中心涌泵閘站集群調度系統建設方案研究

摘要：水利信息化技術是水利行業現代化發展的必要手段，也是水利現代化發展的基礎設施。本文系結合掛影洲圍中心涌水環境綜合整治示范工程，對包括新舊閘站的中心涌泵閘站集群調度控制系統對建設方案進行了比對分析，依據“經濟實用、安全可靠、技術先進”的原則選擇了具體的實施方案。通過實施科學的調度和統一的管理，加強對流域范圍內的水害防治和水資源管理力度，實現引水活源、降低泵閘站運行成本、提高水利工程運行調度管理水平。

關鍵詞：水環境；綜合整治；泵閘站；集群調度系統

引言

隨著信息科技在水利建設各個工程里的普及應用，人們逐漸認識到信息技術潛在的利用價值。如今，水利信息化已經成為支撐及確保水利改革發展的關鍵，推動水利信息化發展已經成為一項關乎水利發展全局的戰略性任務之一。水利信息化，是指在水利全行業普遍應用現代通信、計算機網絡等先進的信息技術，充分利用現代信息技術，深入開發和廣泛利用水利信息資源，實現水利信息采集、傳輸、存儲、處理和服務的網絡化與智能化，全面提升水利事業活動的效率和效能[1]。水利信息化起步于20世紀70年代，當時主要是圍繞水情信息匯總、處理展開的。從1979～1980年開始，水文信息化開始一些信息源的處理。20世紀90年代前后，水利信息化逐步向以微機和網絡為平臺轉型。2001年水利部黨組確立了“以水利信息化帶動水利現代化”的發展思路，同年召開的全國水利信息化工作座談會將水利信息化建設定名為“金水工程”，2001年是水利信息化建設標志性的一年。到2003年《全國水利信息化規劃》正式出臺，標志著全國水利信息化的全面展開。目前在防汛抗旱、水文系統、水土保持監測系統、水資源調度等方面取得了一定的成績[2]。

泵閘站信息化是水利信息化的綜合體現，而泵閘站調度系統的建設正是我國大力推進水利信息化的重要組成部分[3]。泵閘站信息化建設的目標是：運用先進的數據采集、傳輸和處理手段，初步建立一個覆蓋整個泵閘站群及相關地區，以信息采集系統為基礎、通信傳輸系統為保障、計算機網絡系統為依托、決策支持系統為核心的，能夠提高泵閘站管理水平、促進泵閘站技術優化和提高用水效率的水利關系信息系統，為泵閘站群水資源的優化配置和合理利用提供調度運行決策支持。目前，針對單一泵閘站的“單泵閘控制”調度系統效率低下，已經不能滿足科學管理的要求。為了更好的發揮水閘泵站管理效率，提升水閘泵站的現代化管理水平，需要結合相關的優化調度模型與自動化控制調度系統建立一個集自動化和智能化控制于一體的集群調度管理控制系統[4]。本文結合實際工程案例，探討泵閘站集群調度系統建設方案。

1 泵閘站集群調度系統構成

1.1系統構成

本文所述泵閘站集群調度系統的工程范圍為掛影洲圍中心涌水流域。根據工程要求，中心涌泵閘站集群調度系統包括一個調度中心與一個調度分中心。調度中心下轄10座水閘，其中2座為新建、8座為已建舊閘；調度分中心下轄7座新建水閘和1座新建泵站。中心與分中心網絡互聯，中心為分中心的上級調度機構。本泵閘站集群調度系統的主要任務是：以流域管轄范圍內的已建或擬建泵閘站為監控對象，以調度中心為主中心、調度分中心為副中心，建成一套“經濟實用，安全可靠，技術先進，易于維護，擴展性強”的水利泵、閘站群聯合調度系統。實現流域內以引水活源為目的、泵閘站運行控制集群化、管理信息化、日常維護專業化的目標，并實現水利工程動態工情的網絡化。最終提高水利工程運行的科學性、安全性和可靠性；提高水利工程的管理效率和管理水平，適應某區域水利現代化和城市化的整體要求。

調度中心及調度分中心的系統分別由管理服務器、計算機監控工作站、圖像監視工作站、存儲設備、以太網、UPS等設備組成。調度分中心通過光纖與調度中心連接，調度中心只對調度分中心控制范圍內的泵閘站進行數據采集及監視。調度（分）中心與遠程泵、閘站現地控制單元采用光纜連接。調度（分）中心將采集到的各泵、閘站的信息加以處理、儲存、顯示，以此實時了解各泵閘站的運行工況、水位、圖像等情況，并作為對各泵閘站進行科學管理、合理調度的依據。

