天生桥一级水电站水情测报系统遥测站改造

林广洪 舒 凯 李 伟

1.天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂 贵州兴义 562400；2.南京南瑞水利水电科技有限公司 江苏南京 210003

1 改造背景

天生桥一级水电站水情测报系统遥测站由1个气象站、3个水位站、6个水位雨量站、17个雨量站，共27个测站组成。旧水情遥测站采用国际移动卫星组织提供Inmarsat-C卫星、GSM通信方式进行混合组网，工作体制为自报式。

旧遥测站虽然基本满足当前业务的要求，但随着设备老化、新技术新产品的发展、原有型号备品备件停产等因素的影响，旧遥测站逐渐出现故障率高、可靠性低、畅通率低、维护难度大等问题，具体问题如下。

1.1 设备老化，故障率高

原遥测站因使用年限过长，故障率较高，同时，配套使用的ACS300数据采集器及DT968短信模块均已停产，新型配件无法直接适配原有遥测站系统。

1.2 功能较为落后，自动化、智能化程度低

新型遥测站具有远程维护、远程查询下载、自动补传等功能，极大地简化了维护工作，提高了工作效率。

1.3 设备笨重，维护难度大

旧遥测站采用2米法拉第筒，筒下部需建设约1m×1m×1m的水泥基座，数据采集器及电池放置在筒内，由于法拉第筒重量大、桶过深，因此维护难度偏大。

1.4 安全风险高

由于大量站点建在屋顶、河边，在法拉第筒基座开展维护时存在较高的高空坠落和溺水风险。

1.5 通道落后，通信成本高

旧遥测站采用GSM及海事卫星双信道的传输方式，目前2G移动基站已逐步老化退役，导致畅通率低；海事卫星为20世纪末主流通信方式，通信成本高。近年来，随着通信技术发展，现有4G通信/国产北斗通信等方式，可靠性更高、通信性能更稳定、功能更强大、通信费用更低。

为了解决遥测站存在的问题，其改造工作显得十分必要。

2 改造目标及内容

2.1 改造目标

本次系统改造的目标旨在通过对遥测站设备升级改造，提高水情自动测报系统运行稳定性、遥测站畅通率、可用度，降低维护工作量及运行成本，为水库调度工作提供稳定可靠的数据支撑，保障天生桥一级水电站整体安全、经济、高效运行。

2.2 改造内容

本次改造将对天生桥一级水电站水情测报系统的27个遥测站全部进行升级改造，站点建设改为一体化室外机箱方式，数据采集器升级为ACS500型，通信方式改为4G通信/国产北斗通信方式，其中2个雷达式水位站仅做GPRS备用通道增设改造，坝上2个水位雨量站不做机箱及土建部分改造。

改造后遥测站主要由传感器、数据采集器、通信模块、蓄电池、充电控制器、上电控制器、太阳能电池板组成，其中数据采集器为其核心组件，主要功能是将传感器采集的物理信号处理成数据信号，原有遥测站的供电部分(太阳能板、蓄电池)、传感器部分(雨量计、水位计等)不做改造，经调整适配后在新遥测站中继续使用。新遥测站主要功能如下，结构如图1所示。

图1 遥测系统结构图

(1)水位、雨量自动采集。能按水文资料整编规范要求采集水位、雨量数据，能自动采集到1.0cm的水位变化值和1mm的降雨量，采样间隔可编程，并具有数字滤波功能。

(2)自报功能。按预先设置的定时间隔，应能通过数据流量主信道及短信备用信道向中心站发送当前的水位、雨量及气象数据，还包括测站站号、时间、电池电压、报文类型等参数。在规定的时段内水位或降雨量变化量超过设定值(时段、变化量可编程)，能自动向中心站报送数据。

(3)应答与查询。应能响应中心站的查询，并按接收到的指令定时报送实时数据或批量数据。

(4)主备信道自动切换。当主信道发送失败时，可自动切换到备用信道发送，本次改造将主要使用短信及GPRS流量双信道的数据发送方式，在GPRS信号较差的测站，将采用短信及北斗卫星双信道的数据传输方式。

(5)现场固态存储。采集的水位、雨量应现场带时标按水文资料整编规范要求存储，存储间隔(雨量存储间隔为5min及5min的整倍数，最小间隔为5min；水位存贮间隔为5min及5min的整倍数，最小间隔为5min)可编程，可提供现场或远程查询、下载。

(6)其他功能。包括将流量数据和人工观测水位值通过人工置数的方式向中心站报送，显示遥测站现场能实时显示水位、雨量、电压等水情数据，现场或远地编程(参数设置)能在现场或远地对遥测终端设备进行各项参数设置或读取等编程操作，自维护功能具有定时工况报告、低电压报警、掉电保护以及自动复位等自维护功能。

(7)工作环境。新设备能在雷电、暴雨、停电的恶劣条件下正常工作。

(8)具备远程指令功能，可远程更新维护遥测通信参数、传输方式等，并且可远程升级现场RTU和DTU通信程序版本，确保遥测系统持续保持先进性。

3 遥测站改造施工技术

3.1 数据采集器改造

遥测终端(RTU)是当前广泛使用的数据采集传输设备，在各种自动测报系统中起着重要作用，是连接前端传感器和后端监测分析软件的数据通道作用，为整个系统构建数据基础。遥测站的全部功能几乎都体现在遥测终端的功能上，为此本系统应选用国内先进可靠、功能强大、易操作、易维护的遥测终端。

