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摘要：本文以青草沙水库综合自动化系统为例，以层次分明的系统结构入手，通过总体网络架构和分控站网络架构的具体说明，详细说明各个子系统是如何有机形成一个整体，如何运作为高级分析决策提供数据一致的综合数据中心，真正实现水库现代化。
关键词：水库调度；自动化系统；架构
0 引言
水利的现代化发展离不开水库的科学管理，我国的水库信息化目前并未达到发达国家的水平，各类有效的信息资源尚未联合建立一个统一的平台，将本是孤立的子系统合理有机地整合组织，构成水库调度层的自动化支持系统，从而使子系统的价值发挥最大化，也是水库发展实现现代化的有效途径之一。本文以青草沙水库综合自动化系统为例，进行详细的阐述。
1 系统概述
1.1系统需求
青草沙水库综合自动化系统包括一个控制中心和4个分控站（取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井），整个工程地理分布广阔。该系统将建立一个由控制中心和分控站组成的层次型监控系统，完成泵闸监控系统、水情测报系统、水质监测系统、以及水库运行联调决策支持、工程监测与安全运行评估、事故应急处理预案与决策支持等各种高级应用的综合自动化系统。系统共有4个计算机小局域网并互联构成水库总局域网。
在这个系统中，分布有各种专业监控系统，从不同方面对系统进行运行监视与控制，它们是系统原始数据的主要来源，同时也决定了系统的信息源是多方面的。各监控系统分别采集和存储了各自的原始专业数据，这些数据服务于各自的专业系统以完成各种应用功能，并在各自的系统范围内是完备和自包含的。但各监控系统间还需要相互集成，最终形成一个有机整体，以便为业主提供统一集中的系统监控和管理手段，并为全局性的高级分析决策应用提供准确一致的综合性数据中心，避免这些高级应用面对各个分散专业系统的局面。
1.2系统结构
水库综合自动化系统总体结构分为四级：
调度级操作为第一级，是由位于严桥泵站的青草沙原水调度中心控制人员可以通过调度计算机系统，经电信通道与水库的计算机系统通信，远程监视水库的主要数据并可根据需要进行控制，实现遥测、遥信、遥控。
水库控制中心操作为第二级，在控制中心的控制人员通过安装在控制中心的优化调度决策支持系统，得到优化的取水调度方案并对各泵闸（取水泵闸，下游水闸，输水泵站，输水闸井）进行操作。
泵闸监控系统上位机操作为第三级，在泵闸主控级实现对泵闸设备的监视控制，有泵闸自动控制和操作人员控制台控制这两种方式来实现。
泵闸监控系统现地控制单元操作为第四级，在泵闸运行初期或主控级出现故障退出运行及根据需要，操作人员可通过现地控制柜上触摸屏或按钮等设备，实现对泵闸设备的控制、调节。
2 综合自动化系统总体设计
2.1总体网络架构
青草沙水库综合自动化系统的总体架构分为控制中心、取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井等部分，如图1所示。他们既是一个统一的整体，又在网络结构和网络组成上有很大的不同。整个网络系统将以开放性、分布式、点对点为原则设计为一个可伸缩式的三层网络系统。三层网络从下到上分别是数据采集层、应用服务层和数据展示层，三层网络互不影响。
图1 水库综合自动化网络总体架构
三层柔性网络的优点在于：处于处理核心的服务器是单独运行的，独立执行任务，从而保证单独某台服务器的故障不会影响整个网络系统的故障。并且由于其柔性设计的开放特性，在后期需要增加服务器时不会影响网络的正常运行，并且可以分担网络的负担。
三层柔性网络只是从基础的架构方面进行的设计，在实际应用中还要考虑本系统的特殊性，针对每个子系统分别设计。
整个网络系统用光缆将控制中心、取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井五个局域环形网首尾连接成一个1000M的干线环形以太网。采用环形结构可以最大程度的保证通讯的安全性、可靠性，同时视频监控网络也单独形成1000M的光纤环网，以减少视频信息对监控网络系统的影响。
