陕西镇安抽水蓄能电站水情自动测报系统设计与应用

2021-11-29蒲博文秦鸿哲

西北水电 2021年5期

蒲博文，秦鸿哲

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.陕西镇安抽水蓄能有限公司,西安 710000)

1 工程概况

镇安抽水蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县月河镇东阳村，距镇安县城公路里程74 km，距西安市公路里程134 km。电站装机容量1 400 MW(4×350 MW)，设计年发电量23.41亿kWh，年抽水耗电量31.21亿kWh。电站建成后主要服务于陕西电网，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。

下水库坝区位于月河干流上，下水库大坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程949.00 m，最大坝高95 m。校核洪水位(P=0.05%，Q=2 130 m3/s)为947.50 m，设计洪水位(P=0.5%，Q=1 300 m3/s)为945.00 m，正常蓄水位945.00 m，死水位910.00 m，正常蓄水位以下库容1 220万m3，调节库容956万m3，下水库坝址以上流域面积181 km2。

2 系统建设的必要性

镇安抽水蓄能电站所在月河流域属山区河流，平均比降30.3‰，处于陕南暴雨中心地带，产生洪水的主要原因是暴雨或连阴雨。当所在地区发生暴雨时，暴雨量大，加之坡陡，暴雨大部分形成径流，迅速集中到河槽形成洪水，洪水暴涨暴落，峰型为多峰锯齿状，呈陡涨陡落态势，一般涨、落时间是几小时或十几小时。由于预见期短，降雨所产生的洪水严重危及电站施工期的临河、跨河施工作业。如果在一定有效时间内预见上游来水情况，就可以为工程安全度汛提供较为可靠的决策依据。因此，建设水情自动测报系统是很有必要的[1]。

3 系统总体设计方案

3.1 系统组成

镇安抽水蓄能电站水情自动测报系统一期工程由1个中心站、4个遥测雨量站、4个遥测水位站、1个专用水文站、2个专用气象站及配套的服务器机组、通信、数据库、水务计算、水文预报等子系统组成。系统主要负责采集工程区及月河上游的雨量、水位、流量及气象要素数据，根据采集到的数据实现洪水监测、洪水预报、洪水预警等功能。系统站网布置及站点信息见图1、表1。

图1 镇安抽水蓄能电站水情自动测报系统站网布置图

表1 镇安抽水蓄能电站水情自动测报系统遥测站信息汇总表

3.2 遥测站布设原则

根据系统的功能要求、流域概况以及暴雨洪水特性，遥测站点的布设应遵循以下原则[2]：

(1) 满足预报方案的要求，有利于编制不同预见期预报方案；

(2) 能反映测报系统覆盖范围内雨情和水情的变化；

(3) 雨量站的布设需要考虑降雨的时空分布；

(4) 考虑通信信道设计、交通情况和建设、运行、维护看管的要求；

(5) 考虑与将来工程建设的相互影响，避免频繁搬迁，争取永临结合；

(6) 应符合GB 50179-2015 《河流流量测验规范》、SL 61-2015《水文自动测报系统技术规范》、NB/T 35003—2013《水电工程水情自动测报系统技术规范》、GB/T 22482-2008《水文情报预报规范》等有关规范的规定。

3.3 遥测站工作原理

本系统中水位站采用雷达式水位计，雨量站采用精度0.5 mm的翻斗式雨量计，水文站测流系统采用雷达波测流和缆道铅鱼测流组合的形式。各遥测站配置数据采集终端(RTU)、通信终端(GSM/GPRS/北斗)、供电系统(40W光板+65AH铅酸蓄电池)及防雷接地系统，实现水文气象要素自动采集、固态存储、自动转换通信信道、自动发送到中心站。遥测站工作方式如下：

(1) 自动采集：平时RTU处于值守状态，当水位、雨量值发生变化时或达到设定的时间间隔时，RTU自动采集并存储水位、雨量、流量等数据。系统设计定时采集时间间隔为5 min。

(2) 定时自报：当水位、雨量数据无变化或者有变化但未达到超值加报标准时，按预先设置的定时时间间隔，由RTU唤醒通信终端向中心站发送当前水位、雨量、流量数据，同时包括测站站号、时间、电池电压等参数。系统设计定时自报时间间隔为1 h。

(3) 超值加报：在规定的时间间隔内水位变幅以及降雨量超过设定值时，自动加报。系统设计超值加报标准为水位5 min内变幅达到5 cm，雨量5 min内超过2 mm。时间间隔和设定值在运行过程中可根据情况调整。

