許 軍

（寧夏回族自治區(qū)固海揚水管理處，寧夏 中寧 755100）

0 引言

寧夏扶貧揚黃供水工程是西北干旱地區(qū)重要的扶貧攻堅水資源保障工程。長期以來，泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用自建光纖傳輸數據的方式已無法滿足水利現代化的可持續(xù)發(fā)展要求。近年來隨著互聯網技術的迅猛發(fā)展，互聯網所具備的大容量、高帶寬和高可靠性的數據傳輸特點，為國民經濟發(fā)展提供了實時、安全和可靠的數據傳輸網絡。各種基于“互聯網 +”的數字化生產管理方式層出不窮，采用“互聯網 +”的信息化建設模式已成為當前國家信息化重要的研究內容和發(fā)展方向。因此圍繞“互聯網 + 梯級揚水泵站”的建設思路，依托寧夏地區(qū)電子政務公網和數據云平臺的社會公共資源，積極研究探索，建立以電子政務公網為網絡干線的專用虛擬數據傳輸系統(tǒng)[1]，建成以水利云為平臺為數據中心的寧夏固海揚黃梯級泵站自動化遠程控制系統(tǒng)。

1 泵站遠程控制數據傳輸和存儲

1.1 數據傳輸和存儲

1.1.1 數據傳輸通道

基于電子政務公網，使用 MPLS VPN（多協(xié)議標簽交換虛擬專用網絡）和 VLAN（虛擬局域網）等技術，將寧夏固海揚水工程各基層站所、調度中心和省級水利管理部門的生產辦公業(yè)務與自動化監(jiān)控網絡劃分為不同的 VPN 網絡，使不同層級和各部門辦公系統(tǒng)共享同一物理網絡，但在邏輯上相互隔離。通過這種方式建立水利專網（語音、視頻傳輸）、自動化遠程監(jiān)控、信息化業(yè)務數據和移動互聯網傳輸等 4 個數據傳輸虛擬通道（如圖 1 所示），確保每個通道為獨立的傳輸通道，且具有固定傳輸帶寬，不會由于各通道發(fā)生問題或數據阻塞而影響其它業(yè)務功能。

1.1.2 數據傳輸路徑

傳輸網絡基于電子政務網絡傳輸，實現站點網絡—鄉(xiāng)鎮(zhèn)公網—縣市公網—省級中心的傳輸路徑，實現多環(huán)網的數據傳輸，當某一節(jié)點發(fā)生問題時不會影響整體網絡運行，極大地提高了網絡可靠性。寧夏回族自治區(qū)電子政務網拓撲結構如圖 2 所示。

1.1.3 數據管理和存儲

將泵站各類自動化監(jiān)控及灌區(qū)各類自動化監(jiān)測的數據集中存儲于水利云平臺，改變傳統(tǒng)的監(jiān)測數據分散存儲的模式，實現各類數據的集中存儲、處理，信息資源的共享和數據的備份等功能。

圖 1 泵站遠程控制傳輸網絡通道

圖 2 寧夏回族自治區(qū)電子政務網絡拓撲結構圖

1.2 調度級遠程監(jiān)控

調度級遠程監(jiān)控以自動化遠程監(jiān)控網絡為基礎，與各泵站站級綜合自動化系統(tǒng)實現無縫對接，能自動將站級各類數據信息向調度中心傳輸，達到調度中心對各基層站所監(jiān)控信息的同步顯示和實時控制的目的，實現梯級泵站的遠程自動化調度管理。

1.2.1 網絡安全要求

使用電子政務網絡進行遠程泵站自動化監(jiān)控，網絡安全是需要著重考慮的內容。為加強自動化遠程控制的網絡安全，防止通過電子政務網絡（互聯網）對自動化監(jiān)控系統(tǒng)的入侵，主要通過以下 4 個方面對網絡強化安全進行防護：

1）通過電子政務公網將不同的功能系統(tǒng)劃分為不同的 VPN 網絡，使各功能通信網絡共享同一物理網絡，但是在邏輯上相互隔離，實現與互聯網的隔離，降低外部入侵。

