二龙山水库智能监控调度应用系统探析

王 普

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 概述

二龙山水库工程位于秦岭南麓长江二级支流的丹江上游，距商洛市区4 km，是一座以防洪、发电、灌溉、城区供水等综合效益为一体具有年调节能力的中型水库工程。水库总库容8100 万m3，有效库容5700 万m3，控制流域面积965 km2。

二龙山水库智能监控调度系统主要包括闸门远程监控子系统、水情自动测报子系统、大坝安全监测子、视频监视、通信子、计算机网络及支撑平台、应用软件、实体环境建设等。

2 闸门远程控制系统

2.1 概述

闸门远程监控系统是在充分考虑启闭操作的安全性和可靠性的前提下，利用工业控制技术、传感器技术、数据传输技术等，实现闸门信息实时采集、闸门远程精确启闭。系统可以实现闸门的远程控制，并将启闭设备的电压、电流、启闭信号以及开度等重要数据上传到水库管理处数据库内，实现对闸门数据的集中显示、分析、记录及越限报警。

2.2 监控对象

闸门监控点见表1。

表1 闸门监控点布置表

2.3 系统功能

（1）数据实时采集：自动采集闸门开度、启闭机限位状态、供电系统的电压及工作电流、消耗的能量，并能根据水位计算出流量；

（2）闸门启闭控制：可实现闸门的定闸位控制、全开、全关、上升、下降、停止；（3）急停控制：若遇到紧急、意外情况，能够实施急停控制；（4）工作方式切换控制：通过硬件动作，实现远程自动控制、现场自动控制、手动操作及锁定操作等多种控制方式；

（5）故障保护：在闸门运行过程中系统发生故障时，系统立即报警，并根据需要和实际情况自动终止当前的闸门运行操作。

2.4 监控方案

通过设在现场闸室的交换机将各闸门控制PLC 信号汇聚，通过光缆传输至水库管理处，实现闸门的远程控制。

3 水情自动测报系统

3.1 概述

水情自动测报系统是实现水库智能监控调度的数据基础，水情自动测报系统数据的准确性直接影响水库防洪调度方案。

水情自动测报系统是根据遥测水位雨量站采集的数据信息，结合气象信息，利用适用于二龙山水库的预报模型，给出水库不同目标的预报入库洪水过程线，为水库洪水调度，水资源利用提供可靠的依据。二龙山水库水情自动测报系统预报模型采用降雨径流预报模型。

3.2 站网布设

二龙山水库水情站网布设情况见表2。

3.3 系统组网

系统组网见图1。

表2 二龙山水库水情自动测报站点分布表

图1 二龙山水情自动测报系统组网图

4 大坝安全监测系统

大坝安全监测系统也是智能监控调度系统建设的一个重要内容，主要是监测大坝运行状况。监测项目为：环境量（上、下游水位、气温、气压及降水量），变形（坝体表面位移、内部位移、裂缝、坝基位移），渗流（扬压力、渗漏量、绕坝渗流、水质监测），巡视检查（坝体，坝基、坝肩及近坝库岸）等。大坝安全监测系统采用集中式网络结构的数据采集系统，大坝安全监测系统由传感器、前端数据采集单元MCU、监控软件、中心数据采集计算机组成。大坝安全监测数据在左坝肩管理房汇聚后传输至二龙山水库管理处进行系统集成，接入二龙山水库智能监控调度系统。

5 视频监视系统

5.1 概述

视频监视系统作为智能化监控调度的一个辅助子系统，是实现水库自动化运行，无人值班，少人值守的必要技术手段。在左岸泄洪底孔放水塔、右岸泄洪底孔放水塔、发电输水洞放水塔、大坝坝顶、水库管理处等处共布设智能网络高清摄像机15台，对水库枢纽主要工程建筑物进行全天24 小时不间断监视，并在水库管理处配置视频存储服务器及视频工作站，视频存储服务器按照15 d 存储容量设计，大小为24 t。

