浅析南水北调东线一期工程调度运行管理系统总体设计方案

1、浅析南水北调东线一期工程调度运行管理系统总体设计方案第32卷第4期2011年I1月水电厂自动化HydropowerPlantAutomationVo1.32No.4NOV.2011浅析南水北调东线一期工程调度运行管理系统总体设计方案方国材,晋成龙,王根喜(中水淮河规划设计研究有限公司,安徽省蚌埠市233001)摘要:从调度运行管理系统逻辑构成的角度将南水北调东线一期工程调度运行管理系统划分为应用系统,应用支撑平台,基础设施,组织管理,技术保障等5个部分,简要阐述了部分系统的结构及功能,为即将实施的调度运行管理系统建设提供一个总体设计方案.关键词:南水北调;东线一期工程;调度运行管理;总体设计0

2、引言南水北调工程是解决中国北方水资源严重短缺问题的重大战略措施.根据国务院批准的南水北调工程总体规划,确定分别从长江下,中,上游向北方调水,形成南水北调东,中,西3条调水线路,与长江,淮河,黄河和海河形成相互连通的”四横三纵”总体格局.南水北调东线工程从长江下游抽江引水,向黄淮海平原东部,山东半岛及淮河以南的里运河东西两侧地区补充水源.南水北调东线一期工程首先调水到山东半岛和鲁北地区,有效缓解该地区最为紧迫的城市缺水问题,并为向天津市应急供水创造条件.规:工程规模为抽江流量为500m./s,入东平湖流量为lO0m./s,过黄河流量为50m./s,送山东半岛流量为50m./s.为保证南水北调东线

3、一期工程安全,.可靠,长期,稳定经济运行,合理调配区域内水资源,利用先进的信息采集技术,通信网络技术,现代遥感技术以及计算机控制处理技术,建设一个集信息采集,计算机监控,调度运行管理,水资源优化配置于一体的自动化系统是非常必要的.1建设目标南水北调东线一期工程从扬州附近长江干流取水,终点是黄河北德州大屯水库和胶东地区威海市米山水库.工程区域内河道,湖泊众多,输水河道总长度约1466.50km,沿线分布着13个梯级35座泵站,96座水闸,39座分水口门,27处水量交水断面设施,123座水文站,l96处水质监测站点,5处水质自动监测站,11座水环境监测中心,2座水质移动实验室,共计170个闸站监控

4、点.收稿日期:2011-0524.为保证东线一期工程安全,可靠,长期,稳定经济运行,合理调配区域内水资源,充分发挥其巨大的经济社会效益,必须以数据采集,数据传输,数据存储和管理为基础,以应用组件,公共服务,应用交互,基础支撑为平台,运用先进的水利技术,通信技术,计算机网络技术,自动控制技术和信息等技术,建设一个以水量调度业务为核心,服务于自动化调度监控,水质监测,工程管理,综合会商,综合办公等业务的调度运行管理系统,从而实现”信息技术标准化,信息采集自动化,信息传输网络化,信息管理集成化,功能结构模块化,业务处理智能化,综合办公电子化”的建设目标.2系统总体方案2.1基本思想2.1.1分层分区

5、建设思想东线一期工程分江苏,山东及省际工程3个部分,江苏,山东及省际调水工程调度和运行管理需求差异较大,根据工程运用特点,确定江苏,山东分三级管理,三级控制,二级调度的组织机构;东线工程省际管理局分二级管理,二级控制,一级调度的组织机构.三级管理:省公司,分公司,管理处.三级控制:计算机控制分省调度中心,分公司(管理局),现地闸站控制室3种控制方式,特殊情况下,由现地手动控制.控制授权优先顺序为现地闸站级别最高,分公司次之,省公司(管理局)最低.二级调度:省公司调度中心;分公司(管理局)调度分中心.一级调度:东线工程省际管理局调度中心.分层:在结构上分为4层(总公司,分公司,管理处及现地站).