3.4 通信与数据传输

由于镇安电站所处位置为陕南山区，GSM/GPRS基础通信条件较差，信号覆盖面小，受地形、天气影响较大，所以在设计之初充分考虑了各种不利因素，对系统内遥测站点的通信都实行双信道模式，一路为主信道，另一路为备信道，当主信道数据传输失败时RTU自动切换到备用信道进行传输，尽可能地保证数据传输的完整和畅通。

在主备信道的设定方面考虑到遥测站是蓄电池供电，需要尽可能的保证设备在连续阴雨天气下能长时间工作。因此，将价格低、功耗低、维护成本低、数据传输稳定的GSM/GPRS通信终端设为主信道；将价格高、功率大、维护成本高的北斗通信终端设为备用信道。在GSM/GPRS模式下，由于通信设备耗电少，可一直处于开机守候状态，可据需要，由中心站远程招测获得即时水情，并可由中心站发出命令，更改遥测站参数设置。

3.5 中心站工作原理

中心站是水情自动测报系统的大脑，负责信息接收处理、数据库管理、发布实时水情信息和水情预警等工作。中心站主要由服务器机组、通信接收处理系统、水务计算系统、数据库、实时水情监控系统、水文预报系统、水调平台、信息发布系统等部分组成[3]。

中心站各子系工作原理如下，各子系统工作关系见图2：

图2 镇安抽水蓄能电站水情自动测报系统各子系统工作关系图

(1) 通信接收处理系统：接收遥测站发回的报文，对报文进行解码后将相应的数据存贮在基础库中。

(2) 数据库系统：负责存贮数据，分为基础库和专用库，是整个系统的核心。

(2) 实时水情监控系统：调用数据基础库数据，监控实时水情信息，通过设定预警雨量、水位、流量，实现自动声音报警，雨水情监控系统界面见图3。

图3 雨水情监控系统界面图

(3) 水务计算系统：将接收到的数据进行检查、分类、格式化处理，进行合理性判别，并将处理后的数据自动存贮在专用数据库中。

(4) 水文预报系统：调用专用数据库中的数据，接收气象部门发布的降雨预报信息，根据预报方案按照预估雨量、滚动预报等方式进行洪水预报，水文预报系统界面见图4。

图4 水文预报系统界面图

(5) 水调平台：调用专用数据库中的数据，实现查询遥测站数据，生成水位、雨量、流量的统计图表，生成水库运行情况汇总表等功能，还要能够对数据资料进行整编并生成报表，如逐日平均水位、逐日降水量等。

(6) 信息发布系统：包括水情网站和短信平台站，作为对外信息发布通道，具有查询水情信息、预报成果、发布预警等功能。在以上2个渠道的基础上还需与电站的管理系体系相打通，如通过防汛微信群、电站内部专线电话、对讲系统进行水情信息发布。

3.6 水文预报方案的确定

3.6.1降雨径流预报方案

本系统降雨径流预报主要采用三水源新安江模型。新安江模型是分散性模型，它把全流域分成多个单元，每一个单元内降水经过蒸散发的消耗后，以蓄满产流的方式经产流量水源划分后对各单元流域进行产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程；再进行出口以下的河道洪水演算，把各单元流域的出流过程相加，得出流域的在某个断面的总出流过程。新安江模型在中国湿润和半湿润地区有着广泛的应用，具有概念清晰、使用方便和计算精度较高等优点[4-5]。

下库水文站紧临下库工程区，控制流域面积176 km2，下库大坝位于水文站下游约1.8 km处，区间来水量小，水文站的预报成果完全可以代表上游来水情况，将新安江模型和气象部门的降雨预报相结合，洪水预见期能达到24 h左右。

3.6.2水位河系预报方案

月河流域的支沟主要集中在月河坪水位站以上河段，月河坪水位站至水文站区间水量小且没有回水顶托，水文站来水主要来自月河坪站以上河段，综合以上情况，相应水位(流量)法适用于本工程。

(1)传播时间预报方案

水位与传播时间的关系对于一定的河段，τ是水位和水面比降的函数：

τ=f(H上，t,i)

(1)

常常采用下站同时水位H下，t作为参数，以反映水面比降的影响，即：

τ=f(H上，t,H下，t)

(2)

如果忽略比降的影响，则：

τ=f(H上，t)

(3)

