烏溪江水情測報系統(tǒng)雙通道通信模式改造

王淑香

(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江 衢州 324000)

1 電站概況

水情自動測報系統(tǒng)是集通信、遙測和計算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)于一體，用來實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理和預(yù)報的現(xiàn)代化自動實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，它是水庫調(diào)度人員制訂洪水預(yù)報、調(diào)洪演算、洪水調(diào)度及防洪調(diào)度方案的依據(jù)，因此，系統(tǒng)的實時性及可靠性是非常重要的。烏溪江梯級電站根據(jù)流域地形及實際需要，從1982年開始建設(shè)水情自動測報系統(tǒng)，此后在運行中根據(jù)發(fā)展的需要不斷加以改進(jìn)和完善，由單一的超短波通信擴(kuò)展為超短波與短信雙通道通信模式，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的暢通率和可用度。

浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠由湖南鎮(zhèn)、黃壇口兩梯級電站組成，在浙江電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用及黑啟動的作用。梯級水庫在衢江甚至是錢塘江流域的洪水調(diào)度中占有非常重要的地位，承擔(dān)下游防洪抗旱和為衢江洪峰錯峰的任務(wù)。一級湖南鎮(zhèn)水庫具有不完全多年調(diào)節(jié)能力，為國家二級重點防汛水庫，壩址以上控制流域面積為2151 km2，現(xiàn)總裝機(jī)容量為320 MW，機(jī)組總發(fā)電引用流量約350 m3/s;二級黃壇口水庫距湖南鎮(zhèn)電站29 km，區(qū)間流域面積為237 km2，裝機(jī)容量為52 MW，在梯級聯(lián)合運行中，以日調(diào)節(jié)運行方式為優(yōu)。

烏溪江是錢塘江上游衢江的一大支流，發(fā)源于浙閩交界的仙霞嶺北麓，河流全長約160km，總集水面積為2587 km2，流域呈狹長形，上游崇山峻嶺，兩岸懸崖陡壁，河床比降大于1‰。流域內(nèi)除黃壇口下游屬平原地區(qū)外，其余均屬山區(qū)，流域內(nèi)植被雖好，但土層很薄，吸水性差，多雨期徑流系數(shù)大于0.95;由于河床比降大，因此集流極為迅速，洪水猛漲猛落，屬典型的山區(qū)性河流;流域年平均降雨量為1770 mm，降水分布不均勻，主要集中在4—6月份。

2 水情自動測報系統(tǒng)的建設(shè)及改造

2.1 超短波通信系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展

2.1.1 超短波通信系統(tǒng)的建設(shè)

浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠是國內(nèi)最早投入水情自動測報研制和開發(fā)的水電廠之一，于1982年首次與電子工業(yè)部第六研究所和機(jī)械工業(yè)部共同進(jìn)行第1套水情測報系統(tǒng)的研制和開發(fā)，1986年7月通過考核驗收。系統(tǒng)運行3年后，由于早期設(shè)備性能上的缺陷，1991年由南京水利水文自動化研究所對系統(tǒng)的主要通信設(shè)備進(jìn)行了改造，從1992年運行至今沒有出現(xiàn)過重大運行事故，技術(shù)指標(biāo)滿足水庫運行要求。

2.1.2 超短波通信系統(tǒng)的配置

經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善，目前超短波系統(tǒng)共設(shè)有16個站，為16∶3∶2模式，即16個遙測站(水文站1個、雨量站11個、水位站4個)、3個中繼站、2個中心站。系統(tǒng)采用三級中繼傳輸方式，三級中繼都為再生中繼，所有信號都經(jīng)過中繼解調(diào)→重新編碼再生→再調(diào)制的過程，確保信號的可靠性。水情自動測報超短波系統(tǒng)組網(wǎng)圖如圖1所示。

2.2 水情測報系統(tǒng)的改造

為了解決原系統(tǒng)通信方式單一的問題，使系統(tǒng)更加符合規(guī)范要求，浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠2011年11月進(jìn)行了增設(shè)短信通信通道的安裝及調(diào)試工作。此次改造是在原來超短波通信通道及設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)全球移動通信系統(tǒng)(GSM)/通用無線分組業(yè)務(wù)系統(tǒng)(GPRS)通信通道，實現(xiàn)系統(tǒng)雙通道通信;同時，保留原有一次采集、傳輸儀器和數(shù)傳設(shè)備以及外圍供電設(shè)備(如圖2所示)。在中心站實現(xiàn)智能接收2個通道的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并將主用通道的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，保證水情測報入庫數(shù)據(jù)的唯一性、準(zhǔn)確性和完整性，達(dá)到可靠、實用、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，確保該系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守、中心站少人值班、系統(tǒng)安全可靠運行，滿足水庫防汛和調(diào)度的需要。

