水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在水電工程中的應(yīng)用

趙太平,費(fèi)如君,趙志宏

(1.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100044;2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410014;3.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000)

0 概 述

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是利用遙測(cè)、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù),完成流域水文、汛情、工情等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理,為水電工程的防洪、興利、優(yōu)化調(diào)度提供服務(wù)的自動(dòng)化系統(tǒng).

自20世紀(jì)60年代起,日本和美國(guó)就率先開始開展水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)的研究和開發(fā).隨著遙控設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)在全世界的廣泛應(yīng)用,自20世紀(jì)80年代以后,水情測(cè)報(bào)技術(shù)得到了進(jìn)一步的推廣.我國(guó)水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代初起步建設(shè);在90年代初,葛洲壩、新安江和五強(qiáng)溪等水電站的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)紛紛投產(chǎn);目前自動(dòng)化程度和可靠性更高的三峽、溪洛渡、向家壩、龍灘、二灘、拉西瓦等大型水電工程的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)已建成或正在建設(shè).我國(guó)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)前后歷經(jīng)近30年的發(fā)展,目前已經(jīng)完全成熟.全國(guó)現(xiàn)已建水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)近千個(gè),主要應(yīng)用于大型水利工程和大中型水電工程中.

1 水電工程水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)主要構(gòu)成

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)要求測(cè)報(bào)范圍全面、站點(diǎn)布設(shè)合理、通信可靠、數(shù)據(jù)處理快捷、水情預(yù)報(bào)準(zhǔn)確.為達(dá)到此目的,系統(tǒng)建設(shè)主要包括以下4個(gè)方面內(nèi)容:①遙測(cè)站建設(shè).實(shí)現(xiàn)水位、雨量信息自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)、自動(dòng)傳輸.②數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)建設(shè).確保遙測(cè)站至中心站的數(shù)據(jù)傳輸通信暢通,提高傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)效性.③水情數(shù)據(jù)接收處理軟件.實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遙測(cè)水情信息的自動(dòng)接收和入庫,以及中心站與相關(guān)系統(tǒng)之間可靠的信息交換,為梯級(jí)水電站水情預(yù)報(bào)和信息查詢服務(wù)提供基礎(chǔ)信息.④高級(jí)應(yīng)用軟件.為各工程提供及時(shí)、準(zhǔn)確的水情預(yù)報(bào)服務(wù),為梯級(jí)聯(lián)合防洪和調(diào)度提供實(shí)時(shí)決策支持.

1.1 遙測(cè)站網(wǎng)布設(shè)

遙測(cè)站網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)滿足水電工程施工期和運(yùn)行期對(duì)水情預(yù)報(bào)的要求,達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)的目的.站網(wǎng)布設(shè)主要考慮的因素有流域河系情況、降雨洪水特性、梯級(jí)電站布設(shè)情況以及測(cè)站交通環(huán)境條件等.以龍灘水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)為例 (見圖1),站網(wǎng)布設(shè)主要遵循以下基本原則:

圖1 龍灘水電站流域水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)分布

(1)遙測(cè)站網(wǎng)應(yīng)兼顧施工期和運(yùn)行期洪水預(yù)報(bào)和電站調(diào)度的要求.2002年,龍灘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)初期在確保工程施工防洪度汛安全中發(fā)揮了重要作用.之后,隨著工程施工進(jìn)展,站點(diǎn)不斷擴(kuò)建,最后形成永久性的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng),在運(yùn)行期對(duì)洪水預(yù)報(bào)和電站調(diào)度起到了關(guān)鍵作用.

(2)雨量站網(wǎng)密度應(yīng)能較好地控制流域內(nèi)降水的時(shí)空分布情況,并充分考慮山脈、高程等對(duì)降雨時(shí)空分布的影響.龍灘水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)測(cè)報(bào)范圍初期建設(shè)為南盤江天生橋 (二)、北盤江盤江橋以下到天峨以上流域,測(cè)報(bào)流域面積41 281 km2.系統(tǒng)監(jiān)測(cè)雨量的站點(diǎn)共計(jì)93個(gè),其中12個(gè)水位雨量站、80個(gè)雨量站、1個(gè)氣象站,通過水情預(yù)報(bào)軟件的不斷驗(yàn)證,站點(diǎn)基本能覆蓋龍灘水電站以上全流域,并能準(zhǔn)確反映流域的降雨情況.

(3)重要河段應(yīng)有水文、水位站控制.龍灘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)在水庫回水末端以上的干支流河道上布設(shè)了平板、盤江等11個(gè)遙測(cè)水位雨量站,對(duì)整個(gè)上游干支流的來水均起到了有效的控制作用.

