乌溪江水情测报系统双通道通信模式改造

2013-02-09王淑香

综合智慧能源 2013年3期

王淑香

(浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州 324000)

1 电站概况

水情自动测报系统是集通信、遥测和计算机等先进技术于一体，用来实现水文数据自动采集、传输、处理和预报的现代化自动实时数据采集处理系统，它是水库调度人员制订洪水预报、调洪演算、洪水调度及防洪调度方案的依据，因此，系统的实时性及可靠性是非常重要的。乌溪江梯级电站根据流域地形及实际需要，从1982年开始建设水情自动测报系统，此后在运行中根据发展的需要不断加以改进和完善，由单一的超短波通信扩展为超短波与短信双通道通信模式，进一步提高了系统的畅通率和可用度。

浙江华电乌溪江水力发电厂由湖南镇、黄坛口两梯级电站组成，在浙江电网中主要承担调峰、调频、事故备用及黑启动的作用。梯级水库在衢江甚至是钱塘江流域的洪水调度中占有非常重要的地位，承担下游防洪抗旱和为衢江洪峰错峰的任务。一级湖南镇水库具有不完全多年调节能力，为国家二级重点防汛水库，坝址以上控制流域面积为2151 km2，现总装机容量为320 MW，机组总发电引用流量约350 m3/s;二级黄坛口水库距湖南镇电站29 km，区间流域面积为237 km2，装机容量为52 MW，在梯级联合运行中，以日调节运行方式为优。

乌溪江是钱塘江上游衢江的一大支流，发源于浙闽交界的仙霞岭北麓，河流全长约160km，总集水面积为2587 km2，流域呈狭长形，上游崇山峻岭，两岸悬崖陡壁，河床比降大于1‰。流域内除黄坛口下游属平原地区外，其余均属山区，流域内植被虽好，但土层很薄，吸水性差，多雨期径流系数大于0.95;由于河床比降大，因此集流极为迅速，洪水猛涨猛落，属典型的山区性河流;流域年平均降雨量为1770 mm，降水分布不均匀，主要集中在4—6月份。

2 水情自动测报系统的建设及改造

2.1 超短波通信系统的建设与发展

2.1.1 超短波通信系统的建设

浙江华电乌溪江水力发电厂是国内最早投入水情自动测报研制和开发的水电厂之一，于1982年首次与电子工业部第六研究所和机械工业部共同进行第1套水情测报系统的研制和开发，1986年7月通过考核验收。系统运行3年后，由于早期设备性能上的缺陷，1991年由南京水利水文自动化研究所对系统的主要通信设备进行了改造，从1992年运行至今没有出现过重大运行事故，技术指标满足水库运行要求。

2.1.2 超短波通信系统的配置

经过不断的改进和完善，目前超短波系统共设有16个站，为16∶3∶2模式，即16个遥测站(水文站1个、雨量站11个、水位站4个)、3个中继站、2个中心站。系统采用三级中继传输方式，三级中继都为再生中继，所有信号都经过中继解调→重新编码再生→再调制的过程，确保信号的可靠性。水情自动测报超短波系统组网图如图1所示。

2.2 水情测报系统的改造

为了解决原系统通信方式单一的问题，使系统更加符合规范要求，浙江华电乌溪江水力发电厂2011年11月进行了增设短信通信通道的安装及调试工作。此次改造是在原来超短波通信通道及设备的基础上增设全球移动通信系统(GSM)/通用无线分组业务系统(GPRS)通信通道，实现系统双通道通信;同时，保留原有一次采集、传输仪器和数传设备以及外围供电设备(如图2所示)。在中心站实现智能接收2个通道的准确数据，并将主用通道的数据写入数据库，保证水情测报入库数据的唯一性、准确性和完整性，达到可靠、实用、经济、先进的标准，确保该系统实现现场无人值守、中心站少人值班、系统安全可靠运行，满足水库防汛和调度的需要。

2.2.1 短信通道系统配置

短信通信系统的网站点布设为:在原超短波通信网站的基础上分别在湖南镇、黄坛口水库3个尾水位增加了压力水位站，短信系统站点布置为1∶19模式，即1个中心站、19个遥测站(如图3所示)。系统以GMS点对点的方式工作，短信采用信令信道进行传输，无需建立拨号连接，直接把信息加上目的地地址发送到短信服务中心，再由短信息服务中心发到目的地。