2.2.1 短信通道系統(tǒng)配置

短信通信系統(tǒng)的網(wǎng)站點布設(shè)為:在原超短波通信網(wǎng)站的基礎(chǔ)上分別在湖南鎮(zhèn)、黃壇口水庫3個尾水位增加了壓力水位站，短信系統(tǒng)站點布置為1∶19模式，即1個中心站、19個遙測站(如圖3所示)。系統(tǒng)以GMS點對點的方式工作，短信采用信令信道進(jìn)行傳輸，無需建立撥號連接，直接把信息加上目的地地址發(fā)送到短信服務(wù)中心，再由短信息服務(wù)中心發(fā)到目的地。

2.2.2 改造的主要設(shè)備

(1)采用目前國內(nèi)最先進(jìn)的遙測終端機(jī)。此次改造采用南京磊淼水電科技研究所生產(chǎn)的LM－9型遙測終端機(jī)，該遙測終端機(jī)采用單板結(jié)構(gòu)，嵌入GSM/GPRS模塊，微功耗、多種通信通道、多種工作制式，有1Mbits固態(tài)存儲器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸控制能力。

它是由微處理器控制的通用遙測設(shè)備，可以根據(jù)需要組成具有不同功能的遙測終端，超短波信道、GSM信道、GPRS信道可選、可組合。LM－9型遙測數(shù)傳終端留有與原超短波系統(tǒng)的電臺接口，當(dāng)原超短波系統(tǒng)的遙測終端設(shè)備出現(xiàn)發(fā)送故障時，將電臺接入LM－9型遙測數(shù)傳終端就可以通過超短波電臺繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。該設(shè)備具有電池電壓值檢測和發(fā)送功能，終端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動檢測并發(fā)送測站的電池電壓實際值;具有超時發(fā)送強(qiáng)迫掉電功能，支持休眠喚醒工作方式;參數(shù)設(shè)置、內(nèi)存檢查、功能檢查都通過筆記本電腦或計算機(jī)來實現(xiàn)，固態(tài)存儲器的數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)場用筆記本電腦下載，也可以通過信道機(jī)異地遠(yuǎn)程下載。

圖3 水情自動測報系統(tǒng)雙通信通道組網(wǎng)圖

數(shù)據(jù)傳輸方式為異步傳輸，采用固定幀長的結(jié)構(gòu)，按先發(fā)高位字節(jié)、后發(fā)低位字節(jié)的次序進(jìn)行。各字節(jié)均按異步傳輸定義，即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位終止位。串行發(fā)送時先發(fā)起始位，再發(fā)數(shù)據(jù)位，最后發(fā)終止位，傳輸內(nèi)容為:幀頭、站號、時間、電源電壓(實際電壓值)、水文數(shù)據(jù)及冗余碼。

遙測終端機(jī)嵌入的GSM/GPRS數(shù)傳模塊選用華為技術(shù)有限公司開發(fā)的華為GTM900無線模塊(三頻段GSM/GPRS的無線嵌入式模塊)。

(2)中心站短信接收模塊。短信接收模塊采用西門子TC35T/TC35iT模塊，內(nèi)置了TC35無線模塊，集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，可以在PC機(jī)上用AT命令通過串口對其進(jìn)行設(shè)置。

2.3 水情自動測報系統(tǒng)的運行模式

短信系統(tǒng)與超短波系統(tǒng)運行模式均為自報式，即遙測站按照設(shè)定的雨量變化或者水位變化(超短波通信設(shè)定為雨量變化1 mm，水位變化1 cm;短信通信設(shè)定為雨量變化1 mm，水位1 h變幅5 cm，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整)自動向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，水文參數(shù)沒有變化時，每天定時4次向中心站發(fā)送信息，以反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2.4 水情測報系統(tǒng)軟件部分

2.4.1 軟件升級為多路水情系統(tǒng)軟件

此次系統(tǒng)改造是將原來的軟件進(jìn)行升級，系統(tǒng)應(yīng)用軟件為模塊化結(jié)構(gòu)，便于功能的擴(kuò)展和修改，并預(yù)留接口。軟件采用多路水情數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)查詢分析器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理及通信功能，具有友好的人機(jī)界面。

