天湖电站水情自动测报系统建设

2022-06-28满运明蒋传明刘黎昕

水电站机电技术 2022年6期

满运明，贺强，蒋传明，刘黎昕

（1.广西桂水电力股份有限公司天湖发电分公司，广西桂林 541500；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

1 概述

天湖水电站位于广西壮族自治区全州县才湾镇境内，水源区地处1 400 m 以上海拔高程，电站水头高达1 074 m，为我国第一座水头超过千米的水电站,多年平均降雨量约2 200 mm，地处桂林市主要暴雨形成区域，每逢汛期极易发生局部山地洪水，严重影响电站及周边村镇人员生命、财务安全。

经调查，天湖水电站运行至今，虽然也积累了一些水文气象信息数据及洪水预案，还都处于纸制或计算机文本、文字版本，未进行系统化、规范化、标准化和信息化处理，也未形成流域水文数据实时观测和自动化软件支持，现阶段无法满足天湖水电站洪水预报、运行期安全、电站发电调度等需求，建设水情自动测报系统有着重要意义。

如何利用现代电子信息技术及时、准确收集流域水雨晴信息是防汛调度的关键，水情自动测报系统是实时、可靠、快速了解流域内监测点水雨情、流量、气象等水文信息重要手段，可为水库的安全运行提供科学管理的基础资料及决策依据，有利于掌握洪水规律、科学调度指挥，将自然灾害所产生暴雨、洪水造成的损失降到最低，同时有利于增加发电效益。

2 系统总体设计方案

2.1 系统建设总体目标

建设一套水情水调自动化系统，该系统具备对所属区域内雨水情自动监测、数据存储、查询、分析、洪水预报及水库调度等功能，同时考虑技术先进性、性能可靠性、数据信息传递实时性及投资经济性。

2.2 系统总体设计方案

天湖电站水情自动测报系统由两部分构成：即遥测站、中心站。系统通信方式为GSM/GPRS。现阶段市场主流组网方案主要有超短波、GPRS/GSM移动通信、卫星等3 种，GPRS/GSM 移动通信信道组网相比其它方式的优点包括：①利用公共通信网络，省去大量的建设和维护工作；②因为使用公网，信道、频道数量众多，使用不受限制；不受距离、地形的影响；③通信质量较好，具有极高的抗干扰、保密性；④数据传输实时性强，数据传输延时微小；⑤建设等级高，通信线路抗雷电、大风等自然灾害袭击能力强，同时不易受到人为或动物破坏；⑥设备耗电小，费用低廉。遥测站数据采集发送工作体制采用混合式，以定时向报为主，具备阀值自报、定时自报的功能，并能响应中心站的召测和查询。中心站具有数据管理、智能报警、数据查询、统计分析和预报调度等应用软件功能。

2. 3 总体建设要求：

系统设计符合国家、行业现行的相关标准；系统具有可靠、实用、先进、兼容性；

系统适应通信环境的要求，具有较高的抗电磁干扰能力；

系统有集水文自动测报、水情分析等功能为一体的接口，可形成一整套适应地区区域水情信息采集的管理系统。

3 遥测站网布设方案

3.1 站网布设原则

天湖电站水情自动测报系统遥测站网布设应服从满足水电站所属流域总体防汛规划和系统建设的目标及发电生产需要，符合设计原则和建设要求，并满足洪水预报精度的要求，拟建设各遥测站，均地处桂北高寒地区，为桂林市主要暴雨形成区域且山栾叠嶂起伏，支流短小，造成洪水传播时间短，瞬间水量大等特点。

本系统设计应遵循以下原则：

（1）将系统整体可靠性和实时性作为第一原则。

（2）所有遥测站布设在野外，各设备运行都需适合野外恶劣环境，要求设备低功耗、防雷电、抗电磁干扰；还必须具备防高低温、高湿度、防水等功能，达到自动监测运行、无需人工参与。

（3）本系统最大程度优化遥测系统规模和节省投资。

3.2 布设方案

本系统的遥测站布设要求能较好地监控区域内各重点水库的水雨情变化。根据本系统建设的目标任务，确定中心站l 个，位于天湖电站水源管理工区;水位雨量站遥测站4 个，鸡公凸四级站、真宝顶水库放水口、海洋坪放水口、天湖电站尾水渠，水位站 6 个，分别位于天湖水库、茶坪水库进水口、放牛坪放水口、鸡公凸三级、尾水一级前池、尾水二级前池，天湖前池流量站1 个，位于天湖发电站前池，共布设各类站点11 个，站点布置见图1。

图1 天湖电站水情自动测报系统站点布置图

4 遥测站设计

4.1 结构及主要功能

主要由传感器、数据采集器、通信终端和供电系统等四部分组成，见图2。

图2 遥测站系统结构图

遥测站具备功耗低，适应多种工作环境，各类型传感器接入，方便的安装调试方式，操作灵活。遥测站整体采用不绣钢柜式结构。

4.2 系统工作流程

系统中所属各处遥测站，所监视各种水文要素发生变化，RTU 立刻进行数据采集操作、水文要素数据经由遥测站通信设备上送至中心站通信接收设备，并且传递至接收计算机中，实时完成资料预处理后存入数据库。