6、分区:在横向结构上分为监控区,调度管理区,在监控区布设监控专网,用于闸站自动控制;在调度管理区布设业务内网,支撑水调相关的各项业务应用;在省公司及分公司局域网分别布设业务外网,支撑东线工程门户网站.一57水电厂自动化2.1.2应用支撑平台思想东线一期工程应用系统由6个大应用系统,17个子系统组成,调度运行管理系统开发非常复杂,信息量浩大,各种应用系统间以及应用系统与数据库之间数据调用,交换,共享联系较多,为了使该系统具有良好的适应性,扩展性,高度的资源共享性,避免出现信息孤岛,在江苏,山东及省际工程建设采用应用支撑平台的设计思路.2.1.3统一标准,扩展开放建设思想扩展开放,在标准的支撑下,在

7、统一应用支撑平台的基础上,系统建设采用扩展开放的建设策略,容纳各类资源,系统建设应能容纳不同厂家的不同环境的产品,最终达到设计建设目标.2.2总体框架东线调度运行管理系统逻辑构成包括:应用系统,应用支撑平台,基础设施,组织管理,技术保障等5个部分.省际调度运行管理系统总体框架如图1所示.水量闸站综合综合会商应急三维异地.调度监控会商信息决策响应仿真视频服务支持会议系统系统系统系统系统系统系统系统信息监测水质水情闸站监视监测监测视频管理管理管理监视系统系统系统系统工程:程工程防洪运行管理信息维护系统管理管理系统系统人力财务计划工程综合通用资源资产合同档案办公办公信息管理管理管理系统系统管理系统系

8、统系统系统基础支撑:应用服务器,门户服务器,企业服务总线,消息中间件臣圈臣圃圈匦回计算管机网监理络系控调网度统网图1省际调度运行管理系统总体框架3数据建库及数据库管理系统3.1数据分类南水北调东线工程的各类数据可分为结构化数据(如引水数据,工程安全及水质监测数据等)和非结构化数据(如闸门监控视频数据,办公文档,电子一58一用系统应用支撑平台基础设施地图数据等)2类,数据库管理系统数据分类如图2所示.3.2数据建库数据库逻辑上划分为:业务数据库,基础数据库和元数据库.业务数据库包括水量调度数据库,闸站监控数据库,工程安全与管理数据库,水质数据?水情测报与水调自动化?方国材.等浅析南水北调东线一期

9、工程调度运行管理系统总体设计方案南水北调东线一期工程调度运行管理系统数据分类刮爨图2南水北调东线工程数据分类库,工程防洪数据库,闸站视频监视数据库,三维视景数据库.基础数据库包括空间基础地理信息数据库,沿线地区社会经济和生态数据库,公用基础信息数据库.元数据库是对调度运行管理系统所采集到的各类数据的说明,利用元数据信息共享的特点,可以对分散在各个省公司的重要信息资源有效利用.数据库在物理上是分布式的,在省公司数据中心及分公司数据中心呈二级分布状态,按照数据中心和数据分中心的设置,同类数据尽量集中,并根据应用系统的运行要求保持适当的数据冗余存储.整个数据库系统的物理分布如图3所示.监控网络.调度

10、网络.空间基础地理圜:圈信息及社会经I济与生态环境-省公司数据中心控数据库IIlI数据库ltIttl土.控数据库IIlIi2l:分公司数据中心信息数据库llItl图3东线数据管理系统数据库物理分布监控网络3.3数据库管理系统数据库管理系统的主要功能包括建库管理,数据输入,数据查询输出,数据维护管理,代码维护,数据库安全管理,数据库备份恢复,数据库外部接口等,它是数据更新,数据库建立和维护的主要工具,也是在系统运行过程中进行原始数据处理和查询的主要手段.4计算机网络系统计算机网络是一个覆盖全线各级管理机构和沿线相关管理部门的,具有综合业务功能的开放式大型网络系统,它支撑着各级调水部门各类应用系统

11、的运行与服务.计算机网络系统建设内容包括广域网和局域网2个部分.广域网承载的内容主要为3类应用:远程闸站监控信息承载服务;应用系统数据承载服务;计算机网络,通信系统网络管理信息承载服务.4.1总体设计思路建立管理调度网和监控网2套IP网络,分别承载管理调度办公自动化数据和监控数据.2套网络均采用优化的属性结构方案组网.2套网络物理隔离,提高了网络的安全性和可靠性.监控网主要承载计算机监控等实时信息;管理调度网主要承载应用系统数据承载服务,视频监控数据承载服务和计算机网络,通信系统网络管理信息承载服务.信息承载服务需求如图4所示.4.2广域网络系统建设广域网采用自建的专用通信网提供光传输多业务传

