甘肃兴电灌区信息化建设做法与经验-论文

1 / 20 甘肃兴电灌区信息化建设做法与经验（拓万虎） 文章背景：为贯彻落实全国水利信息化工会议精神，切实发挥信息技术在大型灌区建设与管理中的作用，推动大型灌区信息化建设的健康发展，中国灌溉排水发展中心于 2009年 9 月 24 日 26 日在甘肃省景泰县举办了 “ 灌区信息技术与应用培训班 ” ，主要培训内容有：大型灌区续建配套与节水改造管理信息系统应用、灌区量水技术与设备、业务应用系统建设与管理、以及典型灌区信息化建设经验交流。 来自全国大型灌区的近 200 多名代表参加了培训学习。甘肃省兴电灌区在培训班上做了题为甘肃兴电灌区 信息化建设做法与经验的交流发言，与会代表认 为甘肃兴电灌区泵站监控与信息化管理系统，在多级提水灌溉泵站计算机自动监控和信息化管理领域具有较高的水平和良好的推广应用前景。 1前言 兴电灌区位于甘肃省与宁夏回族自治区接壤地带，为沿黄河高扬程提水的大型灌区。受益区为甘肃靖远县、平川区和宁夏中宁县、砂坡头区的 10 个乡镇，受益人口 18 万多人，其中移民 7.6 万人，少数民族人口 3.1 万人。 灌区是高扬程电力提水的农业灌溉工程。设九级泵站提水，总扬程 477.75m，配电变电站三座；设 9 个水管所，建2 / 20 成总干渠 1 条，干渠 2 条， 支干渠 7 条，支渠 54 条，斗渠493 条；设计灌溉面积 30.18 万亩。设计提水流量 10m3/s，年提水 1.2 亿 m3。 灌区工程于 1976 年开始建设。当时是为了建设一处灌溉扶贫工程，解决兴堡川及周边干旱地区人民的饮水和吃粮问题。在温饱的基础上逐步脱贫致富，同时改善灌区的生态和环境。工程开始发挥效益，为改善当地农业生产条件，治理水土流失、保持生态平衡、改善生态环境，发挥了巨大的作用，效益显著。特别是在多年大旱中，为抗旱保粮扶贫开发做出了巨大贡献，为灌区人民生存奠定了坚实基础。 提水、输水及水量分配是灌区管理的中心工 作。但长期以来，由于管理手段落后、方法陈旧，造成管理能力和水平不高，在一定程度上严重影响和制约着灌区经济的发展。因此，如何有效利用信息资源，为管理决策提供科学的信息支持和服务，已成为提高现代化管理水平，向管理要效益的一项重要而紧迫的任务。所以，加快灌区信息化建设，提高对信息的收集、传送、处理、共享、查询、使用及管理，建立一套适时、实用的兴电灌区信息化管理系统，已成为当务之急。 . 兴电灌区信息化建设总体思路和规划内容 信息化是现代科技发展的重要标志，以水利信息化建设为核心，贯彻治水新思路，推进水利现代化进程 。通过采用3 / 20 信息化管理技术和手段，提高对水资源的调控能力、水工程的自动化水平和水管理的信息化水平。从根本上摆脱水利行业技术落后、管理薄弱等状况，推进水利管理方式的彻底转变，不断提高水利行业现代化管理能力和水平。因此，兴电灌区为适应水利信息化建设的要求和信息技术发展的趋势，以需求为导向，立足应用，解决管理工作中存在的问题，研制开发出适合本灌区实际应用的信息化管理系统。 早在 1998 年 ,兴电灌区就将自动化监控系统建设列入议事日程。抽调专门技术人员，组织学习、培训、咨询、走访和调研等活动，并邀请相关院校及开发商的专 家来现场研讨论证，从而积累了一定经验。初步编制出适合兴电灌区实际，切实可行，经济合理的信息化系统工程规划方案。在此基础上 ,根据水利部司局函关于开展大型灌区信息化建设试点工作的通知，又与南京水利水文自动化研究所共同完成了兴电灌区信息化建设规划方案和实施方案。 002 年 10 月，中国灌溉排水发展中心受水利部农水司委托，组成专家组莅临灌区现场，对兴电灌区信息化建设规划方案和实施方案进行了评估。