寒區(qū)水庫水情自動測報系統(tǒng)的推廣應用

劉 宇，胡寶軍，于 爽

（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾161005）

1 項目概況

1.1 項目由來

尼爾基水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)站網(wǎng)覆蓋面積大，遙測站點分布不十分均勻，并且多建于無人區(qū)、濕地和林區(qū)內(nèi)，道路崎嶇、維護難度大；測站設備頻繁拆卸安裝，一定程度上影響設備的穩(wěn)定性?；谏鲜鲈?，嫩江尼爾基水利水電有限責任公司（以下簡稱尼爾基公司）著手籌建水利部科技推廣計劃項目——寒區(qū)水庫水情自動測報系統(tǒng)的推廣應用項目（以下簡稱寒區(qū)推廣項目）。

1.2 項目簡介

寒區(qū)推廣項目應用于尼爾基水利樞紐，示范區(qū)域推廣使用南京南瑞集團公司和成都國星通信有限公司生產(chǎn)的水情自動測報系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)品，該系統(tǒng)是集現(xiàn)代通訊技術、信息化技術和計算機技術為一體的水文監(jiān)測新技術，其特點是不受惡劣自然氣候和地形限制，能夠及時準確將水雨情信息進行實時傳送。

寒區(qū)推廣項目解決了設備在北方嚴寒地區(qū)野外越冬問題，實現(xiàn)了嚴寒地區(qū)設備常年運行，達到無人值守、少人維護、提高運行維護效率、減少運行維護費用的目的，為高寒地區(qū)其他大型水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)越冬維護提供經(jīng)驗和技術支撐。

2 項目建設的主要內(nèi)容

寒區(qū)推廣項目于2011年1月開始，2013年6月結(jié)束。建設高寒地區(qū)水情自動測報系統(tǒng)，進行設備在冬季野外極寒條件下的應用檢驗，全面詳細地檢測設備的運行狀態(tài)，針對出現(xiàn)的問題，提出改進意見。經(jīng)過試驗論證設備能否在極寒的條件下正常工作。

3 技術措施

為使寒區(qū)水庫水情自動測報系統(tǒng)達到無人值守，少人維護的目的，減少春季安裝和秋季拆卸的維護環(huán)節(jié)，節(jié)約維護費用，對遙測站設施設備采取了防潮、防凍、節(jié)能供電等方面技術措施，保證了遙測站設備常年安全穩(wěn)定運行。

3.1 防潮措施

寒區(qū)推廣項目在安裝過程中，對法拉第筒和設備機箱（筒）均加設了密封膠圈，對出入外筒及設備機箱（筒）的數(shù)據(jù)線、電源線的接口處均做了密封技術處理，避免了水汽在筒內(nèi)對流凝結(jié)，保證了設備在密封、干燥的環(huán)境下運行。對設備采用防潮措施，保證了設備運行的穩(wěn)定性。

3.2 防凍措施

寒區(qū)推廣項目遙測終端機采用南京南瑞集團公司生產(chǎn)的具有抗低溫功能的ACS300MM設備，通過加大法拉第筒填埋深度，起到了保溫防凍的作用，解決了設備在寒區(qū)防凍問題。

3.3 其他措施

寒區(qū)推廣項目遙測終端機采用微功耗元器件，設備采用省電模式，采用每日兩段制報文發(fā)送，極大地減少了能源消耗；遙測站采用免維護防凍蓄電池供電，比普通蓄電池電壓更具穩(wěn)定性；系統(tǒng)采用太陽能電池板對蓄電池進行充電，保障了系統(tǒng)的供電能力。

4 技術分析

2011和2012 年，本項目所屬的10套遙測站設備冬季運行狀態(tài)良好，多次巡視檢查過程中均未發(fā)現(xiàn)設備凍損現(xiàn)象。通過中心站軟件，提取該項目所屬10個遙測站20個月的數(shù)據(jù)進行分析，遙測設備通過了應用考驗，充分體現(xiàn)出設備的優(yōu)越性能。系統(tǒng)各項技術指標正常，運行穩(wěn)定、可靠，滿足規(guī)范要求。

4.1 系統(tǒng)通暢率分析

寒區(qū)推廣項目系統(tǒng)采用單一的衛(wèi)星通訊組網(wǎng)，遙測站采用自報-確認式工作方式。采用作業(yè)完成率的計算方法統(tǒng)計月通暢率。截至2013年2月28日，系統(tǒng)運行時間為20個月，共接收實時數(shù)據(jù)信息（平安報）11 571條，應來12 180條，系統(tǒng)平均通暢率為95%。通暢率指標達到水利部SL61-2003《水文自動測報系統(tǒng)技術規(guī)范》要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

4.2 系統(tǒng)可靠性分析

設備可靠性用平均年故障率和平均無故障工作時間MTBF來衡量。截至2013年2月28日，10個遙測站共運行609 d，14 616 h。所有遙測站沒有出現(xiàn)設備和通信故障。系統(tǒng)故障率為0，平均無故障工作時間為10年。滿足規(guī)范要求，運行穩(wěn)定可靠。

4.3 系統(tǒng)設備極寒條件下工作狀態(tài)分析

系統(tǒng)設備經(jīng)過近2年的應用考驗，經(jīng)受了約-40℃的極寒溫度（2011年加格達奇氣象站年最低溫度-37.7℃），設備無凍損現(xiàn)象發(fā)生。提取了系統(tǒng)所屬的10個測站、20個月的運行狀態(tài)參數(shù)（溫度和電壓），分別制作了月最低溫度、月最低電壓過程線圖，如圖1，2所示。

