通信技術(shù)在黃龍灘水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展

郭 易，張 力

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.國(guó)網(wǎng)湖北黃龍灘電廠，湖北 十堰442011）

黃龍灘電廠水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的規(guī)模較大、功能較全的防洪調(diào)度系統(tǒng)，為國(guó)家“七五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和黃龍灘電廠共同承擔(dān)建設(shè)完成。該系統(tǒng)1983年確定初步方案，經(jīng)過(guò)3年現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，于1986年10月投入試運(yùn)行，1989年通過(guò)原能源部技術(shù)鑒定，次年正式移交黃龍灘電廠使用。1991年榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

該系統(tǒng)順應(yīng)微電子及通信技術(shù)水平的發(fā)展分別于1995年、2001年、2007年、2013年、2018年對(duì)軟、硬件進(jìn)行了5次規(guī)模較大的技術(shù)完善改造。通信方式由超短波、海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、GSM短信通信，變動(dòng)到衛(wèi)星及移動(dòng)通信的使用，通信組網(wǎng)由自主組網(wǎng)變?yōu)槭褂霉簿W(wǎng)絡(luò)，取消了中繼站，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。移動(dòng)通信的使用，相對(duì)衛(wèi)星通信大幅度降低了設(shè)備成本和通信費(fèi)用。目前主備混合組網(wǎng)保證了系統(tǒng)全天候的運(yùn)行。

1 起步

由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的技術(shù)條件，最艱巨的工作是通信布網(wǎng)。結(jié)合當(dāng)時(shí)設(shè)備狀況和前期的試驗(yàn)成果，技術(shù)人員決定采用超短波通信方式進(jìn)行通信布網(wǎng)。1981年冬季在鄂西北黃龍灘水庫(kù)流域內(nèi)的山區(qū)，技術(shù)人員為了摸清超短波傳輸特點(diǎn)開(kāi)展了針對(duì)高山復(fù)雜地形的超短波通信試驗(yàn)。艱辛工作得到的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)通信布網(wǎng)設(shè)計(jì)起到了十分重要的作用。為了完成流域內(nèi)所有遙測(cè)站的水情信息收集，技術(shù)人員在超短波通信布網(wǎng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)建立最少的中繼站從整體上選擇最優(yōu)通信途徑。技術(shù)人員通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)地測(cè)試，在信道反復(fù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，多次針對(duì)中繼站選址，終于在1985年完成全流域的超短波遙測(cè)通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作。系統(tǒng)規(guī)模為中心站1個(gè)，分中心站1個(gè)，中繼站4個(gè)，遙測(cè)站22個(gè)，電廠調(diào)度站作為中心站，九華山分中心通過(guò)陶家坡干線中繼站與中心站通信，遙測(cè)站分別通過(guò)天寶監(jiān)、紅崖寺、前坪3個(gè)中繼站通信。

各遙測(cè)站點(diǎn)特性參數(shù)參見(jiàn)表1。

通過(guò)反復(fù)測(cè)試，技術(shù)人員決定采用日本TAD-M7系列設(shè)備，當(dāng)時(shí)是80年代較先進(jìn)的產(chǎn)品，采用了頻率合成，EPROM寫(xiě)入頻率法選擇頻率。黃龍灘于1995年對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了升頻改造，從150 MHz升至230 MHz超短波通信系統(tǒng)。系統(tǒng)的可靠性經(jīng)受住了自然環(huán)境的長(zhǎng)期考驗(yàn)，該系統(tǒng)的超短波通信設(shè)計(jì)方法在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)工程中多次推廣應(yīng)用。

2 改進(jìn)

自1986年投入運(yùn)行，系統(tǒng)長(zhǎng)周期時(shí)間的運(yùn)行造成野外遙測(cè)站設(shè)備出現(xiàn)了疲勞和老化的狀況，超短波通信的穩(wěn)定性和遙測(cè)站的設(shè)備安全性都出現(xiàn)問(wèn)題；部分中繼站和水位站運(yùn)行環(huán)境發(fā)生了很大變化，在很大程度上會(huì)影響整個(gè)水情系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)也加大了系統(tǒng)維護(hù)工作量。