并签发关于甘肃省兴电灌区信息化建设规划报告及其实施方案评估意见的函，认为规划方案和实施 方案符合编制要求。其评估意见中对该灌区信息化的技术方案、运行管理和经济评价等部分提出了应进一步明确和论证的要求。于是，兴电4 / 20 灌区与设计单位共同作了认真分析探讨，多次咨询考察了兄弟灌区的类似方案及技术要求，借鉴其先进经验。又经灌排中心多次培训指导和邀请专家咨询讲座，共同 研讨论证。对兴电灌区信息化建设方案做了更进一步补充和完善。随之水利部将兴电灌区列为全国大型灌区信息化建设试点单位 ,并从 2003 年开始分年度投资实施。 根据全国水利信息化规划纲要以及全国水利信息化发展“十一五”规划要求，结合兴电灌区建设需 求，规划内容为：建设调度中心信息化管理总站 1 个，泵站监控子站 8 个，变电站监控子站 3 个，水管所监控子站 9 个，建设专用光纤传输网络线路 98km，建设 9 个业务应用系统。 . 兴电灌区信息化试点项目建设情况 兴电灌区坚持“科学规划，因地制宜，急用先建，先进适用，高效可靠”的原则，针对本灌区的特点，按照年度投资计划及实施方案， 003 年度至 2008 年度实施完成了 1 个调度中心信息管理总站、 8 个泵站子站、 3 个变电站子站、 2 个闸门监控子站、光缆线路 98km 及以下系统的建设。 网络及通信系统 工业以太网络系统 在每座泵站、 水管所安装工业以太网交换机，利用架设的光缆线路，将提水泵站中一至八泵的光纤联结构成一个千兆光网，水管所大坝所至靖安所的光纤联结构成一个千兆光5 / 20 网。两个千兆光网接入到赵碑变电站的三层核心交换机上，与管理中心的工业以太网交换机联接，实现全灌区管理单位千兆光纤骨干网络。 本网络的建成，主干上网络带宽达到 1000M(1G)。保证了子站内的视频数据和子站监控系统数据传输的需要，同时还有很大的富裕带宽。采用的工业以太网技术以其高带宽、高可靠性、容易使用、通信协议有更高的灵活性等特点逐步取代其它工业通讯网络，保证了以后系统 的可扩展性。 计算机网络系统 建立办公大楼综合布线系统及局域网络系统，实现千兆主干百兆到桌面的内部网络；基层单位在工业以太网交换机划分的 VLAN 中接入网管型桌面交换机，组建各自的内部局域网。同时建立基于光纤联接的 10M 速率 Internet 宽带接入，设置网络防火墙及防病毒系统，局机关及基层单位所有电脑通过局域网共享上网。 VOIP 网络电话通讯 在已有数字程控交换电话的基础上，在管理局通信中心增装一台 CCP1000 交换设备，在下属各单位安装 IP 话机，管理局与下属基层单位实现 VOIP 通讯，组网示意图如下： 所 有 IP 话机都向中心的 CCP1000 通信交换设备注册，同时 CCP1000 可以通过 E1 电路与原 PBX 对接，实现PBX/CCP1000/IP Phone 的组网，达到总部与下属单位的 VOIP6 / 20 通讯。 并且实现 CCP1000 交换机与原有 HJD04 RM 电话交换机通过数字中继兼容对接，实现全局 IP 网络电话与原模拟分机的等位电话互通拨号，保持原有号码分配与拔号方式不变，方便用户使用。基于内网的 VOIP 电话系统，提供了高清晰的内部免费语音和可视化通讯，并支持多种增值业务，如来电显示、电话会议、电话录音等，解决了运行调度的 通讯 及业务扩展能力。 泵站、变电站现场监控系统 泵站的数据采集系统为集散系统结构，采用分布式总线智能测控网络多主站高速测控前端设备。利用传感探测技术，在原设备上加装温度传感器、超声波或远红外线液位计、电磁式或超声波流量计、位置传感器、继电器等。完成对温度、水位、流量、机组振动、窜动、出水管道压力、电压、电流、功率、功率因数、电量的监测任务，以及完成泵站电气控制设备的隔离刀闸位置、油开关分合判断及控制任务。