引滦工程水情自动测报系统设计

2010-06-26王立林王鸿雁谢雪涛齐德海

水科学与工程技术 2010年4期

关键词：水情超短波中心站

王立林，王鸿雁，谢雪涛，齐德海

（1.天津市引滦工程尔王庄管理处，天津宝坻 301802；2.天津市引滦工程于桥水库管理处，天津蓟县 301900）

1 概述

引滦入津工程是一项由滦河水系向海河水系引水的大型调水工程，工程于1981年9月开工建设，1983年9月11日胜利通水。2009年共向天津市供水超过170亿m3，极大地改善了天津市城市供水的紧张状况，经济效益和社会效益十分显著。

近年来受生态环境恶化的影响，恶劣天气连续出现，洪涝、干旱等各种自然灾害严重。因此如何合理利用水资源，改善生态环境，最大限度地降低自然灾害对人民生命财产造成的损失，已成为引滦入津工程管理者亟需解决的课题。

尽管经过10多年的奋斗和摸索，管理水平和管理手段在不断提高，但由于引滦入津工程流域雨情、输水条件复杂，传统的信息采集及处理手段已经很难满足当前管理工作的需要。

充分利用先进的计算机网络技术、通信技术、自动控制技术，建立完整、有效的引滦入津工程管理信息系统，已经成为管理引滦工程的必要手段和措施。其中雨、水情自动测报系统是引滦工程管理现代化的重要部分。

引滦工程雨、水情自动测报系统的总体设计，即在引滦工程管理处建立系统中心站；根据雨、水情分布的实际状况，分别在黎河管理处、潮白河管理处建立超短波中继站；在引滦沿线根据实际需要设立水情遥测站点，采集水情信息。在隧洞管理处至宜兴埠管理处沿线12个输水断面上安装25套超声波流量计，可实现水情自动测报数据的自动采集和分析，为引滦输水调度提供政策支持。

2 系统设计原则

水情信息采集与传输的总体原则是以技术先进、简单实用、经济可靠、低功耗为目标。

设备的选择应以结构简单，性能先进，可靠性高，防雷省电，便于维护为原则。设备尽量选用定型产品，减少建设周期，核心部件要有足够的备份。

传输体制及组网方式力求简单，应尽量减少中继次数和经中继的遥测站点数，控制中心和中继站可采用双机备份。

供电方式的选择应根据实际情况确定。水情信息遥测站，大都建在偏远地区，交流供电极不方便，同时考虑这些地区电网电压及供电的不稳定和多雷电等原因，遥测站和中继站供电采用蓄电池供电，太阳能板向蓄电池充电的工作方式，控制中心要有安全可靠的交流电源，前置机采用交流或直流供电方式。

3 系统总体设计

3.1 系统通信方案的确定及依据

建设水情自动测报系统的通信方式有：卫星通信、短波通信、GSM/GPRS通信等。结合引滦工程，流域实际情况采用超短波和GSM/GPRS混合组网通信方案。

（1）超短波通信是目前在水情自动测报系统中应用最多的通信方式。超短波通信的优点是信号传播稳定、通信质量较高、技术成熟、设备投资低。缺点是受地形和距离的限制，如要扩展站网覆盖范围，需设立多级中继站。

（2）GSM/GPRS通信的优点是设备投资低、技术先进、通道质量好、传输速率高、不受距离和地形限制、覆盖面广；缺点是运行费用较高。适用于地形复杂、流域面积大、技术要求高且采用超短波通信组网困难的水情测报系统。

基于以上两种通信方案，本设计采用超短波和GSM/GPRS混合组网通信方式。超短波通信、GSM/GPRS通信两种方式，是目前大中流域水情自动测报系统应用较多的通信组网方式。其优点：通信组网灵活、受距离和地形影响较小、覆盖面广、设备投资较低。缺点：通信网络复杂，对运行维护人员的素质要求较高。

单独水文站使用GSM/GPRS通信方式工作流程是，当水位发生变化时启动GPRS发送数据，当GPRS挂不上线超时后启动GSM发送短信到中心站。

含有超短波和GSM/GPRS的站点，当雨量或水位发生变化的同时启动超短波和GSM/GPRS发送数据。这样可以减少控制环节，提高设备的可靠性和稳定性。所有数据经中心站微机处理后存入数据库中。

