青溪水电站水情自动测报系统硬件升级改造经验浅析

梁洪英,郑福猛

(1.广东粤电青溪发电有限责任公司, 广东 大埔 514299；2.南京南瑞集团公司水利水电技术分公司,江苏 南京 210000)



青溪水电站水情自动测报系统硬件升级改造经验浅析

梁洪英1,郑福猛2

(1.广东粤电青溪发电有限责任公司, 广东 大埔 514299；2.南京南瑞集团公司水利水电技术分公司,江苏 南京 210000)

介绍了青溪水电站遥测系统改造项目,设备选型、系统安装,以及系统改造后运行情况,分析了GPRS、CDMA通信方式的优点、使用注意事项,肯定了系统性价比,说明值得推广应用的理由。

水情遥测系统;采集服务器;通信方式升级改造

青溪水电站是韩江主要支流——汀江干流的第二个梯级水电站,位于大埔县青溪镇大水坑村,上距干流福建省棉花滩水电站约13 km,距大埔县城约40 km。电站总装机容量为144 MW(4×36 MW),装机利用为2 590 h,设计年平均发电量为3.73亿kW·h。电站属于日调节径流电站,是一座以发电为主的中型水电站。

青溪水电站运行20多a来,在发电、防洪度汛等方面发挥了很大作用,大大减轻了下游的防洪压力。近年来,由于水情遥测系统设备老化、站房外部环境改变等原因遥测站和中继站通信频繁中断,直接影响了整个水情自动测报系统的安全性、可靠性,给水库防洪度汛、发电调度带来的安全隐患。

1 系统简介

水电站水情自动测报系统是现代科技与实际工作相结合的产物,其可以充分的利用现代电子信息技术对水文测站信息进行高频次地采集、传输、处理,监测,帮助水电站及有关工作人员掌握及时有效的水文情况,预防水患灾难的产生,推进资源的利用。该系统备受水电站工作人员的推崇,在我国大部分水电站中均有应用。

青溪水情自动测报系统由南京水利水文自动化研究所研制承建,1990年进行施工安装并投入试运行,1991年1月工程竣工验收。1995年、2004年、2008年分别对部分模块和设备进行改造更新。

青溪水情自动测报系统由7个测站组成。系统采用超短波(VHF)信道通信,自报工作方式。青溪坝上、坝下2个测站与中心站采用直接通信(超短波),其余测站均通过黎头寨中继站中转。

2 系统改造原因

1) 设备老化日益严重,故障频发。

2) 部分测站受城区扩建、新建高楼、恶劣天气、高大树木等影响,通信异常,数据传输信号受到干扰,影响系统的可靠性。

3) 中继站维护困难。犁头寨中继站地处山顶,上山道路崎岖且路程长,特别近年地方政府封山育林,目前上山管护难度大；维护安全风险高；且受天气条件制约,无法及时上山维护消缺。

4) 随着社会的不断发展进步,电网对水情自动测报数据的准确性、可靠性、实时性要求越来越严格,原有的系统设备和技术已经满足不了当前需要。

5) 随着广东中调和粤电集团新的管理体制建立,对水调系统也提出了新的要求,部分指标目前已经纳入了公司年度考核指标,因此,水情自动测报系统的可靠运行直接关系到公司经营业绩。

综上所述,需对现有的水情自动测报系统进行改造,以确保上述问题得到有效解决,满足公司水库发电调度和防洪度汛的要求。

3 系统改造方案

3.1通信组网

目前，国内已建的水情自动测报系统所采用的通信方式有超短波、短波、PSIN、GSM、CDMA、GPRS等多种通信方式,各种通信方式在设备原理、通信价格,数据传输保靠性、运行维护费等有各自的特点[1]。根据青溪水库流域情况和青溪电站工程具体需求,采用GPRS(主用)和CDMA(备用)双信道通信。主用通信方式采用移动通信,备用通信方式采用电信通信,确保通信的可靠。