水库控制中心是整个系统的数据汇总、处理中心，对分中心传送上来的数据加以处理、存储及管理。取水泵闸主要是咸潮初期提水预蓄水避咸和咸潮期盐峰之间抢引淡水。下游水闸主要是根据水位情况与上游侧取水闸配合进行换水操作。输水泵站负责向长兴水厂进行输水。输水闸井位于青草沙水库的东南侧，负责水库至过江输水管线通道的通断控制。取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井是青草沙水库的四个分控站，不仅负责各自分控站内水库系统的正常运行、维护，同时也能够对所管辖范围内所有采集的数据进行存储与管理，有选择性的将数据上传控制中心。
2.2控制中心网络架构
控制中心以1000M的环网交换机，连接服务器、工作站、打印机等设备组成一个小型环网，如图2所示。服务器主要采用IBM 3650系列，包括工业实时数据库服务器用来保存各种需要长期保存的过程数据；SCADA服务器负责执行具体的控制指令；数据采集服务器负责采集个分控站的I/O数据，对其汇总后存入数据库服务器和SCADA服务器；网络广播服务器则是各个分控站的网络广播的管理中心。调度工作站则可以显示各个分控站的运行情况，并可以发出控制指令。通过WEB服务器连接公司MIS系统，并保存MIS系统用户所需的数据及画面。WEB服务器和MIS系统间均通过路由器连接。
图2 控制中心网络结构图
2.2.1控制中心与外部通信
控制中心的通讯服务器用于实现与五号沟集控中心间的通讯，并可以通过GPRS设备接收长江口个水质监测站盐度信息。水库控制中心与五号沟集控中心间的通讯网络由SCADA监控网络，常规信息及视频图像通信网络组成。其中SCADA实时监控网络由主信道和备用信道组成，主信道采用中国电信的高端客户网（CN2网），备用信道采用中国联通的VPN专网，紧急备用信道采用GPRS方式。
主信道在五号沟泵站和水库控制中心间隔申请一条MPLS VPN专线，用于SCADA系统实时传送数据。
备用信道主要用来传输常规信息，语音及视频信息，采用联通的VPN构筑专网，在五号沟泵站，水库控制中心分别申请VPN专线。由于五号沟集控中心传输数据量大，因此申请20M的大容量通道，而在水库控制中心申请4M容量即可满足要求。
2.2.2网络故障切换
在系统正常运行时采用中国电信的高端客户网作为主信道进行通讯，主信道主要进行SCADA数据传输，遥测等，备用信道传输视频图像和IP语音数据。而当主信道或备用信道中任何一个发生故障时，主备信道之间可以进行无扰切换，保证数据传输的正常进行，保证不发生数据丢失现象。
为了保证无扰切换的正常进行，主信道接入端设置集成防火墙和入侵检测的路由器，保证不会由于外界干扰而影响信道切换。备用信道设置两台路由器，一台作为热备，保证随时可以进行切换。
3 分控站网络架构
3.1取水泵闸
取水泵闸其主要功能是咸潮初期提水预蓄水避咸和咸潮期盐峰之间抢引淡水，其网络结构是以100/1000M的工业交换机为核心，外部连接水库大型环网，内部连接各种子设备组成小型环网，如图3所示。
通过100/1000M工业交换机，连接各种服务器和工作站，组成取水泵闸分控站的信息控制、处理和储存中心。与现地控制单元间的连接则是首先通过10/100M工业交换机，分别连接到各种LCU柜，再通过LCU柜连接到各种硬件设备。例如：通过10/100M工业交换机连接泵组LCU柜，并通过泵组LCU柜连接电动机励磁柜、电动机软启控制柜、水泵端子箱等各种设备。
图3 取水泵闸网络结构图
3.2下游水闸
取水泵闸其主要功能据水位情况与上游侧取水闸配合进行换水操作，网络结构是以100/1000M的工业级监控交换机为核心，外部连接水库大型环网，内部连接各种子设备组成小型环网。外部大环网通过监控交换机分别连接取水泵闸控制室和调度中心，内部小型环网则是通过交换机连接各种子设备。同时通过工业交换机分别连接水库侧测亭和长江侧测亭，具有对其的监控功能，如图4所示。
通过100/1000M工业交换机，连接各种服务器和工作站，组成下游水闸分控站的信息控制、处理和储存中心。通过100/1000M的工业级视频交换机连接视频管理服务器，是下游水闸视频监控系统的处理，监控核心。与现地控制单元间的连接则是首先通过10/100M工业交换机，分别连接到闸门LCU柜和公用LCU柜，然后再通过LCU柜连接各种现场子设备。