2.2.2 改造的主要设备

(1)采用目前国内最先进的遥测终端机。此次改造采用南京磊淼水电科技研究所生产的LM－9型遥测终端机，该遥测终端机采用单板结构，嵌入GSM/GPRS模块，微功耗、多种通信通道、多种工作制式，有1Mbits固态存储器，具有强大的数据采集、数据存储和数据传输控制能力。

它是由微处理器控制的通用遥测设备，可以根据需要组成具有不同功能的遥测终端，超短波信道、GSM信道、GPRS信道可选、可组合。LM－9型遥测数传终端留有与原超短波系统的电台接口，当原超短波系统的遥测终端设备出现发送故障时，将电台接入LM－9型遥测数传终端就可以通过超短波电台继续发送数据。该设备具有电池电压值检测和发送功能，终端机发送数据时，自动检测并发送测站的电池电压实际值;具有超时发送强迫掉电功能，支持休眠唤醒工作方式;参数设置、内存检查、功能检查都通过笔记本电脑或计算机来实现，固态存储器的数据可以在现场用笔记本电脑下载，也可以通过信道机异地远程下载。

图3 水情自动测报系统双通信通道组网图

数据传输方式为异步传输，采用固定帧长的结构，按先发高位字节、后发低位字节的次序进行。各字节均按异步传输定义，即1位起始位、8位数据位、1位终止位。串行发送时先发起始位，再发数据位，最后发终止位，传输内容为:帧头、站号、时间、电源电压(实际电压值)、水文数据及冗余码。

遥测终端机嵌入的GSM/GPRS数传模块选用华为技术有限公司开发的华为GTM900无线模块(三频段GSM/GPRS的无线嵌入式模块)。

(2)中心站短信接收模块。短信接收模块采用西门子TC35T/TC35iT模块，内置了TC35无线模块，集成了标准的RS232接口以及SIM卡，可以在PC机上用AT命令通过串口对其进行设置。

2.3 水情自动测报系统的运行模式

短信系统与超短波系统运行模式均为自报式，即遥测站按照设定的雨量变化或者水位变化(超短波通信设定为雨量变化1 mm，水位变化1 cm;短信通信设定为雨量变化1 mm，水位1 h变幅5 cm，可以根据实际需要进行调整)自动向中心站发送数据，水文参数没有变化时，每天定时4次向中心站发送信息，以反映系统的运行状态。

2.4 水情测报系统软件部分

2.4.1 软件升级为多路水情系统软件

此次系统改造是将原来的软件进行升级，系统应用软件为模块化结构，便于功能的扩展和修改，并预留接口。软件采用多路水情数据采集器、数据查询分析器，具有强大的数据管理及通信功能，具有友好的人机界面。

水情遥测数据库建设完全符合SL 323—2005《实时水情数据库表结构与标识符标准》和SL 330—2005《水情信息编码标准》。水情遥测数据库在进行数据表结构设计时，根据表中描述数据的更新频度和性质将数据表分成2类:一类是数据更新频度较低或基本不变的表(如测站基本信息等)，称为基本信息表，这类数据表的记录需人工逐条录入;另一类是更新频度较高的实时水情信息表(如实测水位、雨量过程等)，称为实时信息表，这类数据表的记录由信息采集系统自动录入。系统主要由数据接收、处理、存储模块，当前编码器显示、打印模块，当天日降水量、水位变幅显示、打印模块，显示、打印降水量日、月报表模块，显示降水量直方图模块等27个模块组成。系统软件支持B/S，C/S的网络工作方式，支持多中心站联网。采用水利工程代码库，满足系统水情、工情数据的信息检索要求。系统的雨量、水位、数据库与国家防汛抗旱指挥系统的数据库结构兼容，实现数据共享。

2.4.2 改造后主要增加的功能

(1)采用多路水情数据采集器，能进行双通道间的相互切换，最后将主用通道接收的数据写入数据库，以确保数据的唯一性。

(2)能编辑水位、雨量、电量及负荷等信息，定时或人工发送至管理人员手机，或由管理人员随时进行信息召测，并可设定将雨强及水位越限报警发送至水情实时监测平台及管理人员手机。

3 超短波与短信两通信通道的优、缺点

3.1 超短波通信

3.1.1 超短波通信的优点

(1)独立性好，完全是自建通信网。

(2)超短波视距传播损耗小、信号较稳定、技术成熟、设备简单且易于配套。

(3)实时性好。

(4)运行成本低。

3.1.2 超短波通信的缺点

(1)建设成本较高。

(2)当通信两地过远或有高山、树木、高大建筑物的阻挡时，通信路径损耗过大;不能满足通信最低要求时，必须设立中继站进行接力;而当中继站出现故障时，在中心站无法收到该中继转接的遥测站的任何数据。