1.2網絡結構

本集群調度系統的計算機監控系統的總體結構基于以太網的結構，采用24口以太網交換機，形成1000M自適應的星型以太網。傳輸協議為TCP/IP，開放性好，可根據需要隨時擴展。以太網的傳輸速度為10/100M自適應，并行采集數據，保證數據的實時性和可靠性。監控結構為遠程調度和現地兩層。

計算機監控系統的應用服務器采用雙機冗余配置，保證系統的正常運行。操作員工作站也是雙機配置，且為了便于觀察和了解多處情況，每個操作員工作站上連接兩臺液晶顯示器。利用一臺打印機作為各種報表、畫面、圖形和文字的輸出設備。一套GPS設備提供計算機設備的同步時鐘。UPS設備為監控系統提供可靠的備用電源。整個中心的軟硬件設備配置滿足安全可靠性、技術先進性，易維護性的要求。系統還可以通過網絡光纜與流域最高管理機構總調度中心進行信息交換（留出接口）。

2 實施方案研究

本工程為新舊閘站組成的調度群，情況較為復雜。設計階段，除新建水閘、泵站外，還要對已建水閘的技術現狀進行分析、研究，重點是研究其為接入本群控系統而進行的現地監控設備改造的適應性。

舊閘的情形有兩種：一種是獨立的水閘，另一種是附屬于泵站的自排閘門。前者解決方案是：只需要改造閘門行程開關、增加閘門開度裝置和閘前后水位計，同時對閘門控制箱進行PLC化改造，所有前端信號接入現地層控制箱PLC、再通過光纜上傳至調度層。

但附屬于泵站的自排閘門，情形則要復雜得多?，F狀是：泵站建設的年限已久，上下位機系統均已老化、且無網絡通訊功能和遠程調度功能，現有 LCU既接收來自泵組的信號、又接收來自水閘的信號。解決方案是：自排閘門接入調度層的方式采用：通過對現有泵站上下位機軟件進行升級改造、更換通訊元件，增加網絡交換機，最終閘門信號通過泵站總網絡出口接入調度層。

由于工程施工后期才明確調度分中心、內河涌的七座水閘的管理歸屬于另一個政府部門，為便于日后兩部門清晰管理界限，避免相互干擾，最后采取變更調度分中心地點來實現這一目的。實施前對兩個可供選擇的方案進行了詳細的技術經濟比較。

2.1 建設方案一

保持原設在調水動力泵站的調度分中心不變，1#～7#節制閘的數據匯集點仍在調水動力泵站、調度功能不變。新建一個調度分中心的副中心，設在1#節制閘處，具有對1#～7#節制閘的調度功能、但必須得到主調度分中心（調水動力泵站）的授權。方案一網絡拓撲圖如圖1所示。

方案一的核心是保留調水動力泵站處調度分中心原有的后臺全部設備，在1#節制閘副調度中心處增加：操作員系統工作站、圖像工作站、語音系統工作站、打印機以及存儲設備；在人機界面上達到與分中心一致，并由調度分中心管理授權和軟件授權，調用調度分中心與1#～7#節制閘相關的全部有效數據。

網絡方面，此方案不需要新增光纜和設備，前期一次性投資只有少量的工程費和耗材。但在調水動力泵站和1#節制閘之間的網絡鏈路，需要將原30M帶寬提升至200M，以保證大量數據的快速傳輸。

2.2建設方案二

方案二取消原調水動力泵站處SQL數據庫服務器、視頻存儲服務器、前置服務器。在1#節制閘處新建一個調度分中心，新調度中心需要增加網絡機柜、交換機、SQL數據庫服務器、前置服務器、視頻服務器、語音系統服務器，用于1#～7#節制閘的數據采集、系統控制、視頻監控及語音廣播，1#～7#節制閘的數據匯集點改到1#節制閘處。方案二網絡拓撲圖如圖2所示。

具體措施是取消調水動力泵站處對1#～7#節制閘的調度功能。將原調水動力泵站處的調度分中心的后臺服務器等設備全部移到1#節制閘處新建的調度分中心；調水動力泵站按常規泵站另配兩套操作員工作站和一套視頻工作站以及其它相關附屬設備。

網絡方面，將原調度分中心的設備移至1#節制閘處，將原調度中心指向調水動力泵站的200M帶寬鏈路改向1#節制閘、將原調度分中心移動設備遷移至新調度分中心處，移動方面只做數據上處理無需另加設備；已建調水動力泵站與1#節制閘之間的鏈路保持30M帶寬不變，用于采集泵站所需1#～7#節制閘的水位數據、閘門狀態信號以及向總中心傳輸泵站數據的功能。泵站所有數據經由1#節制閘處的調度分中心上傳至總中心。