12、输平台(MSTP)组建,MSTP提供以太网通信协议和标准网络接口,可实现数据,语音,图像等传输功能.管理调度网络奎耋釜翥柔曩篓系统综合会商I工程运行管理系统决策支持三三工程防洪系统三维仿真信息监测l水质监测系统综合信息服务与决策会j募筮柔曩N电话N交,换r1N与调N度A侵综合办公l报警系统通信电源集中监控系统通信综合网管系统光缆监测系统图4信息承载服务需求本工程采用自建光纤自愈环型通信网传输,网络本身的可靠性较高,因此本工程采用树型结构为主的网络结构方案.同时对树型结构进行优化,将各分公司节点分别与相邻的分公司节点通过链路进行广域网连接,以保证省公司瘫痪后,各分公司之间仍可进行通信.优化后的监

13、控广域网结构见图5.一59水电厂自动化江苏水源公司蓥l,ill淮安四站I1淮阴二站lI=:金湖站lI淮阴闸ll淮阴三站IJ二河闸lI.洪泽站lIlI泵闸站,分水口门百兆网络交换机江淮数据灾备中心骆ll东线北Il工程分Il数据公ll灾备司Jl中心东线工程省际管理局济宁数据灾备中心枣庄局济l济言H霭山东干线公司德卅I局聊城局II蒲家坝站ll台儿庄站ll二级坝站刘山站ll姚楼河闸解台站ll骆控工程ll大沙河闸ll潘庄引河闸ll杨官屯河闸台儿庄峰城万年闸泵站韩庄泵站八里湾泵站东平微山任城市中汶上嘉祥梁山长沟泵站邓楼泵站平阴长清槐荫天桥历城章丘东湖水库高青邹平博兴恒台东营寿光双五城水库夏津武城大屯水库东

14、昌府阳谷东阿荏平临清泵闸站,分水口门泵闸站,分水口门百兆网络交换机百兆网络交换机图5监控广域网结构4.3局域网络建设4.3.1建网方案设计局域网采用核心层,汇聚层和接入层的3层结构形式,采用以百兆全交换快速以太网作为接人层,以千兆以太网作为汇聚层和骨干层的高速宽带网络.核心层由核心3层交换机互联构成,负责整个部门网络流量的汇聚和转发;汇聚层由部门网内各网络区域的汇聚交换机构成,负责分区域汇聚网络流量和接入用户,汇聚交换机通过千兆光纤链路连接到核心交换机上;接入层由接入交换机构成,负责面WwwllDNSllEm枷IlFTP服务器Il服务器ll服务器Il服务器泵闸站,分水口门百兆网络交换机核心层(

15、50Mbiffs)汇聚层(20Mbiffs)接人层接人终端用户,接入交换机通过百兆链路连接到汇聚交换机上.4.3.2网络结构的划分省公司,各分公司均建设以广域网核心路由交换机为核心,以千兆以太网为主干,以快速以太网,交换以太网为分支的高速局域网络.为了实现监控网和调度网的安全隔离,避免来自Internet的网络攻击,要求采用独立的综合布线系统建立独立的监控区和管理调度区,分别承载监控网和调度管理网.省公司网络拓扑如图6所示._堕:尘奎垫卜.笪塑壁!尘接人交换机l网络ll数据库ll数据库II防病毒ll网络安全llWebGISll管理II管理ll管理ll网络服务器ll服务器ll服务器lI服务器ll

16、服务器ll服务器ll工作站Il工作站ll工作站ll打印机图6省公司网络拓扑5通信系统通信传输系统是各种业务的公共传送平台,主要为南水北调东线工程各级管理机构之间以及现地站与管理机构之间的语音,数据,图像等各种信息提供高速可靠的传输通道.它包括通信传输系统,程控交换系统,时钟同步系统,通信光缆线路工程,通一60一信电缆线路工程,通信管道工程,通信电源系统,其中以通信传输系统,程控交换系统最为复杂关键,下文将加以阐述.5.1通信传输系统5.1.1组网技术选择光纤通信传输应满足工程全线计算机网络系统灵活组网的带宽需要;满足与南水北调东线后期工?水情测报与水调自动化?方国材,等浅析南水北调东线一期工程