3.2 短信通信

3.2.1 短信通信的优点

(1)GSM网络覆盖范围广，网络较为稳定，主要利用GSM点对点短信息业务完成水情数据的传输，可靠性较好。

(2)设备体积小，价格低，安装在室内，没有引雷部件，可以不做防雷处理。

3.2.2 短信通信的缺点

(1)实时性不强，数据通信存在延时。如果传输的数据量超过短信息允许的最大长度(一般每条短消息长度被限定在140个字节内)，短信息中心将把数据自动切分成多条信息发送到目的地，延时将更长，导致系统数据接收的时效性大大降低，实际运行中一般比超短波通信延时2～5 min。

(2)当系统用户数量较大时，公共短信平台可能发生信息拥挤，导致数据的延时，甚至丢失。

(3)运行费用太高。试运行期间每天平均有短信850条左右，为了既降低运行费用又能满足收集水情数据的需要，根据实际情况将水位站的阈值设定为上游水位1.0 h变幅超过5 cm，尾水位0.5 h变幅超过10 cm(可根据实际情况随时进行调整)。

(4)若预存费用余额为0，则无法发出信息，致使水情数据不够及时、完整。

4 水情自动测报系统的运行情况

乌溪江电厂严格按照水情自动测报系统的维修规程进行汛前检查、汛期巡查和汛后检查，以确保汛期系统可靠、安全运行;平时发现缺陷便立即进行处理，使系统每年的运行畅通率达到97%以上，可用度为99%以上。超短波通信出现的故障主要是电池电压低和测站遭到雷击等引起的，短信通信运行比较稳定，但也曾出现过几次故障。

(1)2012年1月曾出现王村口水位站不来数的情况，到现场检查发现，蓄电池电压低于短信设备设计门限值，致使设备停止工作，换上新蓄电池后工作正常。电池电压低的原因是长时间的阴雨天气使太阳能供电不足以及下游小水电发电水位变化频繁，重新调整该测站的定时来数与水位雨量采样间隔时间后，系统恢复正常。

(2)2012年3月曾出现大枫岭雨量站不来数的情况，原因是数传仪故障，更换新设备后系统恢复正常。

根据超短波及短信两通信的特性，正常情况下2套系统都投入运行，但为保持数据的唯一性，以超短波系统为主用通道，来数写入服务器数据库;3个新增的尾水测站运行在短信系统通道;运行中若发现超短波通信通道某一测站或中继站故障，便将相应的遥测站切换到短信通信通道接收水情数据并写入数据库，确保水情数据的完整性。

5 水情系统改造后取得的初步成效

5.1 增加了水情系统的稳定性，提高了畅通率

原水情超短波系统存在电源问题，通信需3级中继转接，在加强对流域小水电的监测后，由于通信流量过大引起的通信中断有所增加。而短信系统具有对电源要求低、通信直接的优点，有效弥补了超短波通信的不足。

5.2 规范了湖南镇、黄坛口梯级发电尾水位的监测

尾水位观测属于水情监测范畴，但由于历史原因，浙江华电乌溪江水力发电厂尾水位监测为厂房监控系统职能，存在观测数据误差大、稳定性差的问题，此次改造基本解决了上述问题。

5.3 在加强流域防汛监测的同时，有效做好了厂区防洪

湖南镇、黄坛口二站地处山区，受局地短时强降水的影响较大，对于黄坛口、跃进雨量站，采取了2套完全独立的系统配置，使雨量监测更为可靠。

5.4 扩展了原水情短信系统功能，增强了系统报警功能

一方面增加了雨强水位越限报警功能，另一方面还增加了发电量的短信查询功能，扩展了水情短信平台。

6 水情系统改造存在的问题及建议

6.1 各遥测站2套通信系统的电源及传感器应完全独立配置

目前，各遥测站均有超短波与短信通信系统。2种通信方式共用1套太阳能板和蓄电池供电电源，试运行期间流域出现了日照历史同期最少的极值年，王村口站曾出现电压低的现象，现已为该站增加了1组蓄电池及相应的太阳能充电板，但仍需对系统供电方式作必要的跟踪，以保证系统畅通。为了进一步提高系统的可靠性，建议遥测站2套通信系统的电源及传感器完全独立配置。