楊鐵樹，張同生

（1.河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250；2.河北省辛集市水務局渠道管理處，河北 辛集052360）

1 工程概況

河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程總長度2069km，工程受水區(qū)包括石家莊、邯鄲、邢臺、保定、廊坊、滄州、衡水7個省轄市、92個縣（市）和華北油田等多個重要工業(yè)區(qū)。配套工程主要作用是補充沿線城市生活用水，兼顧部分工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水，是上述地區(qū)社會、經(jīng)濟、生活、環(huán)境等長期穩(wěn)定、健康發(fā)展的重要保障，也是南水北調(diào)中線工程效益正常發(fā)揮的關鍵環(huán)節(jié)之一。

河北省南水北調(diào)配套工程監(jiān)控系統(tǒng)包括：1個總調(diào)中心（河北水務集團）、11個干渠管理處（4個干渠管理處、7個設區(qū)市管理處）、10個區(qū)域應急調(diào)度站（其中有5個與管理處合并）及183個現(xiàn)地站（管理站）。

2 工程監(jiān)控系統(tǒng)結構設計特點

工程監(jiān)控系統(tǒng)結構設計以滿足全線統(tǒng)一調(diào)度、區(qū)域應急調(diào)度為核心，以實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控、現(xiàn)地閉環(huán)自控為重點，以達到安全輸水、優(yōu)化配水、精確調(diào)水為目標，結合工程條件、機構設置和管理要求，提出了本工程所特有的“3+1”層應用架構，“1+1”型雙網(wǎng)架構（即控制專網(wǎng)+業(yè)務內(nèi)網(wǎng)），構造出“先進、實用、安全、可靠”的工程監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 “3+1”層應用結構

3+1層應用結構是在常規(guī)調(diào)水工程監(jiān)控系統(tǒng)3層架構（即總調(diào)中心層、管理處層、現(xiàn)地監(jiān)控層）的基礎上，增設了區(qū)域應急調(diào)度層，構成了“總調(diào)中心層、管理處層、區(qū)域應急調(diào)度層和現(xiàn)地監(jiān)控層”的3+1層應用結構。該應用結構不僅解決了總調(diào)中心采用“統(tǒng)一調(diào)度、集中布署”所帶來的安全性隱患，而且彌補了管理處層僅設置監(jiān)測功能所帶來的功能性缺失。工程監(jiān)控系統(tǒng)“3+1”層應用結構如圖1。

圖1 工程監(jiān)控系統(tǒng)“3+1”層應用結構

2.1.1 總調(diào)中心層

由設于河北水務集團的總調(diào)中心和設于保滄干渠管理處的數(shù)據(jù)備份中心組成，主要實現(xiàn)整個工程監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和遠程監(jiān)控。

2.1.2 管理處層

在4個跨市干渠管理處和7個設區(qū)市管理處的監(jiān)測分中心各設置遠程終端站，以實現(xiàn)對所屬區(qū)域內(nèi)各現(xiàn)地站的監(jiān)測和管理功能，不具備控制和系統(tǒng)管理功能。

2.1.3 區(qū)域應急調(diào)度層

當總調(diào)中心故障退出時，為了提高整個配套工程的供水保證率，增設區(qū)域應急調(diào)度功能，在10個信息匯集中心（即4條干渠管理處、邯鄲市管理處、正定管理所、保定末端現(xiàn)地站、黑沙村隧洞進口閥站、傅家莊管理所、泊頭市管理所）建立區(qū)域應急調(diào)度站。

2.1.4 現(xiàn)地監(jiān)控層

在183個現(xiàn)地站（包括42個泵站、34個閘站、93個閥站、2個調(diào)壓井站和12個純管理站）配置了工控機、監(jiān)控軟件、PLC、觸摸屏、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備、控制執(zhí)行機構（裝置）、數(shù)據(jù)通信等設備，是工程監(jiān)控系統(tǒng)最基層的控制單元。

2.2 “1+1”型雙網(wǎng)結構

針對“3+1”層應用結構對其網(wǎng)絡通信所承載信息量的實時性和安全性要求不同，在總調(diào)中心層、區(qū)域應急調(diào)度層和現(xiàn)地監(jiān)控層間建立控制專網(wǎng)，以提高調(diào)度指令下達和數(shù)據(jù)信息上傳的安全性；在總調(diào)中心層和管理處層借用業(yè)務內(nèi)網(wǎng)信息通道實現(xiàn)其間的監(jiān)測信息交換，不僅節(jié)省了專網(wǎng)建設費用，而且充分利用了業(yè)務內(nèi)網(wǎng)傳輸流量大的特點。這樣需要在控制專網(wǎng)與業(yè)務內(nèi)網(wǎng)間建立信息交互通道，兩網(wǎng)間設置網(wǎng)閘以保障其數(shù)據(jù)交互的安全性。工程監(jiān)控系統(tǒng)“1+1”型雙網(wǎng)結構如圖2。

