丹江口水库水情测报系统改造及应用

孙超作 ，王 伟 ，王志良

（1. 丹江口市气象局，湖北 丹江口 442700；2. 汉江水利水电（集团）有限责任公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

丹江口水利枢纽位于汉江与其支流丹江汇合口下游 800 m 处，总库容 319.5 亿 m3，防洪库容110.2～80.5 亿 m3。丹江口流域地势西北高，东南低。水系成叶脉状，自上而下主要支流有任河、洵河、甲河、堵河、丹江、南河、唐白河等，丹江口以上为上游，干流河长为 952 km，集水面积为95 200 km2，占汉水流域面积的 60%。

丹江口水库既是汉江中下游防洪的控制性工程，又是南水北调中线、鄂北调水等工程的水源地，承担着防洪、供水、发电等重要功能[1-2]，水情测报系统是丹江口水库调度工作的重要技术支撑，为做好丹江口水库防汛等综合调度工作，自 20 世纪70 年代至今已经过 4 代水情测报系统建设。1982 年丹江口开始引进意大利的雨量、水位自动测报系统，并于 1983 年完成建设，覆盖了库周 9 000 km2的范围；80 年代后期与水利部南京水利水文自动化研究所合作建立了基于超短波的水情自动测报系统；丹江口现有遥测系统于 2013 年投入运行，主要包括 31 个水雨情自动测报站和 1 个中心站，测站站点控制监测丹江口库区周边近 1 万 km2区域，覆盖鄂、豫、陕三省的三市七县区域主要水雨情信息。同时为满足国家实施最严格水资源管理制度对取水用户的计量要求，2010 年起，逐步在丹江口库区建设了库区取用水计量监测系统，改造前已建成 8 个流量站和 1 个中心站，能够实时掌握各取用水户在丹江口水库用水的实时信息。此外为实时掌握丹江口水库库区部分区域的基本气象信息，于 2016 年建设了自动气象监测站，为丹江口水库运行管理相关单位提供实时气象信息，改造前已建成 2 个野外站和 1 个中心站。

水情测报系统是一个集通信、计算机、水文和遥测等技术于一体，能实现快速、准确采集测站信息[3]，是水库自动化的基础，随着通信发展和资费降低及国产卫星技术的逐步成熟，大量遥测系统逐步采用短信、GPRS 及北斗卫星进行通信，主流的技术是短信或 GPRS 作为主信道，卫星作为备用信道，实现主备信道自动切换功能，在采集设备的精度上也进一步提高，采集的内容和协议进一步多样化[4-8]。

原丹江口水库水情测报系统虽然能实现自动采集雨水情、取水及气象信息，为水库调度生产提供了技术支撑和保障，然而也存在部分站点通讯手段单一，观测仪器老化、故障率高，中心站不稳定等问题，特别是水雨情、水资源及气象 3 套相对独立的采集系统，数据分散，不利于综合应用，运维难度大，因此有必要在现有系统状况的基础上进行改造，建立统一的水雨情、气象、水资源采集平台，为新水调系统提供可靠、稳定的基础数据。

1 系统改造设计

1.1 改造目标及范围

根据丹江口水库调度系统的建设任务需求，结合当前丹江口水情测报系统存在的问题及未来发展的需要，确定系统升级改造目标。新系统为丹江口水库调度系统之数据采集子系统，总体技术改造要求遵循水情测报通用技术要求，建成 2 个中心站（1 主 1 备），31 个水雨情野外站，15 个水资源野外站和 4 个气象野外站，以中国移动 GPRS 和北斗卫星为主要通信方式，实现水位、雨量、流量和气象信息统一平台自动采集、监控和管理，系统应保证运行稳定，满足水库洪水预报及日常水文计算工作需要，为水库防洪、供水、水资源管理等提供实时，准确的数据保证。