表1 遙測(cè)站點(diǎn)特性表

為了適應(yīng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)水情預(yù)報(bào)、調(diào)度決策準(zhǔn)確性、實(shí)效性的更高要求，2001年對(duì)所有超短波的通信、電源、雨量傳感器等主要系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了全面升級(jí)換代，選用了日本日精ND889超短波電臺(tái)，又于2007、2013年分別對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)處在位置偏僻、信道不好、需要分中繼遙測(cè)站的升級(jí)為衛(wèi)星通信方式，并撤銷(xiāo)了紅崖寺、老碼頭、前坪等3個(gè)分中繼站，與其他超短波遙測(cè)站組成衛(wèi)星、超短波混合通信系統(tǒng)，并對(duì)竹山、鄂坪等主要雨量水位站采用了衛(wèi)星、超短波雙線運(yùn)行通信方式。

衛(wèi)星通信在水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)里運(yùn)用，首先應(yīng)用了Inmarsat海事衛(wèi)星。Inmarsat海事衛(wèi)星有不同類(lèi)型的移動(dòng)終端，其中Inmarsat-C移動(dòng)終端支持雙向衛(wèi)星通信終端，設(shè)備輕巧、功耗較低，使用L波段（1.5/1.6 GHz），對(duì)雨、霧的衰減非常小，傳輸信息穩(wěn)定，提供速率為600 bit/s雙向、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式數(shù)據(jù)信息或電文通信，適合水情信道利用率低、信息數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電方式，通過(guò)Inmarsat-C移動(dòng)終端可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，中心站定時(shí)對(duì)測(cè)站進(jìn)行巡測(cè)和召測(cè)，可控制衛(wèi)星設(shè)備電源（僅數(shù)據(jù)通信時(shí)供電）。本系統(tǒng)中采用的INMARSAT衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)主要和北京船舶通信導(dǎo)航有限公司合作，數(shù)據(jù)終端設(shè)備選用丹麥生產(chǎn)的TT-3026 L型。

2010年后，海用產(chǎn)品C/MINIC的新一代終端TT-3027型設(shè)備已經(jīng)無(wú)法提供水情系統(tǒng)使用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式服務(wù)，北京地面站的服務(wù)也停留在維護(hù)以前使用的用戶范圍，隨著用戶的減少，服務(wù)力度逐步減小，也就是說(shuō)已經(jīng)沒(méi)有新的硬件替代產(chǎn)品，軟件服務(wù)也逐步萎縮。

近年衛(wèi)星通信技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行，并且我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)飛躍式的發(fā)展，技術(shù)人員決定選用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星服務(wù)與北京神州天鴻科技有限公司合作。北京神州天鴻科技有限公司是北斗系統(tǒng)民用運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備生產(chǎn)制造銷(xiāo)售商，建立了民用用戶服務(wù)支撐平臺(tái)，包括北斗空間衛(wèi)星、北斗地面總站及民用網(wǎng)管中心以及北斗民用協(xié)議終端三大部分。通過(guò)對(duì)不同型號(hào)北斗通信設(shè)備的反復(fù)比較，技術(shù)人員選用了YDD-3-01型北斗衛(wèi)星分體通信型用戶機(jī)，該通信設(shè)備集成度高、體積小、功耗低可滿足雙向通信，且通信費(fèi)用低廉，比較適合水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)水情數(shù)據(jù)量小、信道使用率低的通信特點(diǎn)。

3 現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，通過(guò)合理優(yōu)化站網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)正在使用的堵河流域內(nèi)黃龍灘水庫(kù)壩址以上測(cè)站共計(jì)28個(gè)測(cè)站（表2），其中水位/雨量站6個(gè)，雨量站20個(gè)，水位站2個(gè)，站網(wǎng)密度約424.7 km2/站。