圖2 工程監(jiān)控系統(tǒng)“1+1”型雙網(wǎng)結構圖

“1+1”型雙網(wǎng)結構具備扁平化特性，在具備權限的前提下，網(wǎng)絡上的所有節(jié)點都可以相互訪問，總調(diào)中心可以直接訪問到各現(xiàn)地站，可以直接將控制指令下達到各現(xiàn)地站；各現(xiàn)地站可以直接上傳數(shù)據(jù)信息到總調(diào)中心。

3 工程監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度控制策略

3.1 調(diào)度控制策略

河北省南水北調(diào)配套工程引水點為南水北調(diào)中線總干渠的32個分水口，用水戶為分布于7個設區(qū)市的138個供水目標，工程監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度控制策略就是要解析這個以32個分水口為輸入變量、138個供水目標為輸出變量的多元函數(shù)，其最優(yōu)解就是實現(xiàn)每條輸水管線的水量供需調(diào)度平衡及整個配套工程供水目標的動態(tài)控制平衡。采用“統(tǒng)一調(diào)度”和“集中控制”是實現(xiàn)這一目標的最佳方法。

（1）正常調(diào)度控制方式采用總調(diào)中心遠程集中調(diào)度，各現(xiàn)地站按照總調(diào)中心統(tǒng)一下發(fā)的調(diào)度指令對其泵組（閘門、閥門）進行遠程控制，實現(xiàn)河北省配套工程各輸水管線的分支流量調(diào)節(jié)及整個配套工程總量平衡調(diào)節(jié)，保證138個供水目標所需用水量和32個分水口供應來水量及其二者供需總量平衡?？傉{(diào)中心具備調(diào)度控制權限和權限管理功能，各現(xiàn)地站具有控制權限。

（2）非常調(diào)度控制方式增設了區(qū)域應急調(diào)度站，當總調(diào)中心事故退出時，啟用區(qū)域應急調(diào)度站進行區(qū)域集中調(diào)度，各現(xiàn)地站按照應急調(diào)度指令對所屬泵組（閘門、閥門）進行區(qū)域應急控制，并發(fā)出告警信息。

3.2 調(diào)度控制模型

根據(jù)調(diào)度控制策略采用3種調(diào)度控制模式對各現(xiàn)地站的泵組（閘門、閥門）進行控制。各控制層的調(diào)度控制模型配置如表1。

表1 各控制層的調(diào)度控制模型及功能分布

3.2.1 總調(diào)中心集中調(diào)度監(jiān)控模式

由總調(diào)中心的水量調(diào)度系統(tǒng)向工程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)度控制指令，經(jīng)當班調(diào)度人員確認，下發(fā)至各現(xiàn)地站，并分解為各泵組（閘門、閥門）可執(zhí)行的控制信號，以完成各現(xiàn)地站控制參數(shù)（如流量、壓力、水位等）的遠程調(diào)度監(jiān)控。這是正常情況下的基本控制模式。

3.2.2 現(xiàn)地站自我閉環(huán)控制模式

各現(xiàn)地站根據(jù)總調(diào)中心水量調(diào)度系統(tǒng)下達的供水計劃或目標任務進行自適應調(diào)節(jié)控制。現(xiàn)地站也可通過人工輸入控制目標，由PLC控制系統(tǒng)自動完成并保持當前控制目標，直至控制目標的再次改變。這種控制模式也是基本的控制模式。

3.2.3 區(qū)域應急調(diào)度監(jiān)測模式

在總調(diào)中心非正常情況下，通過10個區(qū)域應急調(diào)度站對其所屬區(qū)域內(nèi)的泵組（閘門、閥門）下達調(diào)度計劃和分解任務，此時現(xiàn)地站采取現(xiàn)地模式進行控制。

3.3 調(diào)度控制功能分布

各控制層調(diào)度控制模型的布設主要表現(xiàn)于不同功能的分布。各控制層的功能分布如表1。

（1）總調(diào)中心和區(qū)域應急調(diào)度站具有調(diào)度功能。上級控制層以行政命令或調(diào)度指令方式向各現(xiàn)地站下達供水目標值，各現(xiàn)地站將現(xiàn)場供水信息及運行工況上傳上級控制層。總調(diào)中心還具有操作配置和安全管理功能。

（2）總調(diào)中心和現(xiàn)地站具有控制功能。通過監(jiān)控服務自動下發(fā)各現(xiàn)地站的實時操作控制命令，自動上傳執(zhí)行結果，并通過對執(zhí)行結果的再次判斷，實時修正控制指令，以閉環(huán)控制方式達到供水目標的自動調(diào)控。

（3）各控制層均具有監(jiān)測功能。通過監(jiān)控服務實時采集現(xiàn)場PLC的數(shù)據(jù)，在各監(jiān)控層平臺界面上實時顯示。