丹江口水库水情自动测报系统升级改造的主要内容包括：建立统一的数据采集中心站，在丹江口建立数据采集主站，在武汉建立数据采集备站，2 站互为热备，升级中心站系统、采集软件及建立专用数据采集通信链路，将原移动 VPN 专网改为移动互联网专用线路，原移动数据卡全部更新为移动 4G物联网卡，更改所有野外测报站为一站双发设置，部分雨量站新增北斗卫星通信通道。丹江口中心站新增北斗指挥机，提高北斗用户机的管理和数据畅通率，原丹江口北斗卫星主站迁移至武汉中心站。新增 7 个水资源流量站和 2 个气象站。

1.2 遥测站配置及功能

水情遥测站由遥测终端机、通讯传输模块、天线、蓄电池、太阳能电池板、水位计及雨量计等组成，如图1 所示。丹江口水库水情测报站共有 13 个水位（其中 5 个配置雨量）站和 18 个雨量站。遥测站均支持 GPRS 和北斗卫星（水位雨量站均配置，雨量站部分配置）双信道并行的工作模式，可远程设置运行参数，也可接收中心站校时指令、自动实现时钟同步。工作机制支持自报式、答应式、混合式 3 种工作制式，目前设置为按定时（1 h 平安报）或超阈值（水位变化 2 cm、雨量变化 0.5 mm）动态向丹江口和武汉中心站同时发送数据，对发送的报文要求到达回执。发送数据采用 GPRS 传输为主，北斗卫星为辅。

图1 水雨情遥测站采集示意图

气象站由气象传感器（风速、风向、空气温度、空气湿度、气压、雨量等 6 个传感器）、气象数据采集仪、通讯传输模块、避雷器、蓄电池、太阳能电池板和电源控制器等组成，如图2 所示。能够对风速、风向、空气湿度、空气温度、雨量大气压力等 6 个气象要素进行全天候现场监测。可远程设置气象数据自动保存间隔时间、运行参数，也可接收中心站校时指令，自动实现时钟同步。发送数据采用 GPRS 传输。

图2 气象遥测站采集示意图

水资源流量站由超声波传感器、计量终端设备、通讯传输模块、蓄电池、太阳能电池板和电源控制器等组成，如图3 所示。计量终端设备选用超声波流量计，通讯传输模块选用 4G 通讯模块，发送数据采用 GPRS 传输，数据传输协议为标准Modbus-RTU 协议。可在线监测管道取水瞬时流量、累计流量、正累计、负累计、净累计，以及设备通讯和传感器实时状况。可远程设置运行参数，也可接收中心站校时指令，自动实现时钟同步。

图3 水资源遥测站采集示意图

1.3 中心站软件功能设计

中心站由通信服务器、网络交换设备、北斗指挥机（北斗卫星主站）、移动数据专用链路、采集软件等组成，如图4 所示，遥测数据采集平台是集成了多种通信信道和多种 RTU 协议的通用水情遥测数据采集、查询分析与数据处理的平台，RTU 采集平台具有 Access 后台数据库，可独立运行，RTU 采集平台采用单进程多线程结构（多个线程间可以实现故障隔离）。控制不同的串行端口（通过计算机网络），支持多种通信方式传输的数据接收，软件主要功能及特点如下：1）可装配的模块结构；2）运行参数在线配置；3）支持主备信道切换；4）支持数据召测和远程参数修改。

图4 系统中心站数据采集图

遥测站还有一部分功能为遥测信息监视功能，包括气象、水雨情、水资源及遥测站畅通率信息统计，如图5，6 所示，超过 2 h 未来报会颜色提示报警，在相应对象上查询可弹出运行过程线。

图5 系统中心站遥测信息监视图

图6 系统中心站遥测信息单站查询图

2 应用效果

2.1 典型故障分析及处理

自 2018 年 6 月基本完成遥测系统各项改造并投入试运行，统计时间截止至 2019 年 5 月，遥测系统经历 1 个完整的自然年及汛期，期间出现多起故障，完成的各项试运行故障现象、原因分析及处理解决方式如下：