3.2系统工作机制

水情自动测报系统的工作机制为自报和查询—应答混合方式。根据不同时段、气象条件、设备运行工况,自动完成定时测报、异常测报、增减测报、问询测报、平安报等方式。实现数据采集事件启动、定时采样和指令查询、校时等多种功能。并将各种水文要素及设备运行参数存入现场固态存储器并发送至水情自动测报中心站[2],自动完成水情自动测报数据的采集全过程,可远程查询实时信息和历史信息。

3.3系统设备选型

3.3.1数据采集器

数据采集器我们选用南瑞ACS 500,它是南瑞ACS系列数据采集器最新产品。是一款基于微功耗的、集数据和音视频处理为一体的、并由同一信道传输的设备,具有宽工作温度范围、极低的静态功耗、强大的远程通信功能、方便的传感器接入、丰富的可本地/远程设置的参数与运行模式等特点；并配置了SD卡接口、内嵌了TCP/IP协议栈、提供了远程/本地程序下载功能。

3.3.2GPRS通信模块

方案选用南瑞研发的工业级低功耗无线装置NARI DT 4100 GPRS DTU作为GPRS/GSM通信终端。该产品可以在远程遥测终端和数据中心之间建立透明传输通道,实现二者之间的数据交换。产品具有极低的在线空闲功耗(<2 MA),工作温度范围宽(-40 ℃～85 ℃),可在极其恶劣的环境条件下应用。同时低功耗的特性也可明显降低遥测设备的电源容量,从而带来设备体积以及运输成本的减小。

3.3.3CDMA通信模块

方案选用深圳宏电H 7710 CDMA DTU,它是基于CDMA数据通信网络的终端产品,为各行业用户提供稳定可靠、经济实用的专用数据网络。它符合工业级标准,优化电磁兼容性设计,具有超强的可靠性。H 7710 CDMA DTU内嵌PPP、TCP/IP、DDP等多种协议,可实现用户设备到数据中心远程透明数据通信；提供专业工业级产品接口,与用户设备即插即用,安装简单、使用方便。产品广泛应用于电力、环保监测、车载、水利、金融、路灯监控、热力管网、煤矿、油田等行业。

3.4电源系统及装配结构

3.4.1电源系统

为了保证设备能在无日照的情况下连续工作45 d以上,根据所有设备的静态电流、工作电流及工作时间计算出本系统需要使用的蓄电池容量及太阳能板功率,我们选用沈阳松下12 V/24 Ah免维护蓄电池。并增加了南瑞NARI ACS-SR充电保护器,整套电源系统具有自身功耗小,充电控制效率高,有防反充、防过充功能,能满足最大充电电流需要。

3.4.2装配结构

除传感器、太阳能电池板、通讯天线等必须置于机箱外,其余如遥测终端机、通讯模块、蓄电池、充电控制器等设备与模块连同自身包装一起安装于机箱内,这些设备与模块在机箱内的安装符合规范,布局紧凑合理,在满足安装检修方便的前提下,可以平装,也可以分层安装。进入机箱的电缆统一从箱体下部进出(防灌水),进出口有防护措施(防割伤电缆、防虫进入)。箱体内的电缆分类排列和布设,避免产生电气干扰。

4 遥测站设备安装方案

4.1机箱

本系统采用机箱的安装方式,用膨胀螺丝将机箱固定在墙上,或者将机箱平躺在稳定的桌子上,如果机箱安装在室外需要做好相应的防雨防水防虫措施。

通信模块、RTU、稳压充电控制器以及蓄电池全部放在机箱内,通信天线通过机箱预留接口放在机箱外面。

4.2传感器

雨量计安装在四周无高大遮挡物的地面、房顶或者稳定的支架上。

水位计安装在水位井上方,固定牢固保持水平。

4.3电源系统

太阳能板安装时应面朝南偏西15°,仰角30°,这样能达到充电效率最大,并且保证周围无高大遮挡物。

5 改造后遥测站情况

5.1节约成本

本次改造我们结合现有的实际情况遵循以下原则：

1) 改造成本最小。合理利用已有的设备,进行必要的更新改造。对原有7个自动测报点的通信终端、太阳能充电模块、蓄电池、连接线及转接头、设备箱等进行更换,保留原有的站房、水位计、雨量计、太阳能板等。