17、调度运行管理系统总体设计方案程通信联络和灵活组网的需要.结合南水北调东线一期工程通信系统的特点,采用基于同步数字体系(SDH)的MSTP技术组网,比较安全,业务与电信不重合,自行管理,通道容量可根据自身需要设置.5.1.2通信骨干网网络方案根据SDH传输的特点,通信骨干网:采用环网结构,按照工程行政区,管理模式,光缆的路由,业务需求,信息流向组成多个光纤SDH自愈环,环与环相交.通信骨干网通信节点新建站51个,其中,山东省共有24个通信节点,江苏有22个通信节点,东线工程省际管理局有5个通信节点.江苏境内江淮分中心,洪泽分中心,洪骆分中心,骆北分中心基本上以100Mbit/s光纤接口由二级接入

18、骨干光纤网.东线工程省际管理局以MSTP的622MI:-it/s光传输系统接入骨干网.山东境内的所有站点均为新建站点,均采用基于SDH的MSTP的622Mbit/s或155Mbit/s光传输系统接入骨干网.5.2程控交换系统根据本工程特点,考虑光纤环网的可靠性和调度交换设备的可靠程度,为避免重复投资,拟将各级行政与调度系统通信合二为一,设置行政与调度合一的交换机.把调度系统设置在交换系统的平台上,这样系统中的每一部分机都可作为调度电话使用(通过软件设置),整个系统设置灵活,适应性强,可靠性高,便于今后新功能新业务的开展.根据工程管理模式和行政区,各调度交换系统按三级设置.一级为省公司交换机系统

19、,作为一级汇接局;二级为分公司交换系统,作为二级汇接局,三级为管理处交换机系统,作为接人局.6应用支撑平台应用支撑平台是南水北调东线工程调度运行管理系统的重要组成部分,位于调度运行管理系统3层框架的中间层.它是连接基础设施和应用系统的桥梁,其作用是实现资源的有效共享和应用系统的互连互通,对于整个调度运行管理系统的功能实现,稳定性,可扩展性等各个方面都起到至关重要的作用.应用支撑平台由应用组件,公共服务,应用交互,基础支撑等4个部分组成,应用支撑平台组成结构如图7所示.图7应用支撑平台组成结构应用支撑平台的总体框架是在省网公司建立调度中心,在各个分公司(管理局)建立调度分中心,负责数据的采集与管

20、理,保证调度管理运行系统的可靠性和安全性.部署在省网公司的应用支撑平台是全模块,全功能的,部署在各个分公司的应用支撑平台搭建各自系统运行的基础环境.7应用系统应用系统是用户直接使用的与业务有关的各子系统集合,是人机交互的基础.应用系统主要包括水量调度,闸站监控,综合会商,信息监测监视,工程管理及综合办公等6个部分,共有17个子系统,其中以水量调度,闸站监控子系统最为关键.7.1水量调度系统水量调度系统是建立在数据采集,通信传输,工作实体环境和数据存储管理体系上,以应用支撑平台为基础,紧密结合闸站监控,水情监测,水质监测及闸站视频监视等应用系统,以及在综合会商系统的支持下,完成水量调度的业务处理

21、功能.水量调度系统由水量调度日常业务处理子系统,年内水量分配方案编制子系统,实时水量调度子系统,应急水量调度子系统,水量统计和水费计算子系统,水量调度评价子系统等6个子系统组成.7.1.1水量调度日常业务处理子系统水量调度日常业务处理子系统主要负责的任务有:协调完成全线用水计划的编制,以及调水安全及险情的监视,监控和运行管理;协商全线分配规则的制定及管理;协商供水数据和需水数据的确定;协调方案编制请求的发送,汇编调度公文的拟定和传递,实时和应急调度指令发布,并对分配计一61水电厂tti动化划,调度方案和指令进行存储备案,以备查询;全线引水量的统计分析和水费计算,兼有保障全线水量调度日常业务处理

22、信息化系统安全可靠运行的重任;采集全线调水实时数据,并存人数据中心的水量调度相关数据库及远程异地容灾系统进行备份.7.1.2年内水量分配方案编制子案系统年内水量分配方案编制子系统主要功能是省公司汇总分析整理本省各分公司提供的沿线各用水需求,依据可供水量与需求水量平衡分配规则,运用水量分配模型,平衡用户需水与供水的矛盾,制定科学有效的年,月,旬供水计划.其主要目标是建立年内水量分配的业务工作流程,主要任务是建立水量分酿的系统概化模型,提出分配方案编制模型的功能要求,设计模型与方案编制系统的接口,以及设计方案编制系统的功能模块.7.1.3实时调度子系统实时调度子系统在旬水量分配方案基础上,根据实际

