特大型水库综合运行调度平台建设研究与实践

陆晓如

(上海青草沙投资建设发展有限公司，201206 上海)

青草沙水库［1］选址在长江口南北港分流口水域，主要功能是蓄淡避咸，水库日供原水719万m3，占上海市原水供应的50%以上，受益人口1 000万以上。水库总面积 66.15 km2，环库堤坝总长48.4 km，总库容 5.27 亿 m3。

水库设净宽为70 m的上游取水闸、规模为200 m3/s的取水泵站、净宽为20 m的下游排水闸、供水规模为23万m3/d的长兴输水支线输水泵站和供水规模为708万m3/d的岛域输水干线输水闸。

1 综合监控及调度需求特点分析

1.1 系统可靠性要求高

青草沙水库是目前上海城市供水规模最大、受益人口最多的饮用水水源地水库，服务人口将超过1 000万人。由于水库的特殊性，决定了青草沙水库的综合监控系统必须要保持高可靠性，以确保水库的安全正常运行。

1.2 监控点位置分散

水库工程主要建筑物有环库大堤、取水泵闸、下游水闸、输水泵站、输水闸井及调度中心等。取水泵闸位于青草沙水库西北侧(临长江口的北港侧)，下游水闸设在青草沙水库库尾，输水泵闸位于水库东南侧岸边(靠长兴岛侧)。调度中心位于靠近输水泵闸的水库管理区。

1.3 综合监控信息量大

水库综合监控系统须收集汇总的相关信息如下:

(1)水工建筑物安全相关信息有水库大堤、取排水闸室、取输水泵房、主副厂房的相关及实时监测信息。

(2)机械设备的相关信息有水泵及管道、闸门、阀门、辅机等设备的运行状态和故障信息;闸门及启闭机、拦污栅、清污机等设备的运行状态和故障信息。

(3)电气设备的相关信息有水泵电机、励磁和控制设备、交直流控制电源、变压器、高低压开关设备、计算机监控设备、网络通信设备等运行状态和故障信息。

(4)视频监视主要采集水库设施、水情、水质、机电设备等的实时图像信息，用于对采集信息的核对、比对及调度命令执行的确认，同时有安全保护的功能。

(5)库区水质监测信息包括长江口具有代表性部位的盐度实时信息，库内外主要部位的水质相关及实时监测信息，包括pH、含氯度、电导率、溶解氧、浊度、氨氮和总磷等。

(6)库区水情测报相关信息有水库内外主要部位的水位实时信息和库区的温度、风速、雨量等人工及实时监测信息。

1.4 信息采集、处理及应用需高度集成

系统中应分布有各种专业监控系统，从各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，以便为用户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。

1.5 综合调度内容复杂

针对庞大和复杂的水库运行控制要求，水库综合自动化及调度系统功能目标是在水库调度中心将各单体枢纽包括泵闸监控、水工设施观测、水情水质盐度测报、视频安防等自动化系统数据进行集中监控及分析，运用相关的模型库及调度预案库，实现对青草沙水库自动化调度管理。因此，需要应用现代信息技术(包括工业级软件平台、现代通信平台、计算机和自动控制平台等高新技术)对影响取水、输水全过程各环节的主要设备、运行参数进行实时监测和控制，要求在基础档案资料完备且准确，自动检测、通信、控制等技术及设备非常可靠，自动检测、控制点分布合理等前提条件下，与水库地理信息管理模块(GIS)、管理信息模块(MIS)、动态数学模型模块、及计算机专家辅助分析决策模块等结合后，提出调度控制依据和实施参考方案，辅助调度人员及时掌握系统实际运行工况并实施科学调度控制，实现真正全自动化的计算机综合调度系统［2］。

2 水库综合自动化及调度系统研究与实施

2.1 网络架构

系统采用高可靠性的网络方案，其中SCADA系统网络采用双1 000 M环网冗余方案;同时为视频监视系统的大容量视频流及数据流传输也设立专用的1 000 M环网;另为水库的电话通信、网络广播、办公自动化等辅助信息设立单独的通信环网。

青草沙水库综合自动化系统网络，是涉及一个调度中心和4个分控站的大型网络，它们分别是青草沙水库调度中心、取水泵闸分控站、输水泵站分控站、输水闸井分控站及下游水闸分控站。其监控系统是一个层次型(调度中心、分控站)，多系统集成式(泵闸监控系统、水情测报系统、水质监测系统、大坝安全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，共有4个计算机小局域网并互联构成水库总局域网［3］。

