基于NB-IoT技術(shù)的水電站水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用*

(四川水利職業(yè)技術(shù)學院 四川水利創(chuàng)新發(fā)展研究院，四川 崇州，611231)

1 引言

水電站的運行與其所處的水文環(huán)境密切相關(guān)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能水文監(jiān)控系統(tǒng)越來越多的被認為是未來智能水電站發(fā)展的重要領(lǐng)域和重要方向。

我國水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展分為三個階段，第一個階段為20世紀70年代中期至 90 年代初期，水文環(huán)境檢測的工作方式基本采用查詢應答式，數(shù)據(jù)傳輸方式采用二進制振幅鍵控(2ASK)、音頻濾波等調(diào)制手段，通信技術(shù)落后，傳輸速率低，測報數(shù)據(jù)少，只能夠進行水位雨量的測報，主要運用在小流域上；第二個階段為20世紀90年代初期至2000年前后，采用自報式與查詢應答式共同使用的方式，利用超短波通信、有線網(wǎng)絡、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)跨流域、區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，缺點是采集的數(shù)據(jù)資料只能夠供本地域使用；第三個階段為2000年至今， 采用主動自報和被動查詢應答的混合工作方式，數(shù)據(jù)傳輸采用短波、微波、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等，實現(xiàn)了真正的跨地域聯(lián)網(wǎng)，水文數(shù)據(jù)實時共享和交換。

我國水文監(jiān)測系統(tǒng)目前采用的最常使用的數(shù)據(jù)傳輸方式有：GPRS、CDMA、4G以及通信衛(wèi)星。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點。一般而言，水電站的水文環(huán)境覆蓋面積較大，而且隨著物聯(lián)網(wǎng)的應用越來越廣泛，傳感器數(shù)量也越來越多，所以基于NB-IoT技術(shù)的水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。利用NB-IoT技術(shù)可以實現(xiàn)對水電站環(huán)境相關(guān)的各類氣象數(shù)據(jù)以及水量、水位、水閘運行情況等各個方面實時監(jiān)控，全面掌握水電站的各類水文數(shù)據(jù)。

針對目前很多水電站關(guān)切的水文信息和環(huán)境信息監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，因此，通過電話線或者網(wǎng)線等傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過NB-IoT無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，能夠解決信息監(jiān)測范圍廣而分散的問題，而且布置簡單，實時高效。本文設(shè)計開發(fā)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)的水文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及組成

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)上，按照功能和使用目的進行功能分層，包括感知層、傳輸層、平臺層和應用層。感知層的主要作用是利用相關(guān)傳感設(shè)備，感知和采集水電站水文環(huán)境數(shù)據(jù)；傳輸層的主要作用是通過NB-IoT協(xié)議與感知層設(shè)備進行通信，收集和傳輸來自感知層的數(shù)據(jù)，基站和傳輸層之間采用星型網(wǎng)絡拓撲，最終傳輸數(shù)據(jù)給平臺層；平臺層作為中心層進行數(shù)據(jù)和相關(guān)命令參數(shù)的傳遞和存儲；應用層的主要作用是提供相應的管理程序，供水電站管理人員使用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

針對水電站的特殊環(huán)境，需要對NB-IoT傳輸層的部分硬件設(shè)備和軟件進行定制開發(fā)，傳感器與平臺層的通訊需要考慮穩(wěn)定性、低功耗、防水性等因素，系統(tǒng)吸收了國內(nèi)其他系統(tǒng)的先進經(jīng)驗和思路，選擇合理的主控芯片、傳輸元件進行設(shè)計開發(fā)，結(jié)合相應的算法計算，最終實現(xiàn)了多類型傳感器實時可靠的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)對水電站環(huán)境相關(guān)的各類氣象、水文數(shù)據(jù)等進行實時監(jiān)測和查看，且能配合相關(guān)閘門控制程序有效解決生態(tài)流量等問題。

2.2 水文感知層

水文感知層主要作用于渠道量水，“渠道量水”是渠系電站有效利用水量、提高發(fā)電效率的有力措施，是實行計劃用水和準確引水、輸水的重要手段，利用測流堰、水位計采集渠道水位，經(jīng)數(shù)據(jù)采集終端(RTU)處理、轉(zhuǎn)化為渠道流量Q。利用雨量筒采集降雨量，并同步匯集到數(shù)據(jù)采集終端(RTU)，RTU通過NB-IoT傳輸數(shù)據(jù)給平臺層。

采用的渠道量水傳感器包括：超聲波水位計、雷達水位計、投入式水位計、工業(yè)照相機、河道監(jiān)控終端等，每個終端都配備了一個NB-IoT芯片，這些芯片都有一個唯一的標識deviceId。

通過傳感器采集的渠道數(shù)據(jù)根據(jù)安裝斷面的水位流量關(guān)系曲線掌握入庫流量。水位流量關(guān)系曲線按明渠穩(wěn)定流中的曼寧公式計算，即：

