鴛鴦灌區續建配套與現代化改造中信息化建設與實踐

蒲寧海

(金塔縣鴛鴦池水庫管理所,甘肅 酒泉 735300)

0 引言

鴛鴦大型灌區位于甘肅省酒泉市金塔縣,灌區轄8個鄉鎮89個村委會516個村民小組,有效灌溉面積37.92萬畝,是酒泉市金塔縣糧、棉、糖生產和林、牧業發展的重要基地。經過60多年的建設運行,形成了1條總干渠(7.202 km)、3條干渠(55.925 km)、3條支干渠(33.317 km)、76條支渠、分支渠(431.450 km)的“長藤結瓜”工程格局。灌區于2008-2010年進行了灌區調度管理中心、地下水位監測等灌區信息化一期建設,于2017年進行了灌區現代化建設與提升,灌區調度管理及灌區現代化系統已經具備一定的現代化手段,為灌區現代化調度管理奠定了基礎。但是隨著信息技術、計算機技術、網絡技術飛速發展,灌區早期建設的部分軟、硬件系統及設備設施均無法滿足智慧水利與智慧水管理體系建設的標準和要求,故十四五期間對灌區進一步進行信息化建設,逐步建設完善的灌區現代化。

1 信息化建設現狀及需求分析

1.1 信息化建設現狀

鴛鴦灌區現代化一期工程建設時間是2008-2010年,2017年建設實施了灌區現代化維修養護,更進一步完善了灌區現代化系統。信息化建設現狀分述如下。

1.1.1 閘門遠程自動控制現狀

鴛鴦灌區已建設完成了8處33孔閘門自動遠程監控站點,閘門及其啟閉系統配置了PLC自動控制系統,33孔閘門所在區域已經建設了光纖網絡,可以實現閘門現地及遠方自動控制,除此,其余閘門不具備自動控制功能[1],閘門所在區域內僅有4G/3G無線網絡覆蓋,不具備閘門遠程測控功能。

1.1.2 監測灌區現代化現狀

水位監測:灌區已建設完成了地表水水位流量自動監測站點15處,實現了灌區小部分干渠、支渠等重要節點處的水位/流量自動監測,據調查統計,目前已建設的15處地表水位監測點,已損壞廢棄,需重新考慮建設。

地下水監測系統:灌區現有灌溉機井1 800眼,安裝井電雙控機井智能化水表及控制設備1 800套,可以實現用水總量控制。灌區共建設有12眼專用監測機井,可以動監測地下水位等參數,自動報送酒泉市水文站后臺系統,實施地下水位等的實時自動監測。

網絡視頻圖像監視系統:鴛鴦灌區已在第一分水閘、第二分水閘、共青分水閘等8個重點閘站閘房內都設置安裝了16路視頻攝像機及后臺系統設備,可以實現對分水閘電機及啟閉設施,對閘門及渠水及周圍環境的監視,為閘門安全運行及調度運行提供了有效保障。

灌區通信傳輸網絡建設:灌區已建設1個信息中心站(水利管理所),11個信息分中心站的計算機網絡和電話網絡,4個分水閘管理段的電話網絡,實現中心站與分站站的基礎水利數據的共享,管理段與中心站之間的電話通信。

灌區調度管理系統建設:經過多年的運行,各個管理信息中心、分中心主要自動化設備已存在老舊落后、缺乏配件、功能失效等,已基本不能實現自動化調度、運行及管理,亟待提升改造,尤其是局域網網絡結構及管理模式有待整合優化,以滿足灌區現代化調度管理要求。

1.2 需求分析

根據灌區的水情、商情、氣象等實際情況,結合續建配套與現代化改造[2],從滿足水利工程運行監控、水資源配置、行政事務管理、防汛抗旱等方面需求出發,制定灌區現代化的技術方案,以保證灌區現代化建設投資的可行性和長效性。需求分析如下:

(1)功能需求。隨著灌區現代化建設的不斷加強與持續完善,調度中心現有的硬件系統已經老舊,需要更新換代,存儲系統容量也需及時擴容升級。在已建軟硬件平臺的基礎上,基于現有業務應用系統使用實際,進行系統完善優化,建設負載均衡系統;優化辦公自動化系統,提升辦公自動化使用率;開發灌區水費營收管理,提升水費收繳管理效率;開發生態環境監測系統,共享田間土壤墑情監測等。

(2)性能需求。灌區通過在調度中心的調度管理平臺,統一完成各項業務。通過平臺發出的指令,完成各項監測及遠程監控工作,滿足沿線閘門現地監測系統的采集精度、滿足數據的實時性、滿足系統的可靠性。