表2 黃龍灘電廠遙測(cè)站表

表2中的遙測(cè)站能基本滿足黃龍灘水庫(kù)壩址及其以上流域的洪水預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度要求，站網(wǎng)布設(shè)較合理，站點(diǎn)位置圖1所示。

圖1 黃龍灘電廠遙測(cè)站點(diǎn)圖

目前，移動(dòng)通信技術(shù)在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中開(kāi)始成為主要的通信手段，不需要組建專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，安全保密性高，且覆蓋面廣，與傳統(tǒng)的超短波等通信方式相比，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。手機(jī)短信服務(wù)（簡(jiǎn)稱(chēng)SMS）在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的通信功能，通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)GSM）網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸。

黃龍灘水電廠水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)也隨之進(jìn)行了技術(shù)更新，采用了雙通道工作模式即以手機(jī)短信服務(wù)為主通道，北斗衛(wèi)星為備用通道。在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中測(cè)站至中心站的數(shù)據(jù)接入方式可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接接入方式或?qū)＞€接入方式，針對(duì)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量絕對(duì)值不大的情況，采用專(zhuān)線的意義不大，并且專(zhuān)線需經(jīng)過(guò)Internet，有安全方面的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在本系統(tǒng)中采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入方式。在遙測(cè)站、中心站分別配置GSM短信模塊等配套設(shè)備，當(dāng)定時(shí)報(bào)或需加報(bào)時(shí)，遙測(cè)站RTU自動(dòng)啟動(dòng)GSM模塊，將信息經(jīng)移動(dòng)短信中心傳輸至中心站。

圖2 采用GSM短信（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）方式通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)展望

黃龍灘電廠水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)先后選用了超短波、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信（GSM），我們通過(guò)多年系統(tǒng)運(yùn)行，比較各種通信方式，總結(jié)如表3。

表3 通信方式總結(jié)

通信技術(shù)在黃龍灘電廠水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展，不斷提高了系統(tǒng)通信的可靠性，并且降低了通信費(fèi)用，減少了人工維護(hù)的強(qiáng)度。

當(dāng)今，5G技術(shù)的發(fā)展成為各個(gè)行業(yè)的焦點(diǎn)，萬(wàn)物互聯(lián)、智慧電廠概念風(fēng)起云涌，水情感知要素的準(zhǔn)確及時(shí)采集和傳輸是全面提升電廠信息化水平的基礎(chǔ)，將傳感器、無(wú)人機(jī)、電子遙感、工控設(shè)備監(jiān)控等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到智慧電廠感知要素的信息采集和傳輸中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)性和先進(jìn)性，推進(jìn)電廠信息化建設(shè)，以帶動(dòng)電廠現(xiàn)代化，并實(shí)現(xiàn)國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略。我們需要融合多源信息，綜合判斷水情，水情感知手段目前以地面站點(diǎn)觀測(cè)為主，未來(lái)將結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)、視頻監(jiān)控、智能識(shí)別技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)。黃龍灘水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的幾次改造還是停留在地面站點(diǎn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，相信未來(lái)將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無(wú)人化、立體化、一體化的監(jiān)測(cè)體系。

黃龍灘系統(tǒng)作為首套國(guó)產(chǎn)的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)；具有優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的工作體制、軟硬件設(shè)備，填補(bǔ)了該專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)空白。該系統(tǒng)伴隨著不同通信手段在水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，緊跟水情技術(shù)發(fā)展潮流，保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性和實(shí)用性。系統(tǒng)多年以來(lái)運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，年平均通暢率達(dá)到95%以上，為黃龍灘電廠防洪、度汛、水庫(kù)調(diào)度提供了可靠的決策依據(jù)，為洪水削峰、錯(cuò)峰，保護(hù)下游安全起到了重要的作用。