式中：Q——流量，m3/s；

A——過水斷面面積，m2/s；

R——水力半徑，m；

n——河床糙率，取n=0.035；

j——水面比降，控制斷面河道比降j=10‰。

根據(jù)傳感器監(jiān)測前池出口處水位及下游尾水閘水位，可計算水電站的發(fā)電水頭，即h=h前池出口-h尾水閘-Δh。

也就是得到傳感器實時傳輸?shù)臄?shù)字之后，根據(jù)相應的算法，最終能夠得到對應的水電站環(huán)境指標。

2.3 環(huán)境感知層

環(huán)境感知層對水電站的風向、風速、雨量、氣溫、相對濕度、氣壓、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等多個氣象要素進行全天候現(xiàn)場監(jiān)測。環(huán)境感知層數(shù)據(jù)最終收集到氣象數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)氣象數(shù)據(jù)采集終端(RTU)采集處理，通過NB-IoT傳輸數(shù)據(jù)給平臺層。

圖2 環(huán)境感知層數(shù)據(jù)采集和傳輸流程

2.4 NB-IoT傳輸層

傳感器上通過NB-IoT模塊 HCore BC95-B5 與電信IoT平臺通信注冊，設(shè)置NB-IoT卡所在頻段為850MHz，開啟射頻：AT+CFUN=1，配置CDP服務器地址：AT+NCDP=180.101.147.115,5683傳感器芯片通過平臺進行設(shè)備注冊，平臺會為每個設(shè)備分配一個唯一的標識deviceId，后續(xù)應用操作這個設(shè)備時都通過deviceId來指定設(shè)備。

消息示例：

圖3 NB-IoT傳輸層通信模塊設(shè)置

Method：POST

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}

3 水文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)運行測試

以四川水利職業(yè)技術(shù)學院雙合教學科研電廠(以下簡稱：雙合電廠)試驗場地的水文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為例，在水電站庫區(qū)渠道中部位置安裝水位監(jiān)測傳感器，通過NB-IoT網(wǎng)絡實時掌握庫區(qū)水位，通過觀測渠道中部水位，監(jiān)測得渠道流量值即為發(fā)電可用流量，并用渠道中部斷面水位流量關(guān)系曲線進行流量校核。通過實時監(jiān)測渠道流量數(shù)據(jù)，可通過控制發(fā)電機組開機臺數(shù)及導葉開度，來實現(xiàn)水電站安全經(jīng)濟運行。

圖4-1 引水渠道中部大斷面示意

圖4-2 引水渠道中部水位流量關(guān)系曲線

在雙合電廠庫區(qū)安裝水位傳感器，通過NB-IoT網(wǎng)絡實時采集傳感器數(shù)據(jù)，實時掌握庫區(qū)水位。

圖5-1 庫區(qū)大斷面示意

圖5-2 庫區(qū)水位流量關(guān)系曲線

在尾水渠安裝水位流量傳感器，通過NB-IoT網(wǎng)絡實時采集傳感器數(shù)據(jù)給應用層，斷面流量即為發(fā)電實際引用流量。并用該斷面水位流量關(guān)系曲線進行流量校核，本文中水電站尾水渠斷面水位流量關(guān)系曲線見圖6-1、圖6-2。

圖6-1 尾水渠100m大斷面示意

圖6-2 尾水渠100m水位流量關(guān)系曲線

最終實現(xiàn)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)的水文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集傳輸過程是：

(1)實現(xiàn)傳感器定時發(fā)送數(shù)據(jù)功能。遙測控制終端定時采集相關(guān)水文環(huán)境數(shù)據(jù)，包括：水位、流量、風向、風速、雨量、氣溫、相對濕度、氣壓、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等，實現(xiàn)通過NB-IoT 將數(shù)據(jù)傳輸給平臺層。

(2)實現(xiàn)平臺層主動采集功能。應用層管理程序通過平臺層向傳感器發(fā)送指令，通過NB-IoT網(wǎng)絡發(fā)送給傳感器，傳感器接收命令后，再將相應數(shù)據(jù)傳輸給平臺層。

(3)實現(xiàn)平臺層的主動上報功能。本水電站下泄流量在線監(jiān)測裝置可通過NB-IoT通信模塊傳送到上級水務局的水資源管理系統(tǒng)上，可實現(xiàn)實時查詢。

4 總結(jié)

本文介紹了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)的水電站水文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對水電站水文環(huán)境進行在線實時監(jiān)測和主動監(jiān)測功能，并能夠自動完成報送數(shù)據(jù)工作，有效地解決了水電站水文環(huán)境監(jiān)測精度不準、工作量大等問題，通過實時監(jiān)測流量數(shù)據(jù)，可通過控制發(fā)電機組開機臺數(shù)及導葉開度，來實現(xiàn)水電站安全經(jīng)濟運行。