1）采集服务器网络故障。2018 年 8 月发现遥测采集服务器重启后采集软件能正常接收到水情采集平台数据，但通过历史数据查询不能查到水雨情、气象及水资源遥测数据入库，遥测采集服务器运行正常，初步判断遥测站工作正常，但采集后数据入库故障。由于遥测系统通过 GRPS 作为主信道接入，采集服务器处于 DMZ 区，通过采集服务器 Telnet 数据库服务器端口不通，由此判断采集服务器为网络故障，线路和网络设备排查确认正常后查看本机路由表发现到数据库服务器的路由信息丢失，分析原因为调试期间添加的路由为临时路由，服务器重启后会丢失，添加永久路由后功能正常。

2）软件兼容性故障。2018 年 10 月发现新接入的水资源站无法读取和解析流量数据，经查看后台发现采集平台软件有异常抛出。因为遥测采集平台采用多信道多协议的方式进行接入，水雨情、气象及水资源分别采用不同厂家的设备，各厂家的协议均不一样，同一厂家不同批次的产品之间也略有差异，通过跟踪报文解析过程，很快排查出是采集软件的兼容性问题，通过修改采集软件后信息采集恢复正常。

3）遥测站极低温度下失稳故障。2019 年 1 月，通过中心站发现潘口电站附近遥测站陆续出现遥测站信息中断，最后出现大面积测站失效，经过通信信道排查，排除欠费及信道阻塞等其它故障，工程师奔赴现地挑选了几个典型遥测站进行原因分析及排查，最终发现原因为当地短暂极低气温造成遥测站进入自我保护状态，经过恢复启动及添加保暖措施后，遥测系统恢复正常。

2.2 遥测站畅通率统计

畅通率以 d 为基本单位进行计算，然后按月统计畅通率，由于水情、气象遥测站及水资源站来数规律和特点差异比较大，所以日畅通率的统计计算方法各不相同，水情遥测站水位数据按照每小时在允许时间误差范围的实际是否有数据到达进行统计，畅通的时段数除 24 h 则为测报站日畅通率，雨量站则以 d 为单位进行统计，每天至少 1 条自报数据为畅通；气象站数据统计方法与雨量站相同；水资源站由于来数频率较高，按照每小时至少 1 条记录为畅通，每小时至少 1 条记录为本小时畅通，各小时的畅通数除 24 h 为本站日畅通率，各类测报站由日统计为月进行分类统计分析，试运行期间各类畅通率统计情况如表1 所示。

表1 丹江口试运行期间畅通率统计%

整个遥测系统总体平均畅通率为 96.8%，典型故障期间畅通率有所下降，且在运行期内畅通率整体呈上升趋势，满足水情测报系统相应规范及丹江口水库调度生产运行要求[9]。

3 结语

针对丹江口水情测报系统的特点及业务应用需求，进行了水情测报系统改造设计及应用，本次改造充分利用了原水情测报系统所有野外站设备，最大化利用了原有中心站设备，整合了原水雨情、气象和水资源系统 3 个中心站，开发了 1 套多信道多协议通用数据采集平台，丰富了数据处理和查询功能，进入试运行以来，遥测系统运行稳定，可扩充性强、系统监视及运维便利，为丹江口水库调度工作提供了强有力的支撑，多信道多协议的系统架构大幅度提高了系统的集成性、稳定性和安全性，对类似工程的建设有较强的借鉴意义。

不足之处为主备中心站由于两地受当前网络结构限制还不能实现完全热备，武汉采集平台没有北斗指挥机，无法接入全部北斗遥测站，站网布设离规范要求有一定差距，需进一步的优化，同时充分利用硬件设备的使用状态、网络情况及数据质量情况，实现智能预警，提高系统运维的及时性。