2) 改造设备最优。针对系统出现的问题,我们在设备选型时充分利用现代信息采集技术、通信技术、数据库技术等方面成熟的新成果,服务器选用南瑞ACS500服务器,通信终端采用GPRS+(主用)和CDMA(备用)双信道通信。

3) 后期系统扩展、维护管理费用最低。设备选型时已充分考虑中心站后期系统扩充、升级和优化要求；在通信系统方面只需要一个模块就可以将采集的水情数据发送出去,数据的传输和传输质量全由移动和电信营运商来保证,既可以节约建设成本和建设周期,也不需要组建专门的通信网络,更不需要建设中继站。由于与厂房组成以太网,可以提高系统可靠性,更可以灵活访问、远程维护水情自动测报系统,缩短处理故障时间、交通成本。节约维护和维修成本[3]。

4) 通信费用最低。虽然利用(GPRS)移动终端和电信(CDMA)终端来实现水情自动测报系统的数据传输需要通信费用,但我们按月租、流量套餐计算,相对来说,其所需要的通信费用确实低廉的,尤其是比卫星终端实惠很多。

5.2系统优化方面

水情自动测报系统改造之后与老系统相比,系统的功能、运行使用、维护管理都得到了优化。

1) 遥测站能够及时、准确地采集和报送雨量、水位、电压、温度原始数据。其中电压、充放电状态、温度是本次改造增加的参数,这样能够监测到测站室内环境,电池运行工况。

2) 测站内置固态存储功能,现场能自动实时采集、储存雨量及水位数据,储存周期大雨730d,并可人工置数,具备增量自报、定时自报等功能。中心站接收软件具备自动发现所有遥测站数据传输失败的功能,并能及时自动召回未成功传回的历史数据(遥测站故障除外),确保各遥测站全部水文和工况数据完整准确地传输到中心站。

3) 具备现场或远地编程的功能,可在现场或远地对设备进行各项参数设置或读取操作,也可用便携式计算机提取储存的数据。

4) 具备自维护功能,测站具有定时工况报告,低电压报警、掉电保护以及自动复位等自维功能。中心站数据接收软件具备监控遥测站工况和报警的功能,其报警依据的参数至少包括：各站定时数据是否成功收齐,异常的水文数据,电池电压,遥测站备用信道设备是否完好,至GSM短信中心GPRS专线是否正常,中心站其它接收设备是否正常等,报警信息以便于查阅的方式提供,包括颜色变化,闪烁等形式。

5) 具有数据固化及软件故障自恢复功能。所有重要的数据、设备具有软件故障自恢复功能,即使在偶发事件中造成设备的软件不能正常运行,2秒钟以后能够自行排出故障,自动恢复正常运行,而且数据不会发生任何错误,更不会丢失。恢复之后设备的功能和数据完全与发生故障前一样。

6) 具备远程校时功能,能通过GPRS/CDMA接收中心站指令自动校时,确保中心站与测站时间一致。

7) 信道切换。水情自动测报张当主信道出现故障时,可以自动、手动切换到备用信道进行自报。故障排除后可自动恢复到主信道。

中心站自动采集、储存、传输、处理的数据误差率低；通信系统具有信息接收的确认、重发、校验机制,确保信息接收的可靠性。

8) 所有水情自动测报站均按微功耗要求设计,并配以合适容量的太阳能电池板浮充蓄电池,保证连续45天阴雨天气条件下,设备能连续正常工作；并在阴雨天气后,能在10～20 d时间内,将蓄电池充足。整个系统设备结构简单、维护方便、具有很好的防雷击、抗暴风和防湿等能力,能在恶劣的天气环境下和无人值守情况下正常运行。