5.2 点位布置

在二龙山水库共设置15 处视频监视点，见表3。

表3 视频监视点布置表

6 通信系统

通信主要解决闸门远程控制、水情自动测报、大坝安全监测及视频监视的数据传输问题。智能监控调度系统通信主要包含坝顶闸室、安全监测室、坝顶至左坝肩管理房的通信，水文遥测站点至水库管理处的通信，左坝肩管理房至水库管理处的通信。管理房至二龙山水库管理处自建光缆，自建光缆沿库区道路地埋敷设，采用工业以太网交换机组网方式。在左岸泄洪底孔放水塔、右岸泄洪底孔放水塔、发电输水洞放水塔各配置2台导轨式工业以太网交换机，1 台用于闸门远程监控系统，1 台用于视频监视系统。3 处现地闸室交换机通过光缆将信号汇总至左坝肩管理房汇聚交换机，再通过自建光缆传输至管理处核心交换机，视频监视系统采用独立的交换机，与其他系统共用光缆。

水情自动测报因水文站点分布较远且较分散，故考虑采用无线通信技术，无线通信技术有卫星通信、无线网桥通信、4G 通信等，卫星通信及4G 通信都属于公网通信，无线网桥通信属于自建通信，考虑到站点分布较远，无线网桥通信需自建多个中继站，成本较大，卫星通信相比较4G 通信成本较大，因本工程所在区域中国移动、中国电信、中国联通等几大运营商均有无线网络覆盖，且信号强度满足要求，故采用4G通信来满足水文遥测站点至水库管理处监控调度中心的通信。

7 计算机网络系统

计算机网络是智能监控调度的载体。通过建设计算机网络，高速获取和处理实时监控业务（水情、工情、语音、远程视频监控等）与非实时业务等数据，满足管理调度需求。同时，建立数据存储与管理体系，保证整个信息系统的稳定运行，确保信息共享的高效。建设主动、开放、有效的系统安全体系，实现网络安全状况可知、可控和可管理，形成集防护、监测、响应、恢复于一体的安全防护体系。

二龙山水库智能监控调度系统计算机网络设计成业务内网与业务外网两张物理网络。业务内网与业务外网之间采用网闸隔离。

业务内网：为远程闸阀监控等控制系统信息及各业务应用提供数据承载服务，负责各个现地闸阀的控制及闸阀控制信息的传输，负责实现水量调度管理及视频监视、工程安全监测与管理、水情测报等功能，其数据种类较多、数据量大，对网络时延和抖动要求较高，需要确保数据安全可靠、低时延传输。

业务外网：Internet 服务，为管理处提供外部Internet 接入服务。系统可在对内实现科学高效管理的基础上，同时对外提供信息服务平台。

二龙山水库智能监控调度系统计算机网络结构见图2。

图2 计算机网络结构图

8 系统支撑平台及应用软件

8.1 应用支撑平台

应用支撑平台采用松耦合，易扩展的设计思路，以基于SOA 面向服务架构和企业服务总线的体系架构建设应用支撑平台，选配支撑平台建设需要的应用服务器、通用中间件等商用软件。以统一架构、统一平台、统一门户为原则建设集中部署分散应用。充分利用服务松耦合的软件模式以及各种主流的开放标准。服务接口采用了通用的Web 服务和XML 标准，可以用一个服务替换另一个服务而无须关心其底层的实现技术和服务的位置。

8.2 应用软件

8.2.1 信息动态监视预警系统

信息动态监视预警系统由采集监测、预警分析、数据管理、报表统计、查询显示、系统管理、三维展示等组成。

8.2.2 水情自动测报系统

软件部分包括水情数据库、数据接收软件以及水情管理查询预报系统。

（1）水情数据库

雨量遥测站和自记水位站实时采集的雨量和水位信息传输至中心站，处理后进入数据库各类数据表中，以便根据需要检索和查询。

在数据库内共建设实时水情表、实时降水量表、日降水量表、洪水预报表、洪水要素摘录表、降水摘录表、预报模型参数表、洪水特征值表、雨量站表等数据雨水情及其他信息存储表。