智能测控前端分别安装在测控对象附近，缩短信号线长度，有效防止干扰和衰减，直接接入电流、电压互感器的二次侧信 号 ,不需要任何电量变送器 ,减少了中间环节。采 用现场总线技术将所有智能测控前端联接起来，经专用网卡接入现场工业控制计算机，完成所有测控点的采集和控制任务。构成单座泵站独立运行的现场监测控制子站系统。 视频监控系统 7 / 20 在泵站安装视频工控主机、视频采集卡，高清摄像机、云台控制器、视频解码器等，完成视频图像实时采集，构成图像监控系统。采用先进的数字硬盘录像监控系统，支持 24路音视频同步实时录像，容量大，性能稳定，图像质量清晰。支持一路音视频实时预览，音视频完全同步播放，强大的录像功能是采用帧冗余技术。定时录像和手动 录像文件在切换录像的时候，满足工控标准。 泵站的图像监控系统经光纤局域网络进入调度运行管理层后，还具有完善的网络用户管理功能，不同的用户对不同通道有不同的权限，可以灵活设置，充分满足用户的各种应用需要。在中心监控总站实现对子站设备运行工况、人员工作情况的远程实时监控。 调度信息管理总站系统 在调度中心建立计算机管理工作总站，利用光纤网络将管理总站与各个子站联结起来，构成一个整体逻辑上的计算机局域网络，达到数据信息传输、视频图像信息传输、资源共享的需要。每个子站的计算机通过高速通信设备接入光纤网络，在调度中 心按点对多点方式接入各子站的数据，实现调度中心对所有泵站、变电站、水管所的运行管理和调度控制。 中心总站的建成主要实现了对子站数据的采集、处理、存储、设备遥控、图像监视、故障报警、事故追忆、系统设8 / 20 置、维护，及灌区工程运行工况的查询、数据检索、统计、报表生成、调度决策分析等，为进一步优化调度、合理灌溉提供科学依据。 灌区基础数据库系统 完成兴电灌区基础数据库的硬件设备安装、楼宇网络线路布局、管理系统软件开发、以及所有科室子库、泵站子库、水管所子库挂网等工程。各挂网子库分别存储管理相应的业务数据，并且通过数据 库服务器和存储器浏览共享所有数据。建成多子库结构的管理数据库系统。具有危险分散、存储分散、管理集中等特点。 电子政务系统 电子政务系统工程主要分两大部分建设。 多媒体培训研讨及会议系统。建成一套信息化培训研讨多媒体系统，主要包括高清多功能视频会议系统， IDB 交互式数字平台系统，彩色 LED 电子显示屏系统。具备主会场的各种视频显示功能和音频播放功能、多点及多画面视频会议功能、多种音视频信号切换功能； IDB 数字平台提供一套直观、便捷的图形化工作环境，使办公、教学、专业讨论，学术展示等交流变得高效与便利。为灌区 管理中举办各类重点学术交流会、重点报告会、研讨会、综合会议、小型室内文艺演出；进行多媒体网络学术报告、同期录音等大大提高了工作效率。 9 / 20 政务管理系统。在数据库建成的基础上，利用局域网，最终目的是实现灌区日常事务管理信息化，同时为领导决策和工作人员日常工作提供信息服务。局领导、机关各科室、各泵站、变电站、水管所及下属企业配备计算机，通过通信系统组成办公局域网，开发办公自动化系统软件，实现公文流转，会议管理、公用信息管理，使灌区日常事务管理和业务管理信息化。 电子政务系统工程目前仅完成了规划的部分内容，待全部规 划模块完成后，将对灌区日常办公、辅助办公、个人办公、资源管理、信息发布、工作下达、信息反馈等提供系统化、规范化运行平台，提高办公效率，减轻工作负担，节约办公经费，达到办公无纸化、资源信息化、决策科学化。 . 兴电灌区信息化试点项目建设成效 .1 已建成信息化管理系统的技术创新 兴电灌区作为全国大型灌区信息化建设试点项目，研究开发的管理系统成功应用后，解决了多梯级、高扬程电力提水灌溉工程泵站之间距离远、地处偏僻、通信不便、基础设施相对落后、调度方式比较复杂等管理方面的问题。