水情遙測數(shù)據(jù)庫建設(shè)完全符合SL 323—2005《實時水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》和SL 330—2005《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》。水情遙測數(shù)據(jù)庫在進(jìn)行數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)表中描述數(shù)據(jù)的更新頻度和性質(zhì)將數(shù)據(jù)表分成2類:一類是數(shù)據(jù)更新頻度較低或基本不變的表(如測站基本信息等)，稱為基本信息表，這類數(shù)據(jù)表的記錄需人工逐條錄入;另一類是更新頻度較高的實時水情信息表(如實測水位、雨量過程等)，稱為實時信息表，這類數(shù)據(jù)表的記錄由信息采集系統(tǒng)自動錄入。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)接收、處理、存儲模塊，當(dāng)前編碼器顯示、打印模塊，當(dāng)天日降水量、水位變幅顯示、打印模塊，顯示、打印降水量日、月報表模塊，顯示降水量直方圖模塊等27個模塊組成。系統(tǒng)軟件支持B/S，C/S的網(wǎng)絡(luò)工作方式，支持多中心站聯(lián)網(wǎng)。采用水利工程代碼庫，滿足系統(tǒng)水情、工情數(shù)據(jù)的信息檢索要求。系統(tǒng)的雨量、水位、數(shù)據(jù)庫與國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)兼容，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.4.2 改造后主要增加的功能

(1)采用多路水情數(shù)據(jù)采集器，能進(jìn)行雙通道間的相互切換，最后將主用通道接收的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，以確保數(shù)據(jù)的唯一性。

(2)能編輯水位、雨量、電量及負(fù)荷等信息，定時或人工發(fā)送至管理人員手機(jī)，或由管理人員隨時進(jìn)行信息召測，并可設(shè)定將雨強(qiáng)及水位越限報警發(fā)送至水情實時監(jiān)測平臺及管理人員手機(jī)。

3 超短波與短信兩通信通道的優(yōu)、缺點

3.1 超短波通信

3.1.1 超短波通信的優(yōu)點

(1)獨立性好，完全是自建通信網(wǎng)。

(2)超短波視距傳播損耗小、信號較穩(wěn)定、技術(shù)成熟、設(shè)備簡單且易于配套。

(3)實時性好。

(4)運行成本低。

3.1.2 超短波通信的缺點

(1)建設(shè)成本較高。

(2)當(dāng)通信兩地過遠(yuǎn)或有高山、樹木、高大建筑物的阻擋時，通信路徑損耗過大;不能滿足通信最低要求時，必須設(shè)立中繼站進(jìn)行接力;而當(dāng)中繼站出現(xiàn)故障時，在中心站無法收到該中繼轉(zhuǎn)接的遙測站的任何數(shù)據(jù)。

3.2 短信通信

3.2.1 短信通信的優(yōu)點

(1)GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定，主要利用GSM點對點短信息業(yè)務(wù)完成水情數(shù)據(jù)的傳輸，可靠性較好。

(2)設(shè)備體積小，價格低，安裝在室內(nèi)，沒有引雷部件，可以不做防雷處理。

3.2.2 短信通信的缺點

(1)實時性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)通信存在延時。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過短信息允許的最大長度(一般每條短消息長度被限定在140個字節(jié)內(nèi))，短信息中心將把數(shù)據(jù)自動切分成多條信息發(fā)送到目的地，延時將更長，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收的時效性大大降低，實際運行中一般比超短波通信延時2～5 min。

(2)當(dāng)系統(tǒng)用戶數(shù)量較大時，公共短信平臺可能發(fā)生信息擁擠，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的延時，甚至丟失。

(3)運行費用太高。試運行期間每天平均有短信850條左右，為了既降低運行費用又能滿足收集水情數(shù)據(jù)的需要，根據(jù)實際情況將水位站的閾值設(shè)定為上游水位1.0 h變幅超過5 cm，尾水位0.5 h變幅超過10 cm(可根據(jù)實際情況隨時進(jìn)行調(diào)整)。

(4)若預(yù)存費用余額為0，則無法發(fā)出信息，致使水情數(shù)據(jù)不夠及時、完整。

4 水情自動測報系統(tǒng)的運行情況

烏溪江電廠嚴(yán)格按照水情自動測報系統(tǒng)的維修規(guī)程進(jìn)行汛前檢查、汛期巡查和汛后檢查，以確保汛期系統(tǒng)可靠、安全運行;平時發(fā)現(xiàn)缺陷便立即進(jìn)行處理，使系統(tǒng)每年的運行暢通率達(dá)到97%以上，可用度為99%以上。超短波通信出現(xiàn)的故障主要是電池電壓低和測站遭到雷擊等引起的，短信通信運行比較穩(wěn)定，但也曾出現(xiàn)過幾次故障。

(1)2012年1月曾出現(xiàn)王村口水位站不來數(shù)的情況，到現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，蓄電池電壓低于短信設(shè)備設(shè)計門限值，致使設(shè)備停止工作，換上新蓄電池后工作正常。電池電壓低的原因是長時間的陰雨天氣使太陽能供電不足以及下游小水電發(fā)電水位變化頻繁，重新調(diào)整該測站的定時來數(shù)與水位雨量采樣間隔時間后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