（2）数据接收软件

水情数据接收处理软件主要是对来自各个遥测站的原始数据信息，进行接收、归类、转换、纠错、入库等操作，负责各类数据库建立、编辑、维护，为其他系统提供数据接口。

（3）水情管理查询预报系统

水情管理查询预报系统是水情自动测报的核心，该系统的主要任务是根据采集的实时雨情、水情、工情等资料，结合历史水文数据，对本工程未来将发生的洪水做出洪水总量、洪峰发生时间、洪水发生过程等情况的预测，并通过采用水文学、水力学、河流动力学有机结合，建立洪水预报数学模型，实现洪水预报的动态仿真，快速、准确地为工程调度决策提供依据，系统同时满足水情信息的查询发布、日常管理等功能。系统主要由数据库管理模块、洪水预报模块、水情动态监测模块、历史洪水模拟模块、洪水动态模拟仿真模块、洪水预报信息发布查询模块、系统日常管理模块等部分组成。

8.2.3 闸门远程监控系统

1）闸门状态的实时监控

a.数据采集：从设备控制层实时采集生产信息及设备的运行参数和各种状态参数。运行参数包括电量参数和非电量参数。主要包括电流、电压、闸门开度等，设备状态参数包括开、停、运行、故障状态。

b.流程画面：可显示控制设备运行状态总貌，多层次显示每个系统单元、每个设备、单个调节回路、顺序控制回路、通信状态、网络状态。

c.工况状态：通过数字、指示灯、图形等形式实时显示每个工艺设备工况状态，并将相关工况状态显示在一起，便于生产操作、维护和管理。

d.指令确认：对现地控制主单元发送控制指令后，在设定的时间段内等待控制主单元反馈回来的确认信号，如果等待的时间超出设定的时间段后仍接收不到确认信号，则发出报警信号，提示操作人员及时采取措施排除故障。

2）故障实时报警

对采集到数据进行限值检查，发现超出限定范围，实时以不同颜色灯闪烁、语音提示以及报警窗口画面等形式显示现场设备及网络通讯报警信息。

8.2.4 水库防洪调度决策系统

水库防洪调度决策系统是智能监控调度系统在二龙山水库应用的核心。水库防洪调度决策系统是依据水情自动测报预报成果，采用调洪极值解法、多目标模糊优选决策模型、人机交互决策方法，面向对象技术、数据库技术等技术与方法，自动生成调度预案，以人机交互方式制定实时调度方案，进行方案仿真、评价和优选，并且具有汛情分析、洪灾预测、信息查询等功能。

1）业务分析

由于洪水的突发性、历史洪水的不重复性和复杂的社会政治经济等条件，应能按决策者的意图，迅速、灵活、智能地制订出各种可行方案和应急措施，使决策者能有效地应用历史经验减少风险，选出满意方案并组织实施，以达到在保证工程安全的前提下，充分发挥防洪工程效益，尽可能减少洪灾损失。水库防洪调度决策系统的业务流程见图3。

2）功能设计

水库防洪调度决策系统主要由防洪形势分析、调度方案制定、调度方案仿真、调度方案评价、调度成果管理、系统管理等功能模块组成，组成结构见图4。

图3 水库防洪调度决策系统业务流程图

8.2.5 综合业务管理系统

综合业务管理系统是一个覆盖工程各级管理机构的一体化综合办公体系。其充分运用现代信息技术和网络技术，围绕各管理机构实际办公需要，整合、规范现行业务流程，实现各部门间办公信息互联互通、资源共享、协同办公，全面提高工作效率。

9 智能监控调度系统实体环境建设

图4 水库防洪调度决策系统功能结构图

智能监控调度系统实体环境建设主要包括监控调度中心大厅和机房建设，大屏幕、综合布线、不间断供电、防雷接地等基础设施，监控调度中心位于水库坝后左岸的水库管理处。根据本系统规模，监控调度中心设备所占空间大小，初步确定监控调度中心大厅面积60 m2，机房面积20 m2，为满足工程运行管理的需要，在管理处监控调度中心建设LED 小间距大屏显示系统，大屏显示系统屏幕采用P1.5 产品，像素间距为1.5 mm，显示屏尺寸为3.60 m×2.025 m，分辨率为3360×1890。

10 结语

依据水情自动测报系统预报结果，结合大坝安全监测系统，视频监视系统等。通过软件自动分析计算，进而控制闸门开度，实现水库智能化运行，实现水资源的合理利用。