新型串口视频转换终端在水情测报中的应用

2018-12-25杨金标张后来郑福猛

水电与抽水蓄能 2018年6期

杨金标，舒凯，张后来，郑福猛，贺鹏

[南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏省南京市 211106]

0 引言

近年来，国际国内大力发展抽水蓄能电站和中小水电站。抽水蓄能电站和中小水电站运行管理中水情自动测报系统（以下简称水情系统）属于薄弱环节，因建设条件、维护要求及建设成本制约，水情系统中心站主要建设在大中型电站，水情遥测信息直接发往中心站，在抽水蓄能电站、中小水电站或测站现场无法直接获得水情信息，一定程度上影响发电调度。

为此，需探索新的水情系统建设模式，以较低的建设成本和简单的部署方式，将水情信息在抽水蓄能电站、中小水电站或测站现地进行展示和分析，指导现场调度工作。

本文介绍了一种基于ARM嵌入式技术[1]和FPGA现场可编程门阵列技术[2]开发的新型串口视频转换终端，利用其灵活的集成模式，将水情信息从遥测采集模块接入现地显示屏，展示水情信息并进行直观统计分析。与现有水情系统集成模式相比，分析其优缺点，并结合应用实例，认为效果显著，值得推广。

1 抽水蓄能电站及中小水电站水情测报系统现状及不足

1.1 发展现状

水情自动测报系统（简称水情系统）是集通信、计算机、水文和遥测等先进科学于一体的多学科系统工程[3]，是电站调度自动化的基础。我国水情自动测报系统建设从20世纪80年代起步，经过不断发展，目前全国大型电站已基本建立水情测报系统，并成为生产运行中的重要支撑系统，为电站安全度汛和经济运行发挥巨大作用。

1.2 主要不足

因建设条件、维护要求及建设成本制约，目前水情系统中心站主要建设在大中型电站或流域集控中心，抽水蓄能电站及中小水电站在水情系统建设方面相对薄弱，主要体现在两个方面：

（1）大部分抽水蓄能电站及中小水电站无水情系统建设，无法掌握电站水情信息，部分流域虽在抽水蓄能电站及中小水电站建有遥测站，但水情数据均直接发往流域集控中心，测站现场无法直接获得水情信息，导致现场无法精细化调度。

（2）少量抽水蓄能电站及中小水电站虽建有水情分中心，但须部署服务器以及遥测采集平台、水调平台、数据库等一整套系统。这种模式建设成本高，且日常运行维护工作量大，对维护人员计算机水平要求高，不利于推广应用。

1.3 改进方向

为改进抽水蓄能电站及中小水电站水情系统建设的不足，需探索新的建设模式，以较低的建设成本、简单的部署方式，将水情信息在测站现地进行展示、处理和直观分析，指导现场调度工作，同时，降低日常维护工作量和维护难度，便于推广应用。

2 新型串口视频转换终端功能设计

2.1 功能介绍

新型串口视频转换终端是专为水文站、水库站、闸泵站等设计的一款实时信息展示转换模块。它采用ARM+FPGA架构，能够实现串口数据的实时显示。利用RS232串口接收遥测采集终端设备中的雨量、水位、温湿度等实时数据，经数据存储和处理，通过VGA接口将处理后的画面输出到液晶电视或显示器上展示。该终端自带内部FLASH，能存储字库和图片信息，包括水位过程线和整点水位值等，并具备基本数据处理功能，进行累加计算或差值计算，展示画面可根据用户需求定制开发。如需显示大容量的图片或视频信息，可通过TF卡槽插入TF卡存储设备。

2.2 设计方案

2.2.1 硬件结构设计

串口视频终端主要硬件结构有ARM处理器、FPGA现场可编程门阵列、TF卡、内部flash、实时时钟、串口、VGA接口等，其示设计示意图如图1所示。

2.2.2 软件流程设计

图1 硬件结构设计示意图Fig.1 Schematic diagram of hardware structure design

图2 软件结构设计示意图Fig.2 Schematic diagram of software structure design

串口视频终端软件数据处理流程主要设计思路为：通过串口接收数据源，并对数据进行解码处理和存储；然后图形绘制软件调用数据和图形库，进行图形显示；同时，利用界面刷新程序定时刷新数据和图形。主要数据处理流程如图2所示。

3 新型遥测集成方式

3.1 新型遥测集成方式

串口视频终端设备的集成十分灵活、简便，可以通过有线/无线的方式将传感器或者RTU的数据接入串口视频转换终端。在终端上有2个RS232串口，可以RS232的方式接入，也可通过无源RS232-485转换器经长距离布线接入，或通过无线电台、GPRS模块等无线方式将数据接入模块。通常情况可接入2路串口信号，在一些特殊应用场合，也可定制开发多路数据接入。在集成时，可通过定制开发对设计不同的界面风格或展示模式。集成示意图如图3所示。

