沈 云 晉成龍

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，信息化已經(jīng)提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，以信息化驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代化始終貫穿我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。水利部在《加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出要全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè)，大幅提升水利信息化水平。水閘自動(dòng)控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為水利信息化的基礎(chǔ)設(shè)施，為防汛、抗旱、水工程安全運(yùn)行等方面提供有力保障，同時(shí)也為水資源開(kāi)發(fā)利用、水利監(jiān)督等業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)一步保障各項(xiàng)水利工作高效、可靠開(kāi)展。

2 工程現(xiàn)狀

二級(jí)壩水利樞紐工程位于江蘇、山東兩省交界，屬大Ⅰ型工程，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。主要建筑物包括攔湖大壩、溢流壩、南水北調(diào)工程二級(jí)壩泵站、微山二線船閘、第一節(jié)制閘、第二節(jié)制閘、第三節(jié)制閘、第四節(jié)制閘等，其中4 座水閘（以下簡(jiǎn)稱一閘、二閘、三閘、四閘）總長(zhǎng)2140.31m，共312 孔，目前四閘已經(jīng)棄用。

2.1 一閘自動(dòng)化設(shè)施

一閘共39 孔閘門，于1998年除險(xiǎn)加固完成，目前僅能在現(xiàn)地進(jìn)行控制，其中僅19 孔閘門可按預(yù)置位開(kāi)閉并顯示其開(kāi)度，其余20 孔無(wú)此功能，未設(shè)置集中控制層和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，二級(jí)壩樞紐管理局無(wú)法掌握一閘的實(shí)時(shí)工情信息，導(dǎo)致二級(jí)壩樞紐一閘、二閘、三閘的整體運(yùn)行管理時(shí)效性出現(xiàn)偏差。

2.2 二閘自動(dòng)化設(shè)施

二閘共55 孔閘門，根據(jù)水利部水總〔2004〕417號(hào)文《關(guān)于南四湖二級(jí)壩第二節(jié)制閘加固改造工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告的批復(fù)》批準(zhǔn)對(duì)該閘進(jìn)行加固，同時(shí)完成自動(dòng)化改造，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的集中控制和現(xiàn)地控制。

2.3 三閘自動(dòng)化設(shè)施

三閘共84 孔閘門，根據(jù)淮委規(guī)計(jì)〔2005〕244號(hào)文《關(guān)于南四湖二級(jí)壩第三節(jié)制閘自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工程初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》批準(zhǔn)對(duì)該閘進(jìn)行自動(dòng)化改造，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的集中控制和現(xiàn)地控制。

2.4 二級(jí)壩樞紐管理局自動(dòng)化設(shè)施

管理局現(xiàn)狀自動(dòng)化設(shè)施包括日常辦公系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，兩個(gè)系統(tǒng)共用一張網(wǎng)，且具備手機(jī)端工情APP 功能。由于辦公系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)，且APP 功能通過(guò)內(nèi)、外網(wǎng)連通實(shí)現(xiàn)，信息安全方面存在較大隱患，同時(shí)遠(yuǎn)控層現(xiàn)狀已癱瘓，設(shè)備大部分已損壞。

3 二級(jí)壩樞紐自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2019年2月，水利部以《南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告準(zhǔn)予行政許可決定書》（水許可決〔2019〕12 號(hào)）準(zhǔn)予工程行政許可，批準(zhǔn)對(duì)一閘自動(dòng)化系統(tǒng)及電氣設(shè)備、管理局監(jiān)控通信系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，增設(shè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施等。

3.1 設(shè)計(jì)范圍

二級(jí)壩樞紐自動(dòng)化控制系統(tǒng)布置在二級(jí)壩樞紐監(jiān)控中心，主要涵蓋一閘、二閘、三閘。

二級(jí)壩樞紐監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用二級(jí)控制方式：監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制方式、水閘現(xiàn)地集中控制方式。根據(jù)控制方式，二級(jí)壩樞紐自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對(duì)水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)各閘門的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，并為上級(jí)防洪調(diào)度管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成調(diào)度指揮系統(tǒng)的調(diào)度指令，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控的需要，采集必要的水位、流量等數(shù)據(jù)。

對(duì)于新建的一閘現(xiàn)地計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能；對(duì)于目前已經(jīng)完成的二閘、三閘的現(xiàn)地水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)補(bǔ)充其與監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)。同時(shí)一閘、二閘、三閘的現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)配置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 系統(tǒng)需求

3.2.1 各層級(jí)功能需求

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)功能需求如表1。

表1 各層級(jí)對(duì)水閘監(jiān)控系統(tǒng)功能需求表

3.2.2 數(shù)據(jù)需求

（1）數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

采集的監(jiān)控信息主要包括：閘前水位、閘后水位、流量、閘門啟閉狀態(tài)、開(kāi)啟高度、電流、電壓、溫濕度、限位保護(hù)、荷重保護(hù)、相序故障、PLC 狀態(tài)等。

（2）具體要求

①水閘信息采集應(yīng)能以毫秒級(jí)精度完成實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和控制信息采集，并進(jìn)行匯集、處理、存儲(chǔ)。

②要求有完善的安全機(jī)制，保證對(duì)閘門運(yùn)行及控制的安全。

③要求有完善安全的訪問(wèn)機(jī)制、訪問(wèn)接口和信息流程，應(yīng)對(duì)上級(jí)系統(tǒng)訪問(wèn)。

3.3 總體結(jié)構(gòu)