4 工程監(jiān)控系統(tǒng)存儲機制

4.1 數(shù)據(jù)分級存儲

4.1.1 過程數(shù)據(jù)一級存儲

過程數(shù)據(jù)存儲采用一級分層存儲機制?？傉{(diào)中心、數(shù)據(jù)備份中心及區(qū)域應急調(diào)度站存儲所有泵（閘、閥）產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)到實時數(shù)據(jù)庫服務器。過程數(shù)據(jù)存儲周期為1年。

對于過程數(shù)據(jù)，在總調(diào)中心和數(shù)據(jù)備份中心都配置有實時監(jiān)控與通訊接口服務器，實時采集到的數(shù)據(jù)自動實時保存到服務器上的實時數(shù)據(jù)庫中。

4.1.2 特征數(shù)據(jù)兩級存儲

特征數(shù)據(jù)存儲采用兩級分層存儲機制，特征數(shù)據(jù)庫分別位于總調(diào)中心及區(qū)域應急調(diào)度站、現(xiàn)地站。這種存儲機制既可保證數(shù)據(jù)安全，又便于用戶的查詢、統(tǒng)計和分析。

總調(diào)中心及數(shù)據(jù)備份中心存儲所有泵（閘、閥）站產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)到歷史數(shù)據(jù)庫服務器。區(qū)域應急調(diào)度站存儲所轄所有現(xiàn)地站產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)到區(qū)域應急工作站?，F(xiàn)地站（配置了工控機的現(xiàn)地站）存儲本站產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)到工控機。特征數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小，存儲周期為5年。

4.2 數(shù)據(jù)庫分層配置

在總調(diào)中心設置兩臺安裝有ORCAL數(shù)據(jù)庫的服務器，在數(shù)據(jù)備份中心設有一臺安裝ORCAL數(shù)據(jù)庫的服務器，正常情況下，監(jiān)控服務分別向總調(diào)中心和數(shù)據(jù)備份中心的一臺數(shù)據(jù)庫服務器上進行存儲特征數(shù)據(jù)，總調(diào)中心的兩臺數(shù)據(jù)庫服務器之間具有同步功能。工程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分層配置如圖3。

圖3 工程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分層配置

在區(qū)域應急調(diào)度站上，設有兩臺應急工作站，均部署MySQL數(shù)據(jù)庫。正常情況下，主控機的監(jiān)控服務向本機數(shù)據(jù)庫中保存特征數(shù)據(jù)，當主控機的監(jiān)控服務出現(xiàn)異常時，備用機向本機數(shù)據(jù)庫中存儲特征數(shù)據(jù)；主、備機之間MySQL數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)同步功能，以保證主、備機數(shù)據(jù)一致性。

在現(xiàn)地泵站設有兩臺監(jiān)控計算機，在主控機上部署SERVER歷史數(shù)據(jù)庫；正常情況下，主控機的監(jiān)控服務向數(shù)據(jù)庫中保存特征數(shù)據(jù)，當主控機的監(jiān)控服務出現(xiàn)異常時，備用機向數(shù)據(jù)庫中存儲特征數(shù)據(jù)。

5 結語

河北省南水北調(diào)配套工程所獨有的多引水點、多供水目標、無中間調(diào)蓄的樹枝狀配水網(wǎng)絡系統(tǒng)，給工程監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度控制提出了更新、更高的要求，通過多方工程調(diào)研和理論研究，提出了多種比選方案并優(yōu)化論證，最終構造了一個先進、實用、安全、可靠的配套工程監(jiān)控系統(tǒng)。在結構設計上適應了監(jiān)控層次的設置需求，在調(diào)度模型上滿足了監(jiān)控功能的應用需求，在存儲機制上保證了數(shù)據(jù)調(diào)用的安全需求。

這進一步說明：一個工程監(jiān)控系統(tǒng)的設計應首先進行受控對象的功能需求分析，其次選定一個適合主體工程層次要求的結構設計，再次針對工程特點建立調(diào)度控制模型和數(shù)據(jù)存儲機制，并反復進行過程調(diào)優(yōu)和自適應性檢驗，最終完成工程監(jiān)控系統(tǒng)的整體性設計。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程自動化系統(tǒng)初步設計報告［R］.2014.

［2］合肥三立自動化工程有限公司.河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程自動化系統(tǒng)工程監(jiān)控系統(tǒng)集成標第二次設計聯(lián)絡會匯報材料［R］.2015.

［3］DL/T5065—2009，水力發(fā)電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計技術規(guī)范［S］.

［4］NB/T35004—2013，中華人民共和國國家能源局［S］.

［5］DL/T 5003—2005，電力系統(tǒng)調(diào)度自動化設計技術規(guī)范［S］.

［6］GB/T 17176—1997，信息技術開放系統(tǒng)互聯(lián)應用層結構［S］.