基于NB-IoT技术的水电站水文环境监测系统研究与应用*
2020-05-18
(四川水利职业技术学院 四川水利创新发展研究院，四川 崇州，611231)
1 引言
水电站的运行与其所处的水文环境密切相关，随着信息技术的不断发展，智能水文监控系统越来越多的被认为是未来智能水电站发展的重要领域和重要方向。
我国水文环境监测系统的发展分为三个阶段，第一个阶段为20世纪70年代中期至 90 年代初期，水文环境检测的工作方式基本采用查询应答式，数据传输方式采用二进制振幅键控(2ASK)、音频滤波等调制手段，通信技术落后，传输速率低，测报数据少，只能够进行水位雨量的测报，主要运用在小流域上；第二个阶段为20世纪90年代初期至2000年前后，采用自报式与查询应答式共同使用的方式，利用超短波通信、有线网络、卫星等数据传输方式，实现跨流域、区域联网，缺点是采集的数据资料只能够供本地域使用；第三个阶段为2000年至今， 采用主动自报和被动查询应答的混合工作方式，数据传输采用短波、微波、互联网、卫星等，实现了真正的跨地域联网，水文数据实时共享和交换。
我国水文监测系统目前采用的最常使用的数据传输方式有：GPRS、CDMA、4G以及通信卫星。窄带物联网(NB-IoT)具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。一般而言，水电站的水文环境覆盖面积较大，而且随着物联网的应用越来越广泛，传感器数量也越来越多，所以基于NB-IoT技术的水文环境监测系统具有较大优势。利用NB-IoT技术可以实现对水电站环境相关的各类气象数据以及水量、水位、水闸运行情况等各个方面实时监控，全面掌握水电站的各类水文数据。
针对目前很多水电站关切的水文信息和环境信息监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较为恶劣的地区，因此，通过电话线或者网线等传送数据往往事倍功半。通过NB-IoT无线网络进行数据传输，能够解决信息监测范围广而分散的问题，而且布置简单，实时高效。本文设计开发基于窄带物联网(NB-IoT)技术的水文环境监控系统。
2 系统架构及组成
2.1 系统架构
系统架构上，按照功能和使用目的进行功能分层，包括感知层、传输层、平台层和应用层。感知层的主要作用是利用相关传感设备，感知和采集水电站水文环境数据；传输层的主要作用是通过NB-IoT协议与感知层设备进行通信，收集和传输来自感知层的数据，基站和传输层之间采用星型网络拓扑，最终传输数据给平台层；平台层作为中心层进行数据和相关命令参数的传递和存储；应用层的主要作用是提供相应的管理程序，供水电站管理人员使用。系统架构如图1所示。
图1 水文环境监控系统架构
针对水电站的特殊环境，需要对NB-IoT传输层的部分硬件设备和软件进行定制开发，传感器与平台层的通讯需要考虑稳定性、低功耗、防水性等因素，系统吸收了国内其他系统的先进经验和思路，选择合理的主控芯片、传输元件进行设计开发，结合相应的算法计算，最终实现了多类型传感器实时可靠的监控和数据采集、实时数据传输，能够实现对水电站环境相关的各类气象、水文数据等进行实时监测和查看，且能配合相关闸门控制程序有效解决生态流量等问题。
2.2 水文感知层
水文感知层主要作用于渠道量水，“渠道量水”是渠系电站有效利用水量、提高发电效率的有力措施，是实行计划用水和准确引水、输水的重要手段，利用测流堰、水位计采集渠道水位，经数据采集终端(RTU)处理、转化为渠道流量Q。利用雨量筒采集降雨量，并同步汇集到数据采集终端(RTU)，RTU通过NB-IoT传输数据给平台层。
采用的渠道量水传感器包括：超声波水位计、雷达水位计、投入式水位计、工业照相机、河道监控终端等，每个终端都配备了一个NB-IoT芯片，这些芯片都有一个唯一的标识deviceId。
通过传感器采集的渠道数据根据安装断面的水位流量关系曲线掌握入库流量。水位流量关系曲线按明渠稳定流中的曼宁公式计算，即：
式中：Q——流量，m3/s；
A——过水断面面积，m2/s；
R——水力半径，m；
n——河床糙率，取n=0.035；
j——水面比降，控制断面河道比降j=10‰。