实现了应用高科技信息技术远程管理泵站 运行和渠系闸门监控，提高了现代化管理水平。系统具有地域分布广，关联级数多、涉及技术领域广，实用性、经济性、可靠性要求高等特点。主要的技术创新体现在： 10 / 20 实现了由不同的信息网络组成的大型分布式控制系统，系统设计测控范围广、功能强大。 利用先进的测控技术实现了大量异类信息的采集与设备监控。信息采集点数目多，种类杂。系统采用不同的信息采集单元，完成了复杂的信息测控任务，并用现场总线网络把各个单元联系起来，由功能强大的工业控制计算机进行协调、监控，并与调度中心通信。技术先进，实时性强，测控电路采用全隔离、全浮 空的差动输入方式，可靠性高、抗干扰能力强。 系统融合了先进的设备与技术，实现图像、声音等多媒体信息的传输与处理。在泵站安装视频工控主机、视频采集卡，高清晰度摄像机、云台控制器、视频解码器，完成视频图像实时采集，构成泵站的图像监视系统。视频信息经光纤局域网络进入调度运行管理层后，中心监控总站和相关科室及领导，实现对泵站设备运行工况、人员工作情况的远程实时监控。 在先进的软件平台上开发了功能强大的控制组态软件、系统调度与管理软件。各子站工控机、调度主机、维护工作站采用 Windows000 Professional /Windows XP 操作平台，服务器安装 Windows00Server 平台，应用软件系统平台采用 Fix/iFix 工业通用组态软件，数据采集和控制部分及数据接口采用高级编程语言 Visual Basic6.0。整个软件系11 / 20 统功能强大、可维护性强、软件平台化设计，人机界面友好，系统结构灵活多变，软件开放性强、操作简便、易于升级和扩容。 对原有主控设备的改造设计巧妙、构思新颖，新系统与原有设备联系紧密，是现代信息技术与原有传统设备的有机结合。所增加的测控单元以及对主控设备的保护单元都是对原有设备功 能的补充和完善，使整个系统虽然没有增加大量的设备和投资，但性能却极大改善，功能更加强大。 系统具有灵活性和开放性，易于平滑升级和无缝扩容。在后续项目实施中，增加和完善管理考核、业务查询、用水管理、电子政务、公众服务等系统，将会大大提升信息化管理水平。 .信息化建设试点项目实施后获取的功效 兴电灌区信息化管理系统的成功应用，为精确考核提水耗电量，准确计量水量，精确计算水费收入，提高安全运行率，流量变化的应变能力、改善供水的及时性和准确性以及水资源的优化配置创造了条件。 确保泵站提水和闸门配水在预定流量 下运行，达到调度运行总体优化和水资源优化配置。泵站提水量在同等条件下达到了最大，闸口利用监测设备能准确测量流过渠道的流量、精确计量水量，避免了肉眼观察水位的读数误差，通过自动控制闸门的开度能够准确地按照调度分配计划合理12 / 20 供水。 保证了输水渠道和建筑物的安全运行。系统中的渠道水位和前池水位监测装置实时监测运行水位，让工作人员能及时发现因杂物堆积到拦污栅前形成较大落差，从而造成水头损失。同时还设高限水位和超高限水位两级越限值，达到双重保险。当水位达到高限值时及时告警，促使调度值班人员提前采取措施，确保水位不致 超越高限。当水位达到超高限值时，系统将会自动启动一台备用机组，或调度员远程启动一台机组进行调节 ,当水位抽到高限值以下时自动停止该机组。这样就有效地防止了以前由于高水位运行造成的跨渠事故和溢水造成的冲毁渠堤及边坡滑坡事故。 保证了电气设备的安全运行。系统实时监测泵站电气设备的工作电压、电流和铁芯、轴承温度等参数，供运行人员实时掌握设备状况和变化趋势，并同时设定事故、预告报警两级越限值，即一级越限告警，二级越限切断故障电源，及早发现设备的故障和事故以便处理。