(3)安全需求。當前信息系統所面臨的安全威脅與日俱增,安全威脅的來源也日益廣泛,為了確保灌區在遠程控制下,能夠安全穩定的運行。應嚴格執行水利部網信辦組織制定的《水利網絡安全管理辦法(試行)》等安全管理要求,生產控制大區主機操作系統應當進行安全加固。

2 建設方案

2.1 建設目標

結合灌區灌區現代化建設現狀及多年灌區現代化建設運行經驗,本次灌區現代化改造完成后灌區現代化達到一級水平。結合灌區目前的實際情況,本次現代化總體框架按照“立體感知、自動控制、智慧應用、信息服務和支撐保障”五個方面構建,將灌區現代化建設框架確定為五層四體系,即立體感知體系、自動控制體系等五層,各層應遵循基礎支撐系統、標準規范系統、建設運行維護管理體系和網信安全保障體系等四體系,共九部分,總體框架如圖1所示。

圖1 鴛鴦灌區灌區現代化建設總體框架圖

2.2 建設方案

2.2.1 立體感知體系建設

結合灌區實際,繼續完善灌區立體感知體系建設,主要建設任務包含灌區調度自動化系統建設、斗口水量在線監測系統建設等內容。

1)灌區地下水監測

對灌區現有井電雙控機井智能化水表及控制設備融合接入灌區調度管理系統,同時對12眼監測機井的監測成果,融合接入至新建的灌區調度自動化系統。

2)灌區水位監測系統建設

灌區總干渠、干渠、支干渠共有175個分水口,灌區規劃范圍內需要水量計量的灌溉分水口有70個,本次考慮建設安裝36套水位流量監測站點;灌區支渠共有1 419個分水口,本次考慮建設安裝6套水位流量監測站點,水位計量站點監測數據通過現有的4G/3G無線網絡傳輸至其后臺監測系統,再集成融合至灌區調度管理系統,為灌區調度管理提供決策依據。

考慮到本工程主要監測對象為灌區來水,綜合考慮水位精度和現場安裝環境等要求,且為節省投資、便于設備的統一配置與管理,對總干渠、干渠、支干渠建設的所有水位計統一采用雷達水位計,對支渠建設的所有水位計統一采用超聲波水位計,對渠道進行適當的斷面標準化處理后,通過采集水位信息,結合斷面率定方式自動計算流量。

本次建設的水位流量監測站點,均處于無線公共網絡覆蓋范圍內,監測設備需配置4G通信模塊,配置SIM數據卡等,便于通過無線公網接入調度管理系統。水位流量監測設備用電量相對很小,本次設計中,考慮配套采用交流電源供電方式,水位流量監測設備還需配置安裝支架、電線電纜、輔助設備等輔助材料,便于工程實施。

3)灌區水量計量系統建設

水量計量和水位監測采用同一套設備,即自動監測水位,同時又換算出流量(水量)。水位計量及流量監測是將雷達水位計(或超聲波水位計)、數據采集器、通信模塊、交流電源供電、安裝附件集成而成的成套系統設備,流量是在標準斷面上,通過采集水位信息,結合斷面率定方式自動計算流量,進而自動計量水量,為調度管理系統提供決策依據。

2.2.2 自動控制體系建設

1)分控水設施測控系統改造

對總干渠、干渠、支干渠的33孔節制閘,在閘門及啟閉機系統改造的同時,改造其PLC閘門自動控制系統。對總干渠、干渠、支干渠的48孔分水閘,在閘門及啟閉機系統改造的同時,改造其PLC閘門自動控制系統。通過對閘門及其啟閉系統配置了PLC自動控制系統的升級改造,可以實現閘門現地及遠方自動控制。

2)網絡視頻圖像監視系統

本次暫不考慮增設視頻監控系統設備,但需要將原有視頻監控系統設備進行梳理、優化、整合,集成融合至新建的灌區綜合調度管理信息系統中。

2.2.3 智慧應用與信息服務平臺體系建設

可考慮在灌區調度中心硬件平臺的基礎上,對現有業務應用系統進行升級完善,提升業務系統的穩定性與可靠性。建設內容如下:

1)水量調度管理系統

調度中心的建設是整個灌區現代化建設的重點和關鍵,灌區現代化調度管理系統具備一定的現代化手段,可對本灌區相關系統實現統一調度、運行、管理。本次考慮原有基礎上進行必要的升級改造,對已有的水位流量監測站點的接入及后臺處理,提高調度管理自動化、現代化水平。