23、调度状态制定实时调度指令,以各泵站,各节制闸,分水口门,其他控制建筑物的目标流量和目标水位为指令,指令下发现地站执行;并实时监控闸站监控系统的水量调度反馈,当发生偏离目标值,则重新制定调度目标,发布调度指令覆盖原有指令,现地站执行新指令.7.1.4应急调度子系统应急调度子系统是水情监测系统,工程防洪信息管理系统,水质监测系统等其他与工程调度管理直接相关的应用系统在水量调度业务处理的集中表现系统.应急调度子系统能够接受闸站监控系统反馈的运行险情,工程防洪信息管理系统反馈的工程运行安全险情,水质监测系统反馈的突发水质污染险情以及各级管理机构接到的辖区特殊需水要求等,按照水质监测,工程运行维护,工程

24、防洪等相关系统提出的针对险情的调度要求,采用相应的应急调度预案,发布应急调度指令,来满足不同水量调度应急险情的要求.7.1.5水量统计与水费计算子系统通过闸站监控系统输出的运行概要数据,统计分析全线分水口,退水口的逐日实时引水量过程,并对全线引水过程进行一定时段内的水量平衡,根据水量损失分摊原则进行损耗水量分摊,并按日,旬,月,年对各个口门的引退水量进行分时段统计,统计结果写入水量调度数据库,为水费征收,调度评价,效益分析,信息发布及制定分配计划等提供数据支持.7.1.6水量调度评价子系统水量调度方案评价子系统是水量调度管理效果一62一的分析平台.水量调度评价系统建立评价水量调度方案实施效果的

25、评价指标,评价方法和评价模型,从计划完成情况,供水保证程度,渠道输水稳定情况,供水效率,渠道输水能力等方面对年,月,旬水量调度结果进行评价,通过评价不断优化调度参数,提高调水工程效益和调水利用效率,为滚动编制水量分配方案提供支持.7.2闸站监控系统闸站监控系统是调度运行管理系统的关键系统之一,担负着全线所有闸站的生产运行任务:根据安全输水,精确量水的思想,结合工程条件,机构设置和管理要求,制定出完善的控制策略和存储机制;运用先进的三层架构,构造高效,快捷的监控服务体系;将闸站抽象为监控对象,作为监控服务的基本单元,既便于运行维护,又便于系统集成;根据生产运行的实际需要,合理设计系统的冗余和安全

26、;根据用户的特点,设计友好简洁的用户界面,做到操作的方便快捷.闸站监控系统采用3层结构,即系统由2个省公司和东线工程省际管理局,10个分公司(管理局)和170个现地监控站构成.7.2.1计算机监控系统主要内容闸站监控系统主要内容包括:建设江苏省公司,4个分公司远程闸站监控子系统;建设山东省公司,6个管理局远程闸站监控子系统;建设东线工程省际管理局远程闸站监控子系统;在江苏江淮分公司,山东穿黄管理处和东线工程省际管理局设立数据容灾备份中心;与现地闸站监控子系统通信接口.7.2.2远程闸站监控子系统远程闸站监控子系统采用三层架构模式.三层架构分别为表现层,业务层,数据源层.其中,业务层又可分为2个

27、子层:监测控制子层和数据访问子层,远程闸站监控系统三层架构模式如图8所示.监控系统人机交互界面(监测,告警,控制,查询,统计)向其他系统的数据访问接口(当前观测数据,时间段观测数据,控制命令)0监测控制子层;身份认证,数据采集与告警控制命令闸站控制:数据访问子层;数据查询与存储0监控系统数据库I/O服务图8远程闸站监控系统三层架构模式(下转第68页)表现层业务层数据源水电厂自动化参考文献1于德荣,郭瑞.高水头水电站技术供水系统减压方案的研究J.中国农村水利水电,2007(10):119121,123.E2徐韬.隔河岩水电厂技术供水系统改进EJ.湖北水力发电,2009(2):495O.3林昌杰,吴沈军.低水头电站技术供水几个问题的探讨口.浙江水力科技,2004(5):3940.4郑源,王超.高水头水电站技术供水系统设计J.水利水电工程设计,2001(3):2022.E55阎修建.漫湾水电站机组技术供水系统J_.水电站机电技术,1996(7):485I.6甘楠,李仕宏.天生桥二级水电站技术供水系统设计回顾I-J.水电勘