9) 在系统运行过程中,我们每月每年都有对系统运行指标进行统计分析(见表1),从表1可知系统稳定性有所提高。

表1 青溪水情遥测系统运行指标统计

2.水情数据合格率是南方电网评价水电优化调度和经济运行统计指标。

综上所述,虽然青溪水电站遥测系统本次升级改造投资约27万,但是,整个工程无论是从设备选型、通信价格方面,还是现场施工、运行维护费、远期扩展等各方面综合考虑节约了很多生产成本。系统的稳定性、灵活性、可靠性比以往明显提高；设备运行管理、维护检修更加灵活便利,节省了物质资源和人工劳力。

5.3系统局限性及使用注意事项

1) 由于通信方式是GPRS(主用)和CDMA(备用)双信道通信,当GPRS和CDMA信号意外中断或不稳定则采用短信补发,产生了通信费用。所以在使用过程中查清数据中断原因,如果是移动或电信原因中断,则要及时联系相关方做信号检测,尽快维修设备。此外,办理经济实惠的消费套餐。

2) 服务器安装在青溪厂区,通过青湖光纤连接,利用互联网传送给防汛调度决策系统外网通信服务器,一旦光纤、网络意外中断或维护改造,所有水情原始数据全部中断(故障消除后可以补传),如果故障发生在洪水期间,则会给水库调度值班员带来极大麻烦,这就要确保光纤、网络通道完好,同时外网通信服务器要选用容量大,性能强,一旦出现故障则要及时抢修。

3) 网络安全风险增大。日常管理中需要做好网络安全加固,检测工作,以防止非法访问、病毒入侵。

6 结语

本次系统升级改造,本着价格适中、设备优良,技术水平先进,系统兼容性强、网络结构简单,系统可靠实用、易于维修等原则。完善原水情自动测报系统的各项功能,提高了系统整体畅通率和准确率,降低系统维护工作量,降低各测站维护时的安全风险,降低维修营运成本,提高系统运行的可靠性、准确性,满足电站高效经济运行和安全生产对水情自动测报系统的要求。虽然受移动、电信、公网通信影响的局限性,但是与超短波、海事卫星或其它通信方式比,在保证可靠性和性价比的前提下,改造项目设计更合理、功能更实用、系统更稳定,维护更方便。完全满足水电站水库调度、水务管理、电网对系统运行考核要求,值得在同行中推广、应用。

[1] 南京南瑞集团水利水电技术分公司.广东粤电青溪发电有限责任公司水情自动测报系统改造技术协议书[R].南京：南京南瑞集团水利水电技术分公司,2014．

[2] 浦亚,水情自动测报系统通信方式简介[J].科技风,2009(13)：234．

[3] 程时宏,阳新峰.二滩水电站水情自动测报系统通信方式改造[J].四川水利发电,2007,26(3)：78-80.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Hardware Upgrading of Automatic Hydrological Forecast System for Qingxi Hydropower Station

LIANG Hongying, ZHENG Fumeng

(1.QingXi Hydropower Station of Guangdong Yudean Group CO. LTD, Dapu 514299, China;2.Water resources & Hydropower Technology Company of NARI Group Corporation, Nanjing 210000, China)

Reconstruction project, types selection, system installation and operation condition of remote supervision system at Qingxi Hydropower Station are introduced. The advantages of GPRS &CDMA communication method are analyzed, so done the matters needing attentions. Well cost performance shows reasonable wide application.

hydrological telemetry system；collection server； communication method； upgrading

2016-04-26;

2016-06-13

梁洪英(1972),女,助理工程师,主要从事水文预报及水库调度、水库资源保护工作。

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