(4)盡量選用現(xiàn)有測(cè)站,并在滿足水情預(yù)報(bào)要求的前提下精簡(jiǎn)遙測(cè)站.龍灘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)在資料不斷積累的基礎(chǔ)上總結(jié)了系統(tǒng)多年來的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn),通過采用降雨徑流模型分析法、站網(wǎng)密度分析法、相關(guān)分析法、抽站分析法等論證分析雨量站的布設(shè),對(duì)測(cè)站也進(jìn)行了相應(yīng)的精簡(jiǎn),撤銷了8個(gè)遙測(cè)雨量站,系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度并未受到影響.

(5)便于通信組網(wǎng).龍灘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)覆蓋區(qū)域地形條件多樣,通信組網(wǎng)復(fù)雜.設(shè)計(jì)之初重點(diǎn)考慮獨(dú)立組網(wǎng)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低的要求,采用超短波通信方式,測(cè)站選址在地形條件平整,便于超短波通信的地點(diǎn).隨著測(cè)報(bào)區(qū)域公共通信環(huán)境的改善,大多數(shù)測(cè)站采用了穩(wěn)定可靠的GSM通信網(wǎng)絡(luò).

(6)測(cè)站應(yīng)盡可能設(shè)在交通、生活方便的地方,便于建設(shè)和維護(hù)管理.龍灘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)多數(shù)測(cè)站選擇建在人口較為集中的區(qū)域,一方面為運(yùn)行維護(hù)提供了極大的方便,同時(shí)各測(cè)站均實(shí)現(xiàn)了專人看管,設(shè)備本身的安全性也得到了保障.

1.2 數(shù)據(jù)通信

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)通信方式有衛(wèi)星通信、超短波通信、PSTN通信、GSM通信、GPRS通信等,各種通信方式在通信機(jī)理、設(shè)備性能和價(jià)格、運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)行功耗等方面有其各自的特點(diǎn).

海事衛(wèi)星C(Inmarsat C)通信系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代初開始應(yīng)用,具有終端體積小、安裝簡(jiǎn)單方便、全向天線對(duì)選址無特殊要求和安裝土建費(fèi)用低等特點(diǎn).但運(yùn)行費(fèi)用較高、傳輸時(shí)延較長(zhǎng),并容易出現(xiàn)傳輸信道擁擠的問題.

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用碼分多址 (CDMA)直序擴(kuò)頻雙向通信體制,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,具有終端設(shè)備集成度高、安全穩(wěn)定、設(shè)備體積小、安裝簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于我國(guó)西部偏遠(yuǎn)山區(qū)的水電工程.如東義河流域、鴨嘴河流域等處多測(cè)報(bào)系統(tǒng)均采用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng).

超短波通信系統(tǒng)是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、最成功的一種通信方式.它的傳輸質(zhì)量介于短波和微波通信之間,具有通信質(zhì)量好、信道穩(wěn)定、設(shè)備簡(jiǎn)單、投資省、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn),但在距離遠(yuǎn)或多高山阻擋的區(qū)域內(nèi),需建多級(jí)中繼站方能實(shí)現(xiàn)測(cè)站與中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸,從而導(dǎo)致系統(tǒng)土建和設(shè)備費(fèi)用的增加、系統(tǒng)可靠性下降,并給設(shè)備的維護(hù)帶來不便.龍灘水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)初期由于受流域地形條件和當(dāng)?shù)赝ㄐ虐l(fā)展水平的約束,采用超短波通信,建有中繼站11個(gè),其中1級(jí)2個(gè),2級(jí)6個(gè),3級(jí)3個(gè),但由于中繼站設(shè)備處于高山之巔,維護(hù)有很大的困難,且受到各種惡劣自然環(huán)境的影響,隨著運(yùn)行年數(shù)的增加出現(xiàn)故障的次數(shù)明顯增多.

PSTN通信系統(tǒng)具有適用范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn),傳輸質(zhì)量較高,通信覆蓋面廣,入網(wǎng)費(fèi)用低.但遇有災(zāi)害性天氣發(fā)生時(shí),通信線路不易保證.

GSM通信系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的一種系統(tǒng),也廣泛用于水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中,但存在因接收擁塞而加大延時(shí)甚至造成信息丟失的情況,尤其是當(dāng)系統(tǒng)測(cè)站數(shù)量較多,測(cè)報(bào)流域內(nèi)出現(xiàn)大范圍降雨,水位變化頻率較快,數(shù)據(jù)通信較為頻繁時(shí),容易出現(xiàn)通信阻塞,遙測(cè)信息接收相對(duì)滯后的情況.