二閘和三閘現(xiàn)狀均有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，分別在二閘、三閘的中控室各增設(shè)1 臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)客戶機(jī)，將各站點(diǎn)接入監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照監(jiān)控中心和現(xiàn)地監(jiān)控站二層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，各層功能按其運(yùn)行管理范圍確定，各級(jí)的控制權(quán)限以近設(shè)備端為最高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分層分布式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)既可接收上級(jí)命令實(shí)施監(jiān)控操作，又可脫網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，部分設(shè)備的損壞，不影響全部系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)故障不影響現(xiàn)地單元的獨(dú)立操作，確保系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

3.4.1 二級(jí)壩樞紐水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集及處理過(guò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中模擬量數(shù)據(jù)（原始輸入信號(hào)或中間計(jì)算值）和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行連續(xù)記錄。記錄的數(shù)據(jù)支持實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線顯示，能夠在實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線上選擇顯示任何一個(gè)點(diǎn)的數(shù)值、時(shí)間等參數(shù)。

3.4.2 二級(jí)壩樞紐水閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠存儲(chǔ)系統(tǒng)中主要的輸入信號(hào)（水位、流量、閘門開(kāi)度等）以及重要的中間計(jì)算數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)能夠存儲(chǔ)30 天的歷史數(shù)據(jù)，作為整個(gè)監(jiān)控中心的公用數(shù)據(jù)庫(kù)。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多種檢索方式，如歷史趨勢(shì)曲線、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、事件查詢等，以滿足用戶的不同需求。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)可通過(guò)程序設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理、備份等功能。

3.5 系統(tǒng)功能

3.5.1 數(shù)據(jù)接收與處理

一閘、二閘、三閘的數(shù)據(jù)信號(hào)，在現(xiàn)地端經(jīng)處理、計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)后，按照統(tǒng)一要求的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送到監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，存入對(duì)應(yīng)水閘現(xiàn)地系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，所有數(shù)據(jù)要求長(zhǎng)期保存。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)接收、傳輸?shù)乃俣群桶踩煽啃砸蠛芨?，在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)同水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，為監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口軟件，以保證監(jiān)控系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）歷史數(shù)據(jù)接口

對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，形成歷史數(shù)據(jù)是水利系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的基礎(chǔ)之一，調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)對(duì)大量存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)，以便及時(shí)作出調(diào)度決策，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的接收除了對(duì)實(shí)時(shí)性要求高之外，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的完整性要求也相當(dāng)高，任何原因的數(shù)據(jù)丟失都將造成分析結(jié)果的不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致調(diào)度的誤判、指令的錯(cuò)誤。因此，水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)要對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)再將數(shù)據(jù)重新發(fā)送，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)是連續(xù)而完整的。

3.5.2 事故和報(bào)警報(bào)告

（1）事故（事件）和報(bào)警處理

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

各水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)按照統(tǒng)一格式對(duì)事故（事件）和報(bào)警記錄進(jìn)行發(fā)送，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于接收到的各監(jiān)控站的所有事件和報(bào)警應(yīng)按日期和時(shí)間順序列表，并按規(guī)定格式產(chǎn)生報(bào)警報(bào)告。

（2）SOE 數(shù)據(jù)采集

各水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于存儲(chǔ)在各現(xiàn)地LCU 內(nèi)的事件順序記錄（SOE）按照統(tǒng)一格式進(jìn)行處理，保存到現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。LCU 儲(chǔ)存的SOE 信息中記錄著帶有時(shí)標(biāo)的事件狀態(tài)變化。

（3）開(kāi)關(guān)跳閘報(bào)警

各水閘現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到斷路器跳閘時(shí)，實(shí)時(shí)記錄報(bào)警，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在接收到該跳閘信號(hào)報(bào)警后，立即顯示在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面上顯示，給出相應(yīng)的音響告警和報(bào)警信號(hào)，并提供報(bào)警可能對(duì)水量調(diào)度的影響和處理方案。

3.5.3 調(diào)度指令下達(dá)

調(diào)度系統(tǒng)將調(diào)度指令下達(dá)到水閘各現(xiàn)地監(jiān)控點(diǎn)；各監(jiān)控站點(diǎn)將對(duì)這些調(diào)度方案再做優(yōu)化，確定各閘門開(kāi)度值等，變?yōu)閷?duì)閘門設(shè)備的控制指令，并完成閘門上升/下降操作、閘門開(kāi)度調(diào)節(jié)。

3.5.4 報(bào)表生成和打印

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用高效、便于使用的軟件生成和打印來(lái)自實(shí)時(shí)控制和歷史資料庫(kù)的報(bào)表。

3.6 通信

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配有必要的用于本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部和外圍設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)和通訊設(shè)備。還配置與其他系統(tǒng)和下屬子系統(tǒng)之間的通信設(shè)備和接口。

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有與局域網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)、各監(jiān)控站點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、上級(jí)部門及其他部門通信的功能。

3.7 計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

各水閘現(xiàn)地計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中控室工控計(jì)算機(jī)上均設(shè)置防病毒軟件。

監(jiān)控中心遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置工業(yè)級(jí)防火墻、網(wǎng)閘、工業(yè)監(jiān)測(cè)審計(jì)平臺(tái)、安全統(tǒng)一管理平臺(tái)、工控主機(jī)衛(wèi)士等安全防護(hù)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

二級(jí)壩樞紐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)完善了二級(jí)壩樞紐的水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施，極大地提高了二級(jí)壩的自動(dòng)化集成度和信息化水平，同時(shí)本系統(tǒng)為南四湖和沂沭泗流域的水資源管理、防汛調(diào)度等提供實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)服務(wù)■