3.2 与现有集成模式对比

3.2.1 几种模式各自特点

现有遥测站普遍采用数据直传中心站或分中心落地两种模式集成，与串口视频终端集成模式相比，其主要特点如下：

（1）数据直传中心站模式为：测站数据采集后，利用GSM/GPRS[4]或者VHF、北斗通信卫星等无线通信技术将数据传输至中心站，测站现地无法对数据进行展示和分析。此模式功能不足，水情遥测信息需由中心站处理后，再通过其他手段下发到测站现场，若遇恶劣情况通道中断，则水情信号无法直接传输至测站现场，因此适用于无遥测站房的非重要测站。

（2）分中心落地模式为：测站现场部署服务器，直接通过遥测采集平台从遥测站接收数据，利用水情人机界面系统展示分析水情信息。此模式虽然功能强大，但建设成本高，且对现场环境要求较高，需具备机房条件用于服务器工作站的正常运行，后期维护工作量较大，需测站值班人员具有相当的计算机系统维护能力。因此，仅在部分特别重要站点才以此种方式集成。

（3）利用串口视频终端进行集成模式主要有以下特点：设备的安装方式简单，仅需增加一台显示器、一个串口视频终端即可；设备运行对环境要求较低，只需提供220V交流电即可正常运行；无需人工干预，接通即可显示，系统维护简便；由于该设备可定制配置，因此显示的信息可足够测站分中心的日常调度生产需求，即使遭遇极端恶劣天气导致分中心与中心站通信中断，仍然可以根据现地展示的水情信息及时做出调度决策。

图3 串口视频终端集成示意图Fig.3 Schematic diagram of Serial port Conversion to Video Terminal

3.2.2 几种模式对比分析

三种测站集成模式对比如图4所示。

图4 三种集成模式Fig.4 Three types of integration models

根据以上三种集成模式的特点，从设备清单、功能特点、部署要求、建设成本、维护难度、抗灾能力等六个方面进行对比，对比分析情况如表1所示。

由表1可以清楚地看出，串口视频终端集成模式与现有测站集成模式相比具有功能强大、部署要求低、建设成本较低（串口视频终端集成模式比数据直传中心站仅多一个串口视频终端和显示屏，增加成本在1万元以内；而分中心落地模式需购置服务器及采集、展示软件，成本在5万元以上）、维护难度低、抗灾能力强等显著优点，适合在未建立完善水情系统的抽水蓄能电站、中小水电站、水文测站等应用场合建设。

表1 三种集成模式比较Tab.1 Comparison of the three integration models

4 应用实例

贵州某流域建有两库7级梯级水电站，担负着流域防洪度汛、电网调峰调频、城市供水以及旅游景观等重要任务。该流域建有水情测报系统，中心站部署于集控中心，各梯级电站坝址有发电厂房及运行值班室，坝上下均建有水位雨量测站。原水情测报系统中，各水位雨量站采集到数据后，均直接发送至集控中心，各电站运行值班室无法自动获取水情信息，汛期只能采用人工观测水尺或电话集控中心方式获取实时水雨情，给生产调度带来极大不便。

为解决此问题，采用新型串口视频终端集成模式改造水情系统。在各梯级生产值班室安装串口视频终端和显示器，单站建设成本仅8千元，从各自坝上下测站铺设四芯屏蔽电缆至值班室接入串口视频转换终端，通过转换终端的存储、计算和处理，将实时水位雨量信息展示在显示屏上，并进行水位过程线、日累计雨量、压差、毛水头等信息的展示，水情信息一目了然，极大地方便了梯级电站日常生产调度工作的开展。其展示画面如图5所示。

图5 应用实例展示Fig.5 Application example

图5中，图（a）为无压差电站的展示画面，图（b）为有压差电站的展示画面。展示画面中顶部为当前时间，左侧为最新实测数据，右侧为近24小时的库水位和尾水位过程线。压差根据库水位和拦污栅后水位（未展示）相减得到，毛水头根据库水位和尾水位相减得到。

本次改造的坝上下测站数据视频展示方式自2016年4月建设完成后，稳定运行，7个梯级电站均未出现故障情况。2017年6月23～25日，该流域爆发全流域性暴雨洪水，因水毁、移动通信网络受阻、部分遥测站通信不畅，电站现场值班人员夜间无法人工观测水尺。得益于串口视频终端的应用，其现地水情展示未受恶劣天气影响，使得电站现场值班人员在值班室内仍可实时监控库水位，从容调度，安全抗洪度汛。