操作方便、易學(xué)、直觀等方面，必須具有友好的人機(jī)界面和智能操作，同時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)應(yīng)遵循行業(yè)主管部門的有關(guān)規(guī)范或規(guī)定。系統(tǒng)各功能部件、安裝方式、標(biāo)識(shí)標(biāo)志等盡量統(tǒng)一并符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 系統(tǒng)具有開放性和可擴(kuò)展性

系統(tǒng)采用的技術(shù)方案須適應(yīng)系統(tǒng)擴(kuò)展和未來技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，最大限度地減少重復(fù)投資和資源浪費(fèi)，保障業(yè)主的投資效益。

1.6 系統(tǒng)應(yīng)具有完善的故障診斷功能和可靠的安

全性能

故障診斷系統(tǒng)應(yīng)具有軟件、硬件故障報(bào)警功能，同時(shí)還應(yīng)提供報(bào)警記錄和打印功能。故障診斷系統(tǒng)可提供故障區(qū)域、故障類型、故障時(shí)間、故障排除方法、故障恢復(fù)等信息。

系統(tǒng)安全是保障可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，除有效的網(wǎng)絡(luò)安全外，還包括抗雷電、抗強(qiáng)電、抗電磁干擾、防盜、防破壞等保護(hù)措施。

2 建設(shè)目標(biāo)與任務(wù)

紅旗泡水庫作為尼爾基水利樞紐配套項(xiàng)目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程的重要組成，紅旗泡水庫管理所是北引綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的樞紐節(jié)點(diǎn)(分控中心)。

系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)是:實(shí)現(xiàn)紅旗泡水庫全庫區(qū)視頻監(jiān)控、同時(shí)監(jiān)測(cè)水庫水位及進(jìn)出流量及水庫管理所的局域網(wǎng)改造［1］。

具體建設(shè)任務(wù)如下:

1)工程監(jiān)控:實(shí)現(xiàn)泵站、渠道的流量及水庫水位監(jiān)測(cè)。

2)視頻監(jiān)視:全庫區(qū)視頻監(jiān)視。

3)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)。

4)水庫管理所的局域網(wǎng)改造。

5)水庫管理所、管理站及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的電源及防雷接地設(shè)施。

6)建設(shè)環(huán)湖光纜通道。

3 系統(tǒng)建設(shè)需求分析

3.1 水源地保護(hù)需求

由于安達(dá)市早已出現(xiàn)供水緊張情況，紅旗泡水庫已列入安達(dá)市供水水源地，據(jù)《安達(dá)市供水工程可行性研究報(bào)告》中描述，“根據(jù)庫區(qū)水質(zhì)的要求，參照《黑龍江省飲用水源保護(hù)區(qū)劃分與防護(hù)的實(shí)施辦法》，將紅旗泡水庫引水口薩爾圖分干上溯1km、兩岸外延0.1km 范圍，庫周圍外延0.1km 的陸域劃分為一級(jí)水源保護(hù)區(qū)?！?/p>

在《安達(dá)市供水工程可行性研究報(bào)告》中對(duì)一級(jí)水源地保護(hù)措施的要求如下:

1)在水庫周圍人員活動(dòng)頻繁的區(qū)域加裝防護(hù)網(wǎng)，防止人類活動(dòng)污染水庫水質(zhì)。

2)禁止新建擴(kuò)建與供水設(shè)施和保護(hù)水源無關(guān)的建設(shè)項(xiàng)目。

3)禁止向水域排放污水、傾倒工業(yè)廢渣、城市垃圾等。

4)禁止在灘地和岸坡及飲用水渠沿岸堆放存儲(chǔ)固體廢棄物和其它導(dǎo)致水體污染的物質(zhì)。

5)不得在水體內(nèi)清洗車輛、衣物和其它器具。

6)禁止從事種植、放養(yǎng)禽畜，嚴(yán)格控制網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動(dòng)。

7)禁止游泳、水上訓(xùn)練，露營、野炊等可能污染水源的體育和娛樂活動(dòng)，

8)禁止毒魚、炸魚、電魚;禁止使用毒藥和高殘留農(nóng)藥。

現(xiàn)水庫庫區(qū)僅完成部分防護(hù)網(wǎng)，具備少部分湖面的視頻監(jiān)視能力。為實(shí)現(xiàn)對(duì)水源地的有效保護(hù)有必要建設(shè)水庫水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及全庫區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等工程設(shè)施，監(jiān)測(cè)水源地的水質(zhì)及視頻監(jiān)視主要路口、路面、庫面巡測(cè)及周邊環(huán)境，并對(duì)傳入者實(shí)施錄像取證及語音驅(qū)離。