4.3.1 溫度

該項目系統(tǒng)設備工作環(huán)境溫度范圍在-35～70℃，從月最低溫度過程線圖可以看出（見圖2）：

1）遙測站筒內(nèi)的最低溫度明顯高于加格達奇氣象站實測的最低溫度（參考加格達奇氣象站2011年最低氣溫資料），夏季明顯偏低，體現(xiàn)了法拉第筒冬暖夏涼的特點。

2）設備試運行期間，法拉第筒內(nèi)最低溫度只有-25℃，抵御了至少-37.7℃的低溫，用溫度差進行衡量，筒保溫作用為12.7℃。2011年、2012年冬季遙測站巡檢時，實測筒內(nèi)外溫度差，平均溫度差為12.5℃，兩證數(shù)據(jù)吻合，證實了筒的保溫效果的準確性。設備最低工作溫度-35℃，加上筒的保溫作用，系統(tǒng)可以抵御近-50℃的極寒天氣。

圖1 遙測站采集設備月最低溫度過程線圖

4.3.2 蓄電池電壓

寒區(qū)推廣項目設備具有低功耗的特性，可以在無交流電環(huán)境下連續(xù)工作；靜態(tài)功耗不大于50 uA@12 Vdc；工作功耗不大于100 mA@12 Vdc圖1，2分析可以得出：1）設備工作最低電壓冬季與夏季的變幅很?。s1 V），最低電壓為12.9 V，滿足設備工作電壓要求（見圖2）。2）電壓受溫度影響較大，冬季溫度低，蓄電池放電不充分，數(shù)值較低，兩過程線相背離；春季溫度回升，電壓過程線上漲，兩過程線相靠近；夏季，降雨多，設備發(fā)送數(shù)據(jù)功耗大，太陽能浮充但時間短，過程線有升有降，大體呈下降趨勢。電壓過程線在溫度、太陽能充電、雨季設備功耗等多因素共同影響下，形成周期性的升降變化（見圖3）。

圖2 遙測站采集設備月最低電壓過程線圖

圖3 罕諾河站5日平均溫度和電壓對比過程線

4.4 系統(tǒng)全年運行的優(yōu)點

2011，2012 年遙測站全年運行，春季，雨量站4月中下旬開始發(fā)送雨量數(shù)據(jù)，汛末一直可監(jiān)測雨量至11月初，每年至少多接收2個月的雨量數(shù)據(jù)，為春汛預報、枯季徑流預報積累了寶貴的雨量資料，為抗旱調(diào)度奠定了堅實的基礎。

2013年冬天，系統(tǒng)接入全天候雨雪量計，運行狀態(tài)良好，實現(xiàn)了無人值守雨量站全年自動監(jiān)測降水。

5 技術成果及考核指標

經(jīng)過兩年多的實踐證明，在北緯52°以南地區(qū)，寒區(qū)水情自動測報系統(tǒng)冬季運行狀態(tài)完好，雨季運行指標正常。寒區(qū)推廣項目實施后，解決設備野外越冬這一難題，減少冬季拆收春季安裝維護這一環(huán)節(jié)，每站每年減少運行維護費用約0.30萬元，每站減少看護人員1名，每年減少看護費用約0.50萬元，每站每年可節(jié)約0.80萬元。

初步統(tǒng)計，包含尼爾基測報系統(tǒng)在內(nèi)的4家單位應用此項成果，測站數(shù)量約200個。每站每年按0.80萬元統(tǒng)計計算，5年可節(jié)省費用800萬元。此項成果在保溫措施上繼續(xù)加以改進，將會在北方推廣至北緯55°。

6 存在的問題及對策

1）此項目通訊方式采用單一的北斗衛(wèi)星通訊信道，沒有備用信道，客觀上存在通訊安全問題。北斗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的，通訊保障率高，但也存在信號碰撞因素。條件允許的地區(qū)，可采用短信、衛(wèi)星雙信道或雙衛(wèi)星信道。

2）冬季時常出現(xiàn)極端低溫天氣，裸露在外的通訊電纜極其脆弱，容易發(fā)生折斷，給冬季設備檢查帶來不便。遙測站普通電纜，可更換防凍電纜，每站設備均外加一根數(shù)據(jù)維護專用的防凍網(wǎng)線，可在設備不拆卸的情況下，通過此數(shù)據(jù)線讀取設備參數(shù)。

3）隨著設備位置緯度逐漸升高，冬季極低氣溫和最大凍土層厚度均有所增加，對設備在極端環(huán)境下生存是個重大考驗，做好設備及蓄電池的防凍工作顯得至關重要。寒區(qū)水庫項目繼續(xù)向北緯52°以北地區(qū)推廣，加大法拉第筒高度以及筒的埋深（埋深至少達到2 m），可以提高設備本身的抗低溫能力，增強設備保溫措施，提高防凍效果。

7 結(jié) 語

寒區(qū)推廣項目建成后，經(jīng)過了2011和2012年兩個冬季的運行檢驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在2013年嫩江超50年一遇特大洪水中，雨情信息提供及時準確，為尼爾基水庫防洪調(diào)度提供了信息保障，為寒區(qū)水情自動測報系統(tǒng)建設提供了經(jīng)驗，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，在北方寒冷地區(qū)起到了示范推廣作用。

［1］SL61-2003，水文自動測報系統(tǒng)技術規(guī)范［S］.