2）在局域網（同一 VPN 通道）內劃分不同的分子網，對應地在交換機、路由器上建立 VLAN，使每個 VLAN 互相之間在邏輯上都是邏輯隔離的，使通信網絡內外網實現物理隔離；同時依托電子政務外網（移動）提供綜合業(yè)務、水利專網、自動化的 VPN 邏輯通道，組成內網。

3）對于泵站和調度中心的辦公業(yè)務系統(tǒng)（互聯網）和自動化監(jiān)控網絡通道之間的數據交換，設置網閘實現自動化監(jiān)控數據和其它網絡數據的交換隔離及單向傳輸。

4）在泵站和調度中心網絡與互聯網之間加裝防火墻和入侵檢測設備，強化網絡安全防護。通過網絡安全設計，在網絡等保測試中，經第三方測評，能滿足等保三級的安全要求。

1.2.2 實時性要求

基于電子政務網絡的泵站自動化遠程監(jiān)控網絡，在數據傳輸的實時性和可靠性方面，能夠將泵站的水量和電氣運行數據、故障報警信息、運行數據報表，實時在調度中心與泵站同步顯示，經試驗延時不大于 2 s，完全能滿足調度中心對遠端泵站的實時監(jiān)控要求。

1.2.3 遠程調度安全模式要求

為保證控制權限的安全性，實現分層、分級式控制功能，確?？刂瓢踩煽?，調度中心自動化監(jiān)控系統(tǒng)共設置就地、現地、泵站和調度中心 4 個控制層，其中就地控制的控制權限為最高級，調度中心控制層為最低級，其它控制層權限依次降低，每次控制必須經前一級授權，方可執(zhí)行控制，這樣可將控制安全風險降至最低，實現金字塔式控制模式。

1.2.4 調度控制權限要求

利用電子政務網絡進行泵站自動化遠程控制是本研究的重要內容，在保證網絡安全的情況下，對調度級遠程控制進行權限的設置和對控制命令執(zhí)行情況的反饋校驗，防止誤操作的發(fā)生，是保證調度級控制可靠性、安全性的基礎。設置流程如圖 3 所示。

圖 3 泵站遠程控制權限配置

對調度級控制權限設置分析如下：

1）將泵站現地級被控制設備遠方控制操作信號，作為調度級控制的第一級授權操作的條件。

2）在泵站控制室監(jiān)控計算機軟件上，由現地監(jiān)控人員進行調度級授權，作為調度級控制現場第二級容許控制授權條件。

3）在調度級監(jiān)控計算機上，對現場被控制設備的遠方容許操作信號和泵站控制室監(jiān)控人員授權容許調度級操作的授權命令，進行與關系的邏輯判斷識別，作為第三級容許控制授權，同時在現地級兩級授權的與的邏輯關系基礎上，對調度級控制進行操作和監(jiān)護人員權限的配置，授權進行調度級遠程控制。

4）為消除網絡突發(fā)問題，防止控制命令發(fā)送延時或重復發(fā)送導致設備發(fā)生誤操作事故，在泵站現地控制單元（LCU）的設備控制器（PLC）的控制程序中，對無效或延時控制命令，設置對 PLC 控制程序延時置位功能，確保調度級控制的可靠性、準確性和安全性。

1.2.5 各級控制和數據傳輸方式要求

1）現地級被控制設備控制方式。設備控制由泵站 LCU 的 PLC，通過固態(tài)繼電器硬接線方式對設備進行控制，但現地級設備遠程終端單元（RTU）采集的數據，直接由 RTU 通過自動化通信網絡傳輸到泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，提高了設備控制的安全性。

2）泵站 LCU 數據的傳輸方式。LCU 通過泵站自動化監(jiān)控網絡，同步接收泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)下達的控制命令，并同步上傳采集的數據。