GPRS通信系統(tǒng)是在GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也可用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸,為水情數(shù)據(jù)傳輸提供了更為可靠和快速的通信網(wǎng)絡(luò).但由于GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)目前尚未能覆蓋所有GSM網(wǎng)絡(luò),特別是偏遠(yuǎn)的山區(qū)和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋率還較低,限制了此通信資源的應(yīng)用.

目前,我國(guó)大多數(shù)的大中型水利水電工程水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)由于覆蓋范圍廣,地理地形條件復(fù)雜,加之通信網(wǎng)絡(luò)的限制,一般采用多種信道組合的方式.如龍灘水電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),根據(jù)測(cè)站的分布情況和重要性等因素劃分,在通信結(jié)構(gòu)上便采用了GPRS/北斗衛(wèi)星,GPRS/超短波、超短波/北斗衛(wèi)星等多種通信方式組合的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸.三峽電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用了北斗衛(wèi)星、PSTN、GSM短信通信方式組網(wǎng).我國(guó)西部山區(qū)的很多流域,由于地貌崎嶇、群山起伏、重巒疊嶂,且經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),手機(jī)通信信號(hào)無法覆蓋,一般則采用北斗衛(wèi)星作為主要的通訊方式.

1.3 中心站數(shù)據(jù)接收與處理

水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心站的基本功能是自動(dòng)處理遙測(cè)站傳入的水、雨情信息.中心站信息接收處理單元由通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電源以及通信模塊安裝設(shè)施組成.各遙測(cè)站點(diǎn)的水情信息通過通信傳輸信道傳輸?shù)街行恼竞?進(jìn)入通信服務(wù)器,通過信息接收軟件實(shí)時(shí)完成遙測(cè)站水雨情信息的接收處理,并存入原始數(shù)據(jù)庫.

通信服務(wù)器配備多種通信終端通過標(biāo)準(zhǔn)串口直接連接,安裝信息接收處理軟件,完成系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收處理等工作.中心站的供電方式一般采用在線式UPS供電方式,通信終端設(shè)備采用交流電浮充蓄電池直流供電方式.

通過服務(wù)器對(duì)來自遙測(cè)站終端各水位站的實(shí)時(shí)水位、整點(diǎn)水位,每個(gè)雨量站的實(shí)時(shí)降雨量,重要站點(diǎn)圖像信息等進(jìn)行接收、譯碼、甄別、合理性檢查、處理,得到各遙測(cè)站的實(shí)時(shí)遙測(cè)信息,并形成原始數(shù)據(jù)庫.同時(shí)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能,進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和信息提取,建立面向高級(jí)應(yīng)用的實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)庫.

圖2為我國(guó)西部某梯級(jí)電站的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中,中心站配置內(nèi)網(wǎng)水情數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī) (水情通信機(jī)),在內(nèi)網(wǎng)負(fù)責(zé)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理及對(duì)外系統(tǒng)的通信、傳輸;配置兩臺(tái)內(nèi)網(wǎng)水情數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及磁盤陣列,負(fù)責(zé)所有水情相關(guān)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理;配置外網(wǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,提供外網(wǎng)的數(shù)據(jù)存取服務(wù);配置Web服務(wù)器,在外網(wǎng)負(fù)責(zé)提供水調(diào)信息的Web瀏覽服務(wù);同時(shí),通過部署安全隔離,負(fù)責(zé)中心系統(tǒng) (安全I(xiàn)I區(qū))與外部通信子系統(tǒng) (安全Ⅲ區(qū))之間的數(shù)據(jù)交換.通過外部通信子系統(tǒng),經(jīng)終端服務(wù)器與遙測(cè)站交換數(shù)據(jù)信息,經(jīng)防火墻實(shí)現(xiàn)與水文、防洪抗旱、氣象及其他有關(guān)部門的數(shù)據(jù)通信.與監(jiān)控系統(tǒng)間的通信采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)經(jīng)過防火墻互聯(lián).水情系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)中安全Ⅱ區(qū),與移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信商及水文氣象等部門的連接應(yīng)設(shè)立安全隔離系統(tǒng),以確保水情系統(tǒng)安全運(yùn)行.