2)灌區水量分配系統

灌區水量分配計劃系統的功能是依據灌區自開灌以來的實際運行資料,分析灌區內經濟社會各部門水資源需求,進行灌區的水量分配,同時可根據水量調度修正配水計劃。

3)灌區水費計收管理系統

根據具體的收費業務流程和結算管理對象的不同,在保證系統的先進性、可靠性、可擴展性和安全性的前提下,水費計收管理系統使用了組件設計,模塊開發以及事務處理等先進的軟件設計開發技術[3],以適應不同灌區的業務處理模式、滿足需求的變化以及保護現有投資的需要。灌區水費計收管理利用PDA、智能手機、網絡和數據庫等技術,同時研發水費微信公共平臺將相關信息向公眾發布。

根據水費計收業務需要,灌區水費征收管理系統包括用水協會管理、定價管理、水費計算、收費管理、統計分析[4]。

4)信息綜合管理系統完善

在對灌區調度中心硬件平臺升級的基礎上,對現有業務應用系統進行升級完善,提升閘控業務系統的穩定性與可靠性,實現現地閉環自調節運行。開發服務于灌區的綜合管控平臺,建設灌區專用數據庫,對數據進行實時分析、存儲、備份,根據灌區業務需求,基于“水利一張圖”定制開發能服務于全灌區水信息管理等業務的應用系統?？紤]到國家、省、市建設統一范圍平臺的需要,水信息綜合管理系統應預留通用接口,以便將來和上級系統的對接。

2.2.4 支撐保障體系建設

結合灌區實際需求,擬對改造提升灌區調度管理基礎支撐平臺建設、調度指揮中心等內容。主要是在灌區原有調度管理系統建設基礎上,新增及提升相關的軟硬件系統,尤其是水量計量系統等必需軟硬件系統,并完成集成安裝調試,相關系統融合接入等;并為納入國家、省、市遠景發展建設的統一信息管理平臺預留接口,同時考慮灌區已建相關系統的融合接入,包括但不限于地下水監測系統、水質監測系統等。

1)灌區調度管理系統建設

本次設計擬建設高效的現代化灌區調度管理系統,即:取消原來的1個信息中心站、11個信息分中心站、4個分水閘管理段的網絡結構及管理建設模式,改為集中建設1座信息總中心及1座分中心,就可對灌區進行綜合自動化調度管理。本次灌區調度綜合管理系統方案如下:

(1)在鴛鴦灌區水利管理所建設鴛鴦灌區調度管理總中心,在金塔縣水務局建設鴛鴦灌區調度管理分中心。

(2)鑒于原有總中心及各個分中心的綜合調度自動化管理系統配置偏低、功能不夠完善、設備老化、缺失配件等,本次新建的調度管理總中心、分中心及各個閘站點,均新建自動化系統設備軟硬件系統。具體任務是:在調度總中心配置工作站、服務器、核心及匯聚工業以太網交換機、高性能存儲器等硬件設施,在分中心僅配置主機工作站及一體化應用終端等主要設備系統;在調度管理總中心配置灌區辦公綜合自動化系統、灌區工程管理系統、灌區工程綜合調度運行管理信息系統、數據庫管理系統等軟件系統,同時考慮現有灌區視頻監視系統集成融合等建設任務。

(3)在本次閘門改造時升級改造配置閘門PLC控制系統的站點、原有完好的閘門PLC控制系統且本次敷設光纜已聯通的閘門站點,均配置工業以太網交換機;其它已配置PLC控制系統的閘門,暫時不能實現光纜連接的閘門站點,考慮閘門的手動/電動操作方式、在閘室PLC控制柜(箱)上實現閘門的就地自動控制方式,不考慮在調度總中心實現閘門的遠程無線控制。

2)灌區通信傳輸網絡建設

灌區原有自建光纜均為6芯,且有部分光纜通路采用租用電信網絡通道,本次所采用新建光纜(自建采用16芯光纜),包括灌區水利管理所、0#分水閘、第一分水閘、第二分水閘、第三分水閘、中坪分水閘、頂閘分水閘、榆樹溝分水閘、平交道分水閘、共青分水閘等9處站點,實現調度總中心對上述9處重要站點的閘門遠程控制;而灌區水利管理所調度總中心與金塔縣水務局調度管理分中心之間,則租用電信網絡VPN通道方式,從而實現在灌區調度總中心、分中心及主要閘站之間通過光纜有線聯通,實現調度管理中心對主要閘門的遠程調度控制,極大地提高調度管理效率,提高自動化程度,減少人工工作任務。

3 結語

結合鴛鴦灌區目前信息化建設的實際情況和需求,建立了以“立體感知、自動控制、智慧應用、信息服務和支撐保障”五個方面為總體框架的灌區現代化建設方案,優先解決制約鴛鴦灌區現代化改造“卡脖子”工程,后期逐步建設完善的灌區現代化。通過本次方案的實施,有效推進灌區信息化、現代化建設,使灌區服務達到智能化,不斷提升灌區水資源的高效利用與高效管理水平。