3）泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)數據傳輸方式。泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)通過泵站自動化監(jiān)控局域網，實現站級對泵站各類設備的實時監(jiān)控。

4）調度中心自動化監(jiān)控系統(tǒng)數據傳輸方式。基于電子政務網絡使用 VPN 技術與泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)構建自動化遠程控制網絡，實現調度中心對泵站的實時遠程監(jiān)控。

通過設計，實現了泵站和調度中心對泵站機組設備的安全、可靠的分級控制，極大地提高了調度中心對泵站的實時監(jiān)控能力，初步實現了泵站梯級聯合調度的信息自動化管理。

2 泵站遠程控制的作用及效益

2.1 生產調度業(yè)務功能全覆蓋

西北揚黃灌區(qū)寧夏固海揚水工程，自 2010 年年初開始實施泵站綜合自動化建設，至 2018 年年初固海揚水調度中心及其業(yè)務應用系統(tǒng)建成。在接近 9 a的信息化發(fā)展歷程中，固海揚黃提灌工程管理實現了從機電運行管理到灌溉、工程、物資和安全管理的全方位信息管理，實現了從泵站到灌區(qū)信息化管理的全區(qū)域覆蓋，突破了從單站監(jiān)控到多級泵站梯級聯合調度的信息化監(jiān)控目標，信息化建設的力度不斷增強，應用的范圍不斷拓展。最終建成以固海揚黃梯級泵站調度中心為核心，以多站所為終端的固海揚水工程信息化監(jiān)控系統(tǒng)。經過近 1 a 多的試運行，目前已有 93% 的生產業(yè)務實現網絡化處理，進一步提升了水利工程信息化管理水平，降低了職工的勞動強度。

2.2 數據分析逐漸深入

基于寧夏電子政務網絡和云平臺的固海揚水工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，具有數據實時展示、大數據分析和匯總等功能，為泵站機電設備運行工況提供了實時分析能力，進一步提高了設備運行效率，降低了泵站能耗，提高了供水保障能力，可實現固海揚黃梯級泵站生產業(yè)務的全方位監(jiān)視、控制和數字化聯合調度。

2.3 效益和效果明顯

通過與傳統(tǒng)自建光纖通信網絡在投資、運維、可靠性和數據延遲性等方面的對比分析，基于電子政務網的揚水工程自動化監(jiān)控網絡，在數據傳輸可靠性、投資費用、日常維護及數據延遲性[2]等方面效果明顯，對比表如表 1 所示?？赏耆珴M足泵站遠程監(jiān)控的技術要求，網絡所具有的安全技術和措施能有效保障網絡安全[3]，為當前梯級泵站自動化的遠程監(jiān)控建設提供了一種有效的建設方案和運行管理模式。

表 1 專網和電子政務公網性能對比表

3 結語

基于電子政務網絡的泵站遠程控制的研究課題于 2018 年 4 月開始， 2019 年 4 月結束，基于電子政務網絡對泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)數據傳輸的可靠性、安全性和延時性等 3 個方面進行了研究，對今后梯級泵站遠程調度監(jiān)控具有借鑒和參考作用。研究表明，基于現有的電子政務網絡使用 VPN 等網絡技術，能滿足梯級泵站遠程監(jiān)控的要求，具有投資小、維護量低等特點?？山鉀Q以往水利業(yè)務自建數據傳輸網絡存在的可靠性低、投資大和維護困難等問題，具有系統(tǒng)建設周期短，運營社會化服務水平高[4-6]等特點，創(chuàng)造了較大的經濟效益，為“互聯網 +”在水利工程信息化建設中的應用，提供有益的借鑒。今后將重點提高網絡的安全性，以應對目前越來越多的外部網絡攻擊和數據安全等網絡安全問題，適應未來信息化萬物互聯時代，數據信息安全及水利設施安全管理的要求。基于目前建立的系統(tǒng)，下一步將重點研究對采集的實時數據利用大數據分析技術，提高數據應用深度和共享范圍，推動梯級泵站和灌溉管理的聯合智能化調度。