1.4 水情預(yù)報(bào)方案

水情預(yù)報(bào)位于系統(tǒng)頂層,是水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用部分,其主要任務(wù)是處理收集的水情信息,為防汛和運(yùn)行調(diào)度提供決策依據(jù).水情預(yù)報(bào)方案是否能充分反映流域的洪水特性,預(yù)報(bào)精度和有效預(yù)見期是否能滿足防洪決策的要求,是影響系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵.

水情預(yù)報(bào)方案編制的原則:一是要符合流域水文氣象特性和降雨洪水特性,結(jié)合流域的產(chǎn)匯流特性對(duì)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行合理配置;二是要兼顧施工期和運(yùn)行期預(yù)報(bào)要求;三是要力求方案簡(jiǎn)單、實(shí)用,并具有較高的預(yù)報(bào)精度.

水情預(yù)報(bào)方案的有效預(yù)見期和預(yù)報(bào)精度應(yīng)根據(jù)圍堰、大壩、廠房工程以及其他附屬工程的工程施工和防洪度汛安全要求和水庫調(diào)度運(yùn)行要求確定.

施工期水情預(yù)報(bào)方案應(yīng)包括不同施工時(shí)段、不同預(yù)報(bào)預(yù)見期和不同水文階段 (洪水期、枯水期)的預(yù)報(bào)方案,對(duì)圍堰水庫及大壩臨時(shí)擋水水庫的調(diào)洪提供決策性依據(jù).在施工期提供未來數(shù)小時(shí)壩址過境流量、施工區(qū)主要控制斷面的水位變化過程,發(fā)出水情預(yù)報(bào).

圖2 中心站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

水情預(yù)報(bào)方案配置應(yīng)長(zhǎng)短結(jié)合、層層設(shè)防、提高精度.預(yù)報(bào)方案編制應(yīng)采用多種方法,綜合比較,擇優(yōu)選用,為確保預(yù)報(bào)成果合理、可靠,重要區(qū)段配置應(yīng)有備用方案.在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中,結(jié)合最新采集的信息與歷史洪水進(jìn)行對(duì)比分析等,提高預(yù)報(bào)精度.

2 存在的主要問題及建議

(1)加大協(xié)調(diào)力度,實(shí)現(xiàn)資源共享,充分發(fā)揮水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)功能.隨著我國(guó)流域梯級(jí)電站開發(fā)的逐步深入,梯級(jí)電站的管理部門對(duì)水情信息的需求將不斷加大,水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的覆蓋范圍也隨之?dāng)U大.對(duì)于一些規(guī)模較大的流域,如金沙江、大渡河、黃河流域等,其上分布著為數(shù)眾多的電站,上下游電站在水力聯(lián)系上十分緊密,圍繞這些梯級(jí)電站所建設(shè)的水情測(cè)報(bào)站點(diǎn)分布往往也是跨地區(qū)、跨省市的.由于電站開發(fā)主體非單一,水情數(shù)據(jù)信息往往無法共享.很多遙測(cè)系統(tǒng)仍然采用自建自管的方式,站點(diǎn)建設(shè)的重復(fù)現(xiàn)象也很普遍.建議對(duì)流域資源進(jìn)行整合,并加強(qiáng)與相關(guān)流域的水文部門合作,實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),從全流域角度,最大限度地發(fā)揮水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的作用,挖掘梯級(jí)電站補(bǔ)償調(diào)節(jié)、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的經(jīng)濟(jì)和綜合利用潛力.

(2)加強(qiáng)國(guó)際合作與交流,積極扶持本土企業(yè),提高我國(guó)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備自主研發(fā)水平.

目前,我國(guó)從事水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)領(lǐng)域的廠家眾多,多數(shù)設(shè)備采用自主研發(fā),其中RTU等核心設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,但產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊.由于系統(tǒng)需要經(jīng)歷野外高溫、高寒、高濕等多種惡劣環(huán)境的考驗(yàn),系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性具有較高的要求,因此無論從功能實(shí)現(xiàn)還是制作工藝上產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)均需要加大投入.此外,由于測(cè)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域范圍較廣,可以為水電站的運(yùn)行管理、城市防洪、山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等多個(gè)行業(yè)服務(wù),建議國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)的本土企業(yè)加大扶持力度,積極引薦參與國(guó)際合作和交流,同時(shí)國(guó)家有關(guān)部門在援外建設(shè)方面可優(yōu)先考慮本土企業(yè),真正實(shí)現(xiàn)走向國(guó)際市場(chǎng),擴(kuò)大企業(yè)規(guī)模,提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力.

[1] 晏忠林.水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在龍灘水電工程中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電,2003(10):98-101.

[2] DL/T 5051-1996 水利水電工程水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].