2.2 软件结构及配置

各分控站监控系统是实现对管辖范围内的所有监测、监控、水质、视频等信息进行监测、控制和处理，对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。分控站软件系统应包括系统软件(操作系统)、支持软件(SCADA开发系统，数据库、报表编辑软件等)、应用软件(上位机SCADA监控系统，I/O冗余采集系统和工业实时历史数据系统等)。

调度中心监控系统是结合水库的物理(蓄水能力、取水能力、出水能力等)特征，以实时监测数据(水文水质数据、大坝监测数据、设备工况数据)为依据，根据天气预报数据、海潮预报数据、长江上游来水预报数据、历史数据、水动力模型作出预测和分析，辅助决策者作出分析、判断并确定最为优化、经济的方案，由调度控制系统依据此方案转换成可执行的指令来控制各水闸、泵站的启闭、开关。调度控制系统同时还可根据需要制定相应的事故应急预案和联动操作预案，实现调度决策的合理化、自动化、管理科学化。调度中心软件系统主要包括系统软件(操作系统)、支持软件(SCADA开发系统，数据库、报表编辑软件，网络发布软件等)、应用软件(上位机SCADA监控系统、I/O冗余采集系统、工业实时历史数据系统、关系数据库系统、系统安全软件和GIS系统等)。

整个系统应用软件的层次关系应基于图1构建。

图1 应用软件层次关系图［2］Fig.1 Hierarchical Relationship of Application Software

2.3 系统主要功能

综合运行调度平台建设的难点，首先是要将水工建筑、机械设备、电气设备、视频监视、水质监测、水情测报等多系统多类型的数据进行有效整合，建立水库运行调度基础数据库，并在此之上，建立水库水位监测与节能、泵闸经济运行、盐度监测与避咸蓄淡、水质监测与避污蓄清、水质监测与防止水库富营养化等优化调度模型，实现水库的智能化调度。

本工程自动化系统集成商的实施方案:首先通过SCADA监控组态软件，完成基本的各系统数据采集、统计计算分析、人机界面展示等综合监控系统功能;其次通过专用GIS平台软件，完成各系统数据在地理信息平台上的展示，并利用该平台软件进行了调度模型库、调度流程、调度软件算法、调度联动预案等的开发。对目前逻辑关系已明确的水库水位及水量、泵闸经济运行等系统，实现了模型运算用于辅助决策;对于水库避咸蓄淡、避污蓄清等水质预警系统，待相关科研课题有进一步结论后，继续对模型库、知识库等进行补充开发完善。

调度中心主要软件功能如表1所示［4］。

表1 调度中心主要软件功能Tab.1 Main Functions of Software in Controlling Center

续 表

3 结论

在先期实施的综合监控系统中，首先完成泵闸监控、水工设施观测、水情水质盐度测报、视频安防等基础数据的采集，建立水库运行调度基础数据库，并据此完成基本的水库运行调度功能。实践证明该综合运行调度平台的建设对青草沙水库的科学运行和调度乃至整个原水的安全起着至关重要的关键作用，并平稳地经受了水库建成以来经历的多次大规模咸潮入侵和突发事件的考验。随着水库运行经验的积累并结合后续的研究，通过数据库规范化设计，高级应用组合、优化调度算法、各功能模块实用化流程、实用化界面的设计等，建立水库的水位监测与节能、泵闸经济运行、盐度监测与避咸蓄淡、水质监测与避污蓄清、水质监测与防止水库富营养化等优化调度模型。根据上述模型形成水库综合运行调度预案库，结合水库现有的综合监控系统，最终形成青草沙水库综合运行调度平台。

［1］上海青草沙水源地工程简介［J］.净水技术，2009，28(3):78.

［2］王汉东，黄少华，黄会勇，等.南水北调中线一期工程水量调度系统设计与实现［J］.人民长江，2013，44(9):100-103.

［3］富庆范，肖佳华.青草沙水库综合自动化系统设计与实现［G］.上海长江口青草沙水源地原水工程论文集.

［4］上海青草沙投资建设发展有限公司，上海勘测设计研究院，上海市水利工程设计研究院.长江口青草沙水库及取输水泵闸工程设计关键技术研究报告［R］.2012.