图4 下游水闸网络结构
3.3输水泵闸
输水泵闸主要负责向长兴水厂进行输水。通过一个100/1000M工业监控交换机和三个10/100M组成小型环网，并通过100/1000M工业监控交换机分别连接到取水闸井控制室和集控中心，如图5所示。
100/1000M工业级监控交换机是整个分控站网络的核心。通过它连接各种服务器，工作站，组成输水泵闸分控站的信息控制、处理和储存中心。通过100/1000M的工业级视频交换机连接视频管理服务器，是下输水泵闸视频监控系统的处理，监控核心。与现地控制单元间的连接则是首先通过三个10/100M工业交换机，分别连接到泵组LCU柜1、泵组LCU柜2和公用LCU柜，然后再通过这些LCU柜连接各种硬件子设备。例如：通过10/100M工业交换机连接泵组LCU柜1，再通过泵组LCU柜连接水泵变频控制柜、水泵现地控制箱、水泵振动监测等各种设备。
图5 输水泵闸网络结构图
4 综合调度预案管理平台架构
4.1调度平台数据流设计
青草沙水库综合调度及预案管理平台主要功能模块包括：水库取输水地理信息系统（GIS系统）、取输水泵闸综合调度平台系统（含水力数学模型及动态仿真）、联动预案系统、节点监控系统（SCADA系统）以及统一的数据库平台。
供水动态数学模型在供水管网地理信息系统（GIS系统）平台上建立。通过调用GIS系统中的静态数据，主要包括水库取输水泵闸设施的空间数据和属性数据，用来建立拓扑结构关系，通过调用后台数据库建立联动预案系统。
联动预案系统通过调用SCADA系统动态数据对模型本身进行校核，保证了水力模型的精度要求；满足精度要求的水力模型是对现状和下一时段取输水泵站运行工况的准确反应。
综合调度平台系统通过水力数学模型来了各泵站运行工况现状，为决策提供基础；通过优化数学算法，调度平台计算出初步的优化调度方案，经过专家系统评估、修整后转化为取输水设施（水泵开关、闸门操作）的操作指令，传输到SCADA系统。
联动预案系统是一个可再开发系统，取输水信息管理系统（GIS系统）、水力动态数学模型系统、综合调度系统的设计实现模块化，接口设计标准化，具有较强的灵活性。
4.2综合调度系统特点
本方案设计的综合调度预案管理系统具有以下几方面的特点：
首先，青草沙水力数学模型是建立在GIS平台之上，是一个实用的取输水动态数学模型，能在线实时仿真泵闸运行状态。其次，水库控制中心和各分控站的控制过程是在不需要人干预的情况下，自动实现优化配泵、自动调节阀门和水量的供水调度。水泵或闸门实现就地控制后，水质水情及其他运行工况数据又通过SCADA系统传输给水力数学模型，供它进行模型校核，校核好的达到精度要求的仿真模型被提供给综合调度预案管理系统作为了解现状的基础。第三，系统提供手动在线修改功能，调度员在充分授权的条件下，在主机屏可对各自动调度方案的参数进行设置，同时取输水泵闸SCADA系统也具备手动控制功能。最后，平台系统是一个高度的开发系统，各子系统的设计是模块化的，接口设计标准化，具有较强的灵活性。可与严桥调度中心以及五号沟泵站节点SCADA系统实现无缝连接，一起构成完整的上海市原水调度优化控制系统。
5 结语
综上所述，青草沙水库综合自动化系统选用成熟的定型产品，具有自诊断功能和较强的校验、互锁、检错、纠错及自恢复功能，故系统的实用性十分优秀，能准确反应各设备的真实情况。全图形人机接口能够清晰地了解全系统各设备的运行情况，故障报警点的分支细节，在线的人机对话操作随相应的汉字帮助说明，使操作迅速而正确地进行。
参考文献
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论文作者:曹雪华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/8
标签：水库论文; 系统论文; 水闸论文; 信道论文; 水泵论文; 网络论文; 控制中心论文; 《基层建设》2017年第23期论文;