根据传感器监测前池出口处水位及下游尾水闸水位，可计算水电站的发电水头，即h=h前池出口-h尾水闸-Δh。
也就是得到传感器实时传输的数字之后，根据相应的算法，最终能够得到对应的水电站环境指标。
2.3 环境感知层
环境感知层对水电站的风向、风速、雨量、气温、相对湿度、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等多个气象要素进行全天候现场监测。环境感知层数据最终收集到气象数据采集器，经气象数据采集终端(RTU)采集处理，通过NB-IoT传输数据给平台层。
图2 环境感知层数据采集和传输流程
2.4 NB-IoT传输层
传感器上通过NB-IoT模块 HCore BC95-B5 与电信IoT平台通信注册，设置NB-IoT卡所在频段为850MHz，开启射频：AT+CFUN=1，配置CDP服务器地址：AT+NCDP=180.101.147.115,5683传感器芯片通过平台进行设备注册，平台会为每个设备分配一个唯一的标识deviceId，后续应用操作这个设备时都通过deviceId来指定设备。
消息示例：
图3 NB-IoT传输层通信模块设置
Method：POST
request：(非JSON格式)
https://server:port/iocm/app/sec/v1.1.0/login
Content-Type:application/x-www-form-urlencoded
Body:
appId=*****&secret=*****
response：
Status Code: 200 OK
Content-Type: application/json
Body:
{
"accessToken": "*******",
"tokenType": "*******",
"expiresIn": "*******",
"refreshToken": "*******",
"scope": "*******"
}
3 水文环境监控系统运行测试
以四川水利职业技术学院双合教学科研电厂(以下简称：双合电厂)试验场地的水文环境监控系统为例，在水电站库区渠道中部位置安装水位监测传感器，通过NB-IoT网络实时掌握库区水位，通过观测渠道中部水位，监测得渠道流量值即为发电可用流量，并用渠道中部断面水位流量关系曲线进行流量校核。通过实时监测渠道流量数据，可通过控制发电机组开机台数及导叶开度，来实现水电站安全经济运行。
图4-1 引水渠道中部大断面示意
图4-2 引水渠道中部水位流量关系曲线
在双合电厂库区安装水位传感器，通过NB-IoT网络实时采集传感器数据，实时掌握库区水位。
图5-1 库区大断面示意
图5-2 库区水位流量关系曲线
在尾水渠安装水位流量传感器，通过NB-IoT网络实时采集传感器数据给应用层，断面流量即为发电实际引用流量。并用该断面水位流量关系曲线进行流量校核，本文中水电站尾水渠断面水位流量关系曲线见图6-1、图6-2。
图6-1 尾水渠100m大断面示意
图6-2 尾水渠100m水位流量关系曲线
最终实现的基于窄带物联网(NB-IoT)的水文环境监控系统采集传输过程是：
(1)实现传感器定时发送数据功能。遥测控制终端定时采集相关水文环境数据，包括：水位、流量、风向、风速、雨量、气温、相对湿度、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等，实现通过NB-IoT 将数据传输给平台层。
(2)实现平台层主动采集功能。应用层管理程序通过平台层向传感器发送指令，通过NB-IoT网络发送给传感器，传感器接收命令后，再将相应数据传输给平台层。
(3)实现平台层的主动上报功能。本水电站下泄流量在线监测装置可通过NB-IoT通信模块传送到上级水务局的水资源管理系统上，可实现实时查询。
4 总结
本文介绍了一种基于窄带物联网(NB-IoT)技术的水电站水文环境监控系统设计方案。该系统能够实现对水电站水文环境进行在线实时监测和主动监测功能，并能够自动完成报送数据工作，有效地解决了水电站水文环境监测精度不准、工作量大等问题，通过实时监测流量数据，可通过控制发电机组开机台数及导叶开度，来实现水电站安全经济运行。