对于洪峰、起涨(谷)等特征水位的传播时间，一般比较稳定，采用上述预报关系可以得到比较满意的结果。

综上所述，传播时间预报方案拟定为：

τ=f(H月河坪，t)

(4)

(2) 洪峰水位、总涨差预报方案

根据河段上、下站实测水位过程，摘录相应的洪峰水位值及其出现时间，制作相应洪峰水位相关曲线及其传播时间曲线。上站洪峰越高，则下站相应的洪峰水位越高，其传播时间则越短。但有时遇到同一上站洪峰水位，只是由于来水峰型不同或者河槽“底水”不同，导致上、下站之间河段比降发生变化，影响到传播时间和下站水位预报，如果加入下站同时水位作为参数，可以提高预报精度，其关系式如下：

H下，t+r=f(H上，t,H下，t)

(5)

综上所述，洪峰水位、总涨差预报方案拟定为：

H水文站，t+r=f(H月河坪，t，H水文站，t)

(6)

月河坪水位站控制流域面积159 km2占水文站以上流域面积的90%，且月河较大支流均在月河坪水位站上游，故预报精度较高。

4 系统建设与应用

4.1 系统建设运行情况

镇安抽水蓄能电站水情自动测报系统一期工程于2018年5月完成旬阳坝、月河坪、腰竹沟雨量站和拦沙坝临时水位站的建设工作；2019年8月月河坪水位站、东阳村水位站、上库雨量站、下库水文站建成投运，2019年11月下库气象站建成投运，2020年5月上库气象站建成投运。在定期的巡检维护下已投运遥测站通信畅通率一直保持在98.5%以上。

系统运维和水情服务工作由水情中心专门负责，水情中心配备的防汛值班和运维人员均掌握岗位相关技术规定和要求，并且定期进行培训。防汛值班期间，值班人员严格遵守值班纪律，坚持24 h值班制度，采用短信、微信群、专线电话、对讲系统及时的将水情信息汇报给电站应急指挥中心及各参建单位。2021年3月底中心站搬迁至业主永久办公营地，搬迁后经过调试系统运行工况良好，各项指标均满足汛期水情服务要求。

4.2 预报方案完善与应用

由于月河无实测流量资料，系统建成之初降雨径流预报方案模型参数主要从《商洛地区水文手册》和邻近流域借用而来，在实际应用中存在预报精度低、误差大等问题。因此，在系统建成的前2 a主要通过水位河系预报方案进行洪水预警。经过2 a的实测资料累积，2020年开始，汛期预报工作采取2种方案相结合的方式，有效提升了预报准确性。但由于2019年8月测流系统建成后至2020年末未发生大于50 m3/s的洪峰，故而在大洪水状态下降雨径流预报方案的预报准确度并未能得到验证，还有待后续运行过程中收集资料进一步完善，下面仅就预报方案初步应用成果进行介绍。

4.2.1相应水位(流量)预报初步成果

通过对实测资料的分析总结，月河坪水位站到水文站水位起涨的传播时间约为1～2 h，洪峰传播时间约为0.5～0.8 h。水文站洪峰水位总涨差约为月河坪水位站总涨差的1/2。传播时间预报初步成果见表2，总涨差关系见图5。

表2 月河坪—水文站传播时间成果表

图5 月河坪—水文站总涨差关系线图

4.2.2新安江模型预报初步成果

洪水预报系统通过对“20191007”号、“20191014”号实测洪水分析后重新率定模型参数，率定后的新安江模型在2020年的洪水预报中发挥了重要的作用，预报的洪峰、洪量成果总体准确度达到90%以上，2020年部分洪水预报成果见表3，“20200617”号洪水过程线见图6。

4.3 系统应用效果

水情自动测报系统相较人工观测而言，大大降低了人力物力的支出，有效避免了人工观测可能产生的误差，水情自动测报系统监测数据的连续性、时效性强，能准确监测并记录完整的降雨、洪水过程，这是人工观测很难做到的。

表3 2020年部分洪水预报成果表

图6 “20200617”号洪水过程线图

镇安电站水情自动测报系统自建成以来，累计发布水情预警、预报、通报90余次，汛期雨水情月报20余次，报汛准时率达100%，报汛内容准确性满足合同要求。报汛期间多次根据监测的水情信息对下库工程区的漫水桥桥面是否过水做出分析预测并提出启动防汛应急响应的建议，为工程防洪度汛提供了科学的依据和保障，为采取防汛应急措施争取了时间，有效保护了人身及财产安全，减轻了洪水可能对工程建设造成的损失。