同時在1#節制閘、新調度分中心處多增加一條至外圍基站的光纜，移動需另外增加光電轉換器、交換機、VPN設備作為雙路由備份，以確保1#節制閘作為調度分中心匯聚功能點的穩定性和可靠性。

2.3兩個方案的技術經濟比較

（1）兩個方案的技術比較

方案一的優點是：原調水動力泵站和調度分中心設備無變化，系統軟件調試無工作量增加。網絡方面不改變原有拓撲結構，前期不需要新增光纜和設備；缺點是：副調度分中心對1#～7#節制閘的運行管理和數據采集，副調度中心數據實際還是需要原調水動力泵站SQL數據庫服務器數據以及前置服務器讀取數據，副調度中心視頻監控系統同樣需要讀取原調水動力泵站視頻服務器存儲數據，兩管理單位并未從數據采集、存儲以及組態上完全分離，一旦原調度分中心光纖故障或者任何一臺服務器出現故障，副中心對應的系統會全面癱瘓。因此副調度中心的數據采集、控制、視頻監控等系統都受到原調水動力泵站系統的牽制，造成副調度中心無法獨立正常運行，失去建設意義。

方案二的優點是：1#節制閘處新建的調度分中心，直接對1#～7#節制閘進行運行管理和數據采集，調水動力泵站和1#～7#節制閘系統從邏輯上完全分離，調水動力泵站數據采集、存儲、控制、視頻監控獨立、便于運行和管理；新調度分中心只是通過SQL數據庫同步的方式將相關狀態及水位信息回傳至調水動力泵站；實質上新調度分中心和調水動力泵站之間無權限約束，達到獨立運行，保證了兩套系統的安全可靠、穩定，提高了運行人員的管理效率；系統采用分層分布式結構，局部的故障不影響整個系統的可靠運行，上一層的故障不影響下一層控制、調節和安全操作，即調度層及其通訊通道故障時，不影響新調度分中心層和調水動力泵站層的功能，而新調度分中心層故障，不影響控制單元層的功能?？刂茖庸收?，不影響控制層的功能。

方案一中兩套系統并未完全獨立，方案二中兩套系統采用底層數據采集單元層分開的方式完全獨立，從系統技術層面中的安全性、穩定性、控制先進性等方面上都明顯優于方案一。

（2）兩個方案的經濟比較

建設方案調整引起系統的設備變化：方案一，在調水動力泵站處沒有設備變化，而在1#節制閘副中心處有設備增加。方案二，在原調水動力泵站處的后臺設備全部移至1#節制閘，調水動力泵站按常規泵站另配兩套操作員工作站和一套視頻工作站以及其它相關附屬設備。

建設方案調整引起的網絡費用增加：方案一，不需要新增光纜和設備，施工期一次性投資只有少量的工程費和耗材。但調水動力泵站和1#節制閘之間的網絡鏈路，需要由原設計的30M帶寬提升至200M，提升后運營期每月將增加租用費。方案二，由于需要改變原有拓撲結構，施工期需新增設備：1#節制閘新增一條光纜、中興PTN6110設備1臺，下掛2臺和記奧普泰小型化PTN，各種線纜若干，用于設備之間的互連。雖有施工期的網絡設備增加，但運營期每月光纖租用費無變化。

經核算，方案一系統增加的設備投資與后期的網絡租用費方面高于方案二。

3 結 語

經以上對兩個建設方案進行技術和經濟比較后可見：雖兩方案各有優缺點，但方案二更能滿足兩個部門分界管理的實際需求，且總體投資增加稍低，運營期的光纜租用費用未增加。因此最終采用建設方案二。此系統建成后，調度中心數據庫的數據還可通過預留的接口與市三防指揮中心的綜合信息平臺的互聯和數據共享，為流域內各站點的優化調度，以及合理引水活源、改善水環境的綜合調度提供科學依據。

閘站集群調度系統是一個復雜的、綜合性的信息管理平臺，作為水務系統數字化管理的核心部分、同時也是衡量水務信息化管理水平的標準之一。閘站集群調度系統的建設應綜合考慮成本、技術要素進行綜合比較，確保系統建設的合理性、經濟性與適用性。

參考文獻

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[2]許航. 關于我國水利信息化建設現狀及發展趨勢的思考[J].內蒙古科技與經濟，2008，13：101-102.

[3]丁偉，李彬.圩區泵閘群自動化調度控制策略研究[J].水利信息化，2017，2：12-15.

[4]吳松.水閘泵站智能化群控系統理念的研究及運用[J].中國水運，2009，9（9）：149-151.

作者簡介：羅征宇（1967年生～），大學本科學歷，工作單位：廣東省科技基礎條件平臺中心，從事信息化項目與工程的咨詢規劃測評服務和監理工作。

（作者單位：廣東省科技基礎條件平臺中心）