3.2 系统的整体设计

引滦入津输水工程建成后，由天津市引滦工程管理处统一对引滦沿线设置的6个管理处进行运行管理。

引滦工程雨、水情遥测系统结构如图1。

图1 引滦工程雨、水情遥测系统结构图

4 雨、水情遥测站工作体制的选定

4.1 自报式

这类遥测站在雨量、水位等参数发生一个计量单位变化时，能实时把被测值采集、发送出去，其遥测终端结构相对简单，值守功耗极低，对遥测站附属设施如供电和发射设备要求较低，适合采用太阳能浮充蓄电池的供电方式。一方面，这种方式较采用交流供电方式，降低了从电源线引入的雷电等干扰的可能性，从而提高了遥测站设备运行的可靠性；另一方面，由于设备配置简单，提高了系统的可维护性，降低了系统造价。

4.2 应答式

这类遥测站在雨量、水位等参数发生变化时（有的应答式遥测站自身能对雨量、水位等参数发生的变化自动采集和存储），不主动将被测值传送给分中心站，只有当分中心站发出查询命令时，才将当时的参数值采集、发送出去。这种工作方式具有可控性，但接收机长期处于守候状态，因此值守功耗很大，对供电设施的要求提高，增加了设备配置的复杂性，可靠性相对较低。

4.3 自报/应答兼容式

自报/应答兼容式遥测站综合自报和应答两种方式的特点，既能实时自报，又具有受控功能，功能相对较强，其主要缺点是值守功耗很大，可靠性相对较低。根据实时性和可靠性要求高的特点，自报式遥测站是最合适的工作体制。

5 设备配置

5.1 中心站设备配置

根据系统的需求，中心站配置由计算机及其网络设备、超短波通讯及GSM/GPRS通信设备、前置通讯处理机（中心站控制仪）、供电设备及避雷设备等组成。

中心控制仪是为超短波遥测系统的分中心站数据接收设备。

水情遥测系统超短波信道所有各测点的水文要素都经过它进入计算机主机。在整个遥测系统中，中心控制仪起着桥梁作用。它采用CMOS器件、单一电源和低功耗的解调器等新技术，具有功能强、适应性大、可靠性高等优点。

中心站的电源设备主要由：交流参数稳压器、电源避雷器、UPS、直流电稳压电源和后备蓄电池等构成。

5.2 中继站设备配置

中继站可分为模拟中继和再生中继，模拟中继主要用于话路等模拟信号的转接，也可用于数字信号的转接。再生中继用于数据通讯中。

模拟中继和再生中继的主要区别有以下几点：

（1）模拟中继设备比再生中继简单。

（2）模拟中继产生噪声积累。

（3）再生中继抗干扰能力较强，不存在噪声积累问题。

在本系统中，模拟中继站的技术要求比较高，功能强大。本设计选用的是再生中继站。

5.3 雨、水情遥测站的主要设备与结构

雨、水情遥测站设备由遥测数传终端RTU、传感器、电台、同轴避雷器、天馈线和电源等组成。

系统使用的遥测数传终端RTU是由微处理器控制的通用设备，被优化设计用于对远端设备的监视和控制。它具有本地处理和控制能力，可以根据应用的需要组成不同的类型。系统中的中继站系列，分中心站前端的前置通讯控制单元系列也是由遥测数传终端RTU电路实现的。

6 网络功能及系统应用软件的编制

6.1 网络功能

中心站计算机网络结构设计的原则是：安全、可靠、实用、先进、开放性、可扩充性和高度的统一性等特点组成的局域网。网络功能支持远程访问服务、支持分布式关系数据库结构、支持客户机/服务器的计算机网络体系结构，支持超大型的数据库，具有并行事务执行、数据牵引和装载、通讯完整性检查功能。同时，系统可以自动检测和解决死锁，支持横向和纵向的数据复制，可以在多种开放式数据库之间复制数据，能够文件传输、打印及共享，并支持过程调用的分布式应用程序，提供控制接口，支持Internet/Intranet。