3.2 工程監(jiān)控需求

紅旗泡水庫樞紐工程包括:大壩、薩爾圖分干進(jìn)水閘、泄水閘、北湖補(bǔ)水閘。此外有大慶市所屬大型抽水泵站(石化泵站)1 處，安達(dá)供水泵站1 處。

大壩為均質(zhì)土壩，全長16.67 km，分主壩和東、西副壩。主壩長3 478 m，最大壩高5.36 m，迎水面坡為渣油混凝土8 cm墊層，5 cm厚瀝青砂漿坐漿。上層用30×25×25 cm3的料石護(hù)砌，縫隙灌注瀝青砂漿。西副壩全長9 445 m，最大壩高3.71 m，迎水面有5 080 m長直接采用20 cm 厚的渣油混凝土護(hù)坡，其余為土緩坡，草皮護(hù)砌。東副壩全長3 750 m，最大壩高2.5 m，迎水面少部分采用厚度15 cm渣油混凝土護(hù)砌，大部分是土緩坡，用草皮子護(hù)砌。

泄水通過尾水渠注入北二十里泡，進(jìn)入閉流區(qū)排水系統(tǒng)，而后泄入松花江。

紅旗水庫為安達(dá)市及大慶石化總廠等多地多單位提供水源，供水保證率要求很高，并且全年運(yùn)行。

3.2.1 工程監(jiān)控現(xiàn)狀

1)紅旗泵站及安達(dá)供水泵站的流量未實(shí)施監(jiān)控，現(xiàn)為企業(yè)自報(bào)流量，水庫對(duì)企業(yè)實(shí)際用水量無法實(shí)施有效計(jì)量。

2)水庫水位為人工測(cè)量。

3)泄洪閘手動(dòng)控制，泄洪流量無計(jì)量。

4)進(jìn)水閘為電動(dòng)閘門，無遠(yuǎn)動(dòng)功能。

3.2.2 工程監(jiān)控需求

受業(yè)主委托現(xiàn)工程監(jiān)控需求為:①自動(dòng)監(jiān)測(cè)2處泵站流量;②自動(dòng)監(jiān)測(cè)水庫水位;③進(jìn)水閘實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;④泄洪閘實(shí)現(xiàn)電動(dòng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，并監(jiān)測(cè)泄洪流量。

3.3 工程管理需求

3.3.1 綜合信息管理平臺(tái)的需求分析

管理單位的財(cái)務(wù)、人事、檔案、后勤、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等行政事務(wù)管理。

3.3.2 地理信息技術(shù)應(yīng)用需求分析

水庫擁有較多的水源工程、灌排渠系、量測(cè)站點(diǎn)等建筑物，采用先進(jìn)的地理信息技術(shù)，提高水庫工程圖紙的應(yīng)用水平。

3.3.3 工情信息管理應(yīng)用需求分析

對(duì)于分布在廣闊的地域上的水利工程設(shè)施，傳統(tǒng)的手工管理無法表現(xiàn)水利設(shè)施的空間信息，即使基于紙質(zhì)地圖，在水利設(shè)施工情信息的空間分布方面也缺乏足夠的表現(xiàn)力。這對(duì)渠道、閘門等水利建筑物的數(shù)據(jù)維護(hù)管理工作、水資源的合理調(diào)度帶來了極大的不便。而且針對(duì)工程設(shè)施的信息查詢(如物理屬性、位置屬性、維修記錄等)和進(jìn)行專題地圖的劃分與應(yīng)用都難以實(shí)現(xiàn)。因此，為了提高灌區(qū)的工程管理水平，需要進(jìn)行灌區(qū)工情地理信息系統(tǒng)的建設(shè)。

3.3.4 水量計(jì)量業(yè)務(wù)應(yīng)用需求分析

水量計(jì)量是水源地水庫的基本業(yè)務(wù)之一。

3.4 系統(tǒng)性能需求

3.4.1 正確率

1)信號(hào)傳輸正確率≥99%。

2)遙控正確率≥99%。

3.4.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性指標(biāo)

1)非電氣模擬量(如水位、流量等)＜5S。

2)電氣模擬量(如電壓、電流等)＜3S。

3)控制命令回答響應(yīng)時(shí)間＜2S。

4)調(diào)節(jié)命令回答響應(yīng)時(shí)間＜3S。

5)故障信號(hào)及報(bào)警事件產(chǎn)生到畫面顯示＜2S。

6)參數(shù)越限及復(fù)限報(bào)警響應(yīng)時(shí)間＜5S。

3.4.3 遙測(cè)終端RTU 實(shí)時(shí)性指標(biāo)