图3 遥测站系统工作流程图

4.3 设备选型

根据招标文件和图纸的要求，参照国内类似工程的应用实例，①可靠性和低功耗：本系统所属各遥测站点均建设在桂北山区，自然条件复杂、汛期高温高湿、冬季寒冷的无人值守的野外环境，现场无市电电源或线供电源，因此遥测站的低功耗设计尤其重要。遥测设备的低功耗不但可以减少遥测站整体耗电量，降低电源系统配置，延长工作时间，提高系统的稳定性和可靠性。②简便性和通用性：设备具有操作简便、功能齐全，能够采集多种水文信息通用性。本系统遥测站RTU 全部选用国产HR9000-MB09 型数据采集器，雨量传感器全部选用国产JDZ05-1 型翻斗式雨量计。

4.4 供电方案

建立单独的供电系统，遥测站采用12 V 蓄电池供电，辅以太阳能充电，经过综合计算后，选用功率为20 W 的太阳能板一套，1 块输出电压为12 V，功率为38 Ah 免维护蓄电池，内置充电控制器。

4.5 遥测站土建方案

如今在市场水位计类型众多，原理各不相同，国产投入压力式水位计凭借无需测井，安装便利、利用更换、价格低廉、维修方便等优点，近年来，大量应用在国内水利水电工程中，本系统投入压力式水位遥测站土建的主要工作相对简单，内容由两大部分构成：水位传感器入水端设施、电缆护管等。

压力式水位站点选址应关注以下3 点：

（1）岸坡的稳定性。应避开容易发生滑坡坷塌等地质灾害的地段。

（2）坡度的均匀性。应在最大水位和最小水位变化范围之内，选择坡度较直且比较均匀地段。

（3）水流的平缓性。应避开水流强冲击和泥沙易集中淤积的断面。

5 中心站设计及应用软件功能

5.1 软件系统建设要求和任务

软件系统建设的要求是：由于工程涉及水库较多，关系极及复杂。建立一套实现对区域内雨水情自动测报、快速汇集、洪水预报及水库调度之功能，将数据采集、数据统计管理、雨水情信息查询、预报软件、调度软件等所有功能集成为一个软件系统。软件功能如图4。

图4 软件功能图

5.2 系统架构及网络结构

系统总体由三个主要部分组成，从底层到上层分别为数据库、后台服务端、前台应用端。后台服务由多个独立的服务程序组成，一方面从数据库提取数据，另一方面将数据整编处理后以接口方式提供给客户端调用。前台客户端是由多个功能模块组成一个交互程序，提供水调运维人员全部的操作及界面。

系统在中心站及分中心各部署一台服务器、一台工作站，安装同一套水情自动测报软件系统，两地具备独立的运行环境及接收数据、查询数据的功能。中心站与分中心站之间连通网络，两套系统互为备份，软件系统具有数据同步功能，一地缺失数据可以从另一地自动补录。

5.3 数据库设计

按数据类型及时段进行分类存储。分类如下：

（1）遥测站采集的原始数据

（2）实时数据

（3）小时数据

（4）日数据

（5）旬月年数据

（6）预报未来水位流量数据

（7）不同方案调度的调度过程数据

（8）考核成果数据

（9）系统管理数据，包括用户、权限、系统配置，计算参数等数据

5.4 应用软件功能开发

中心站应用软件主要功能是对所属各遥测站，所发送的各型实时数据进行进机、处理、存库、分析、展示。包含以下应用模块:

（1）遥测数据采集。实时接收各遥测站所发送的各类水文数据。

（2）数据整编。将遥测站所发送的初始数据转变成实时数据。

（3）数据查询。可使用表格、曲线图及地图等方式完成遥测数据查询操作。

（4）数据报表。数据报表是数据的二次加工，将不同类型、不同时段的数据按一定的格式或按一定的专题组合成报表。供用户查询及上报。

（5）洪水预报。主要功能有初始数据处理、制作洪水预报成果、调整参数、方案管理等。

（6）水库调度。把水文预报结果作为数据来源，自动制作和计算水库调度方案成果。

6 结语

系统于2021 年10 月完成至2022 年3 月，采用水情自动测报系统中常用的畅通率分析方法，对流域内各站定时、阈值数据进行统计分析，选取最近5个月定时报和阈值报应收数据与实收数据进行对比。结果如图5、图6：实时与应收数据曲线吻合，系统各站畅通率均达到97%以上，满足系统建设要求。系统运行稳定可靠、数据及时准确，达到了系统建设的预期目标，也证明其系统结构合理，方案和方法可行。该方案的应用，为国内水电厂类似水情水调系统建设提供了示范案例，具有积极的参考意义。