(2)2012年3月曾出現(xiàn)大楓嶺雨量站不來數(shù)的情況，原因是數(shù)傳儀故障，更換新設(shè)備后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

根據(jù)超短波及短信兩通信的特性，正常情況下2套系統(tǒng)都投入運行，但為保持?jǐn)?shù)據(jù)的唯一性，以超短波系統(tǒng)為主用通道，來數(shù)寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫;3個新增的尾水測站運行在短信系統(tǒng)通道;運行中若發(fā)現(xiàn)超短波通信通道某一測站或中繼站故障，便將相應(yīng)的遙測站切換到短信通信通道接收水情數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫，確保水情數(shù)據(jù)的完整性。

5 水情系統(tǒng)改造后取得的初步成效

5.1 增加了水情系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了暢通率

原水情超短波系統(tǒng)存在電源問題，通信需3級中繼轉(zhuǎn)接，在加強(qiáng)對流域小水電的監(jiān)測后，由于通信流量過大引起的通信中斷有所增加。而短信系統(tǒng)具有對電源要求低、通信直接的優(yōu)點，有效彌補(bǔ)了超短波通信的不足。

5.2 規(guī)范了湖南鎮(zhèn)、黃壇口梯級發(fā)電尾水位的監(jiān)測

尾水位觀測屬于水情監(jiān)測范疇，但由于歷史原因，浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠尾水位監(jiān)測為廠房監(jiān)控系統(tǒng)職能，存在觀測數(shù)據(jù)誤差大、穩(wěn)定性差的問題，此次改造基本解決了上述問題。

5.3 在加強(qiáng)流域防汛監(jiān)測的同時，有效做好了廠區(qū)防洪

湖南鎮(zhèn)、黃壇口二站地處山區(qū)，受局地短時強(qiáng)降水的影響較大，對于黃壇口、躍進(jìn)雨量站，采取了2套完全獨立的系統(tǒng)配置，使雨量監(jiān)測更為可靠。

5.4 擴(kuò)展了原水情短信系統(tǒng)功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)報警功能

一方面增加了雨強(qiáng)水位越限報警功能，另一方面還增加了發(fā)電量的短信查詢功能，擴(kuò)展了水情短信平臺。

6 水情系統(tǒng)改造存在的問題及建議

6.1 各遙測站2套通信系統(tǒng)的電源及傳感器應(yīng)完全獨立配置

目前，各遙測站均有超短波與短信通信系統(tǒng)。2種通信方式共用1套太陽能板和蓄電池供電電源，試運行期間流域出現(xiàn)了日照歷史同期最少的極值年，王村口站曾出現(xiàn)電壓低的現(xiàn)象，現(xiàn)已為該站增加了1組蓄電池及相應(yīng)的太陽能充電板，但仍需對系統(tǒng)供電方式作必要的跟蹤，以保證系統(tǒng)暢通。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，建議遙測站2套通信系統(tǒng)的電源及傳感器完全獨立配置。

6.2 湖南鎮(zhèn)、黃壇口梯級水電站3個尾水?dāng)嗝嬖黾映滩ㄍㄐ畔到y(tǒng)

湖南鎮(zhèn)、黃壇口梯級水電站共有3個尾水面，由于湖、黃梯級水電站為浙江電網(wǎng)的主要調(diào)峰調(diào)頻電廠，開、停機(jī)相當(dāng)頻繁，尾水位變動十分劇烈，因此短信發(fā)送次數(shù)較多，每站每日發(fā)送次數(shù)可達(dá)220次以上，站點短信費用每月可達(dá)500～800元，運行成本較高。建議增加超短波通信方式，降低短信發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)，將短信方式設(shè)為備用。

6.3 超短波系統(tǒng)與短信系統(tǒng)的自動切換

目前，超短波系統(tǒng)與短信系統(tǒng)的切換方式為手動切換，運行方式以超短波方式為主，超短波通信每6 h定時來報1次。建議在短信系統(tǒng)運行成熟后，如遙測站超短波6.0 h以上無來數(shù)，即自動將該測站切換至短信系統(tǒng)為主用，以保持水情監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

7 結(jié)束語

烏溪江水情自動測報系統(tǒng)在運行過程中根據(jù)實際需要不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，增加測站點、增加通信通道，提高了系統(tǒng)的暢通率和可用度，及時準(zhǔn)確地為防汛和發(fā)電調(diào)度提供了科學(xué)的依據(jù)，充分發(fā)揮了湖南鎮(zhèn)、黃壇口梯級水庫的防汛抗旱作用，使水庫管理人員能夠充分、合理利用水利資源科學(xué)調(diào)度水庫，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］SL 250—2000，水文情報預(yù)報規(guī)范［S］.