1)數(shù)據(jù)采用周期≤2S。

2)D 轉(zhuǎn)換時(shí)間≤10mS。

3.4.4 主站實(shí)時(shí)性指標(biāo)

畫面調(diào)用響應(yīng)時(shí)間85%畫面≤3S，其它≤5S。

畫面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新周期≤5S。

視頻圖像掃描周期≥20 Hz/s。

電子顯示屏數(shù)據(jù)刷新時(shí)間≤3S。

3.4.5 計(jì)算機(jī)的CPU 負(fù)荷率

1)正常狀態(tài)下任意30min 內(nèi)＜60%。

2)突發(fā)任務(wù)時(shí)10S 內(nèi)＜80%。

3.4.6 LAN 負(fù)荷率

1)正常狀態(tài)下任意30min 內(nèi)＜20%。

2)突發(fā)任務(wù)時(shí)10S 內(nèi)＜40%。

3.4.7 可維護(hù)性

平均維護(hù)修復(fù)時(shí)間＜4h。

3.4.8 安全性

對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的每個(gè)功能和動(dòng)作提供檢查和校核，當(dāng)動(dòng)作有誤時(shí)，終止動(dòng)作并報(bào)警。

3.4.9 可擴(kuò)性

1)I/O 模塊預(yù)留10%的備用量。

2)CPU 負(fù)載率＜50%。

3.5 系統(tǒng)安全需求

系統(tǒng)應(yīng)保證:①管理安全;②通信、網(wǎng)絡(luò)安全;③設(shè)備安全;④防雷接地。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)以水位、流量、水質(zhì)等信息采集、閘站控制、視頻監(jiān)視為基礎(chǔ);以計(jì)算機(jī)及通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為支撐;以綜合數(shù)據(jù)庫、各功能軟件和應(yīng)用軟件為核心，建成一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、功能豐富、可靠實(shí)用、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水決策支持、實(shí)時(shí)水量調(diào)度、供水信息管理、供水安全與工程安全預(yù)警，構(gòu)筑集水利信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、共享、分析和應(yīng)用一體化的管控平臺(tái)，全面實(shí)現(xiàn)水庫運(yùn)行管理的數(shù)字化與自動(dòng)化，為工程的現(xiàn)代化管理提供先進(jìn)技術(shù)手段和設(shè)施。

該工程為水利工程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，根據(jù)建設(shè)目標(biāo)與任務(wù)本系統(tǒng)分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、水情工情監(jiān)控系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控站配電系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)等七個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

采用第三代視頻安防監(jiān)控技術(shù)，將工程監(jiān)測(cè)及安全監(jiān)測(cè)統(tǒng)一設(shè)置，并利用光纜線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。工程共布置視頻監(jiān)控站20 個(gè)，覆蓋全庫區(qū)。視頻信息采用集中存儲(chǔ)策略，存儲(chǔ)于控制中心的硬盤陣列內(nèi)，存儲(chǔ)時(shí)間6 個(gè)月。

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

建設(shè)環(huán)湖光纜工程，采用單模鎧裝光纜敷設(shè)、連接所有監(jiān)控站及管理站，光纜全長約39 km，沿水庫外側(cè)壩坡直埋敷設(shè)。

4.3 局域網(wǎng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)局域網(wǎng)承載所有視頻數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，紅旗水庫網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用核心交換、接入層交換雙層架構(gòu)體系，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形，采用千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為核心進(jìn)行組建。局域網(wǎng)通過防火墻及路由器同大慶北引工程管理處進(jìn)行連接，連接速率1000Mb/S。

4.4 水情工情監(jiān)控系統(tǒng)

采用分層分布式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地層、控制中心2層控制。通過網(wǎng)絡(luò)及PLC 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程范圍內(nèi)對(duì)大慶石化泵站、引嫰入安泵站流量監(jiān)測(cè)，對(duì)水庫排水閘門的水位、閘位、流量監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)水庫水位，控制閘門啟閉。

4.5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用在線監(jiān)測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)置水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水溫、溶解氧、pH 值、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等9 項(xiàng)。

4.6 監(jiān)控站配電系統(tǒng)

視頻監(jiān)控站及閘站的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.7 防雷接地系統(tǒng)

水庫管理所、管理站、監(jiān)控站、閘站的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.紅旗泡水庫綜合自動(dòng)化設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.