系统的实时监测和调节功能，有效防止电动机长期轻载或 超载运行，保证了电气设备在额定状态下运行，如通过自动调节运行中同步电动机的励磁电流值，自动调节单站的功率因数等。从而提高了设备运行效率，提高紧急事故的监视和处理能力，保证安全运行。 确保主水泵的高效可靠运行。系统实时监测水泵轴13 / 20 承温度、进出口真空度和压力、提水流量、震动窜动等参数，很好地把握了水泵工作性能，不致使水泵由于轴承温度高于设定的越限值而造成事故；也不致由于前池水位低于所设定的低限值，使水泵内进入空气或出水压力不足而造成效率下降。杜绝了以前由于人工管理中的疏忽使水泵长时间低效运行而不能及时发现所造 成的损失，达到节约能源，降低能源单耗效果。 有效防止了水锤破坏。兴电灌区泵站总扬程达477.75m,单站平均扬程 53m，提水流量 10m3/s，各泵站管道长度在 496m 至 622m 之间，管径 1400mm。在运行中，由于供电电网发生事故或超负荷崩溃现象频繁出现，经常导致泵站发生突然失电事故，造成压力管道中水流急剧变化，引起压力突然升高或降低，产生剧烈的水锤破坏。由水锤计算可知，水锤压力与阀门特性及其关闭速度密切相关。兴电灌区根据泵站和管道特性参数，经过认真计算，确定了每座泵站关阀时间，选用分两阶段关闭的液压电 磁阀控制的缓闭止回蝶阀。将关阀程序和时间受 计算机管理系统控制，不但有效防止了水锤破坏，而且有效控制了管道中压力水的倒流流量和水泵机组的倒转速度，遏制了机组倒转飞车造成的损失。 系统对泵站所有设备状态的监测，有利于及时发现疏漏环节、稳定运行工作点，使泵站在经济高效平稳的工况下运行。实时监测机组的运行、备用、检修状态；开关、隔14 / 20 离刀闸的闭合、断开状态；阀门的开启、关闭状态；电磁控制回路完好、断线状态；信号系统工作状态等；用视频系统监视泵站内外环境状态；机组震动窜动状态；漏水漏油状态；现场人员工作状态等。有效防 止了机组低效运行，及时发现安全隐患，提高设备运行的可靠性，确保泵站效率达到最高，长久保持良性运行状态。使能源单耗由原来的 4.695kWh/kTm降低到现在的 4.5kWh/kTm 以下，年节约电量 769 万 kWh,节省电费 230.7 万元；每年比原来减少渠道和进出水池溢水、事故泄水、故障弃水等外 340 多万 m3，增收水费 81.6 万元；由于泵站运行经济，效率稳定在高效区，发现问题及时，故障处理到位，基本杜绝了人为失误和责任事故，同比每年可多提水 490 万 m3，增收水费 117.6 万元；渠系水利用率同比提高 3%，年多供水 285.6 万 m3，增收水费 76 万元。从而达到节约用水，提高经济效益、管理水平之目的。 项目实施后，减轻了泵站、变电站、水管所运行值班人员的劳动强度，提高了工作效率，降低运行管理费用，精减部分冗员，达到少人值守、少人巡查。单座泵站运行人员 16 人经过考试考核择优录用精减到 9 人，共有 48 人调整到自收自支的企业单位，年可减少人员经费约 110 万元。 兴电灌区泵站监控系统与信息化管理系统实现了应用高科技信息技术远程管理泵站运营，提高了电力提灌工程现代化管理水平，使泵站设备安全运行率达到 99%以上，保证15 / 20 了安全生产，使水利 管理向自动化、智能化、网络化、信息化管理方面发展。研发应用的软件系统和数据库系统专业性强，功能齐全，可操作性强，人机界面友好。系统自动将所有的提水量、供水量、水费收入与能耗数据实时产生报表，有利于发现疏漏环节，进一步提高管理质量。各个基层单位与调度中心之间即是相对独立，又是紧密联系的一个整体；分则能独立运行，合则能协作调整。 事实证明，通过现代化高科技的手段，在兴电灌区建立信息化管理系统，实施信息化管理，提高调度运行的管理水平、方便调度管理、优化运行方式、才能实现安全运行、节约水量、节约能源、降低能耗之目标 ，提高紧急事故的监视和处理能力、减少水量损失和防止事故扩大、保障安全、提高经济效益，确保数据传递的实时性与准确性，为管理决策提供可靠支持依据。因此，信息化管理系统在兴电灌区的建设和应用是极为必要的。该系统的开发应用，为同类型灌区实现经济、实用、安全、可靠的信息化管理开辟了可行的道路。 .获得的评价及荣誉 兴电灌区信息化项目的成功应用，得到国内外人事的关注和支持，并提出很好评价。如：河海大学陈金水教授来兴电参观后认为“兴电灌区信息化系统先进、经济、实用，易于操作，便于使用，投资省，见效快，值得学习借鉴”；灌16 / 20 排 中心专家组对我们的实施方案评价是“这个方案深度达到要求了，内容基本上达到要求。这是应该称赞的。希望兴电后来居上”；水利部调研组在兴电灌区调研时认为：“兴电灌区的管理及效益，已经不是西部的水平，已经达到了超东部水平，整体走在全国前列”；美国专家霍华德 ? ?张教授在兴电灌区进行 “ 水资源咨询活动 ” 时说 “ 你们做 的很好，真的很了不起”；中日技术合作灌区参与式项目驻华专家户板 ?隆一行来兴电看了信息化系统操作演习后说： “ 这个项目已达到国际先进水平 ” 。 在由甘肃省科技厅组织、甘肃省水利厅主持，国内知名专家参加的兴电灌区泵站 监控与信息化管理系统成果鉴定会上。鉴定委员会认为：“兴电灌区泵站监控与信息化管理系统，在多级提水灌溉泵站计算机自动监控和信息化管理领域，整体上达到国际先进水平，具有良好的推广应用前景”。2006 年连续获得了国家大禹水利三等奖；甘肃省科技进步三等奖；甘肃省水利科技进步一等奖。曾两次荣获水利部颁发的 “ 全国大型灌区精神文明建设先进单位 ” 称号。 兴电的信息化建设与应用得到了社会各界及同行的认可，也激励了兴电人的再奋斗热情，后续的工作我们将在水利主管部门及各位专家的指导与支持下做得更加完美。 . 经验和体会 为实施好 全国大型灌区信息化建设试点项目，兴电灌区17 / 20 立足以需求为导向，因地制宜，讲求效益，以水利信息化带动水利现代化。按照 “ 科学规划、分步实施、先进实用、高效可靠 ” 的原则，充分利用现有资源，采用 “ 自主开发、技术引进 ” 的方法，着力解决工程管理工作中存在的数字化程度不高、时效性不强、信息管理分散、处理手段落后、信息共享机制不全、使用效率低等突出问题。彻底改变过去人工操作的落后局面。用现代理性思维和理念转变传统的治水思路，向管理要效益。结合兴电灌区实际，一是科学布设信息采集点；二是合理确定控制方式；三是从灌区管理 的实际需要 出发构建网络；四是高度重视应用系统的开发和使用，选择成熟技术和产品，开发实用可靠的信息管理系统，实现灌区管理信息化。 领导重视，组织保障体制健全 灌区主要领导高度重视，响亮提出建设“数字兴电”的口号，把信息化建设作为一项精品工程来抓。健全组织机构，成立信息化建设领导小组，局领导亲自任组长，参与信息化方案的决策实施，抽调专业人员，组建信息化建设办公室。结合兴电实际，选择成熟的技术和产品以及个性化的管理软件，走兴电特色的信息化建设之路，使信息化建设少走弯路。有力推进信息化建设进程，效果十分明显。 兴电灌 区建立信息化管理中心，成立专门的管理机构，设立专管人员 6 名。其中程序工程师 1 名，程序员 1 名，18 / 20 硬件设备维护管理员 1 名，系统网络维护管理员 1 名，现场一次元件及数采信号网络管理维护人员 2 名。兼职人员 22名，在已建成的子站，经培训合格，各确定兼职维护员 2 名。形成管理、应用、维护一条龙的管理模式，使信息化建设在管理中提高，应用中完善。始终与合作的公司、院校保持良好的合作关系，建立互动平台，定期回访