数据采集器需通过水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心的SL651-2014《水文监测数据通信规约》、SL180-2015《水文自动测报系统设备遥测终端机》、SZY206-2016《水资源监控数据传输规约》检测，并获得全国工业产品生产许可证。遥测终端具有强大的数学处理能力和强大的远程通信能力，遥测终端还具有操作简便的显著特点，自检功能完善，机械结构合理。采用模块化设计，软件功能模块和硬件功能模块均可以组合，适应各种应用场合。

3.2 通信终端改造

本次遥测站改造后通信方式将具备数据流量、短信及北斗卫星通信方式等多种通道信道，以GPRS为主信道，北斗卫星和短信为备用信道，具体通信机制如下：

(1)GPRS用Modem模式先发送。若收到中心站回复的ACK回执，则说明GPRS信道发送成功；若在规定时间内未收到中心站ACK回执，则说明GPRS信道发送不成功。

(2)启用GSM信道发送。若收到基站回复的回执，则说明GSM信道发送成功；若在规定时间内未收到回执，则说明GSM信道也发送不成功。

(3)这时再启用BD信道发送，BD无回执，发送完就默认成功，结束本次通信。

(4)如果BD仍然未发送成功(测站不知情)，那中心站就会缺数，但测站RTU固态存储中仍然存有相关数据，可以在通信恢复后，人工从中心站遥测采集平台下发数据补传指令，将RTU固态存储中的数据补传至中心站。

具体通信机制流程如图2所示：

图2 通信机制流程图

GSM通信终端技术性能指标主要包括以下方面：电源方面要求供电电压为5V DC～32V DC，空闲功耗小于2mA@12V，GPRS通信平均功耗100mA@12V，空闲时设备仍和GSM基站保持信号连接，可以接收短信或GPRS数据。

数据流量终端技术性能指标包括以下方面：支持GPRS，供电电源范围在DC5～12V，寻址方式的动态IP地址数据中心DNS域名寻址且支持固定IP地址数据中心，功耗为峰值电流≤11mA@+12VDC，通信时平均电流≤48mA@+12VDC。

北斗卫星终端相关技术指标包括以下方面：支持标准AT命令系统，接收信号误码率为≤1×10-5，通信接口为RS-232C且通信速率不低于9600波特；支持“校时”功能，雨雾衰减小于0.3db，传输时延小于5s，接收机灵敏度小于-157.6dbW；供电电源：9～32V DC，待机功耗≤6W，发射功耗≤120W，设备平均无故障工作时间为MTBF≥25000h。

3.3 充电控制器改造

充电控制器改造技术性能指标包括以下方面：太阳能充电控制器电压为12V DC，具有自身功耗小、充电控制效率高的优点，有防反充、防过充功能，能满足最大充电电流需要，最大充电电流：6amps，最大自消耗电流为4mA，过放保护值11.1V(SOC=30%)，过放恢复值12.6V(SOC=30%)，充电电压为13.7V，控制阀值为14.5V，最大充电电流(50℃)8A，工作环境温度为-40℃～70℃。

3.4 机箱改造

本工程采用一体化机箱的形式安装所有设备，RTU、通信设备、蓄电池等设备安装在机箱内，机箱立于混凝土基础上，太阳能板及雨量计、气象传感器安装在机箱上方。机箱具有良好的防护功能及防虫功能，使得机箱内部各设备免受外界环境因素的损害。

3.5 土建工程

为便于建设与维护管理考虑，雨量站选择在四周比较空旷平坦，不受突变地形、树木、建筑物和烟尘影响的地点，保证在降水倾斜时，四周地形或物体不至于影响降水落入观测仪器内。本次遥测站土建采用一体化室外装置，将自动监测站设备全部集成于机箱内安放于楼顶，适应于野外长期工作，雨量筒底座基础找平夯实后采用C15混凝土浇筑1m×0.4m×0.4m(长×宽×高)，浇筑时一体化机箱安装预埋件同时浇筑，保持基础预埋件顶面水平并保护好地脚螺栓，基础回填土应分层夯实，可将天线与太阳能板固定于机箱上方的铝合金筒上。

4 改造后情况

(1)遥测站改造完毕后，水情遥测数据(雨量、水位、电压、温湿度、充电状态等)全部接入新水调自动化系统，并实现良好适配，各功能均可正常使用。试运行期间，设备运行良好，特别是在主汛期强雷击、暴雨频发的恶劣环境下也保证了水情数据传输及时、正确，未发生中断现象。例如，2021年6月29日流域降中到大雨，局部暴雨过程，江边街14：00—16：00时小时强降雨达60多毫米，查询平台数据接收情况，没有发生迟报、漏报、误报现象。

(2)试运行期间，遥测站设备运行稳定、可靠，未发生旧遥测站设备故障多、数据中断等情况，节约测站维护成本明显。畅通率比改造前提高4个百分点，其逐月对比如图3所示：

图3 天一电厂水情测报系统改造前后逐月畅通率对比

(3)改造后，运维人员可以地面作业，避免了法拉第筒高处作业，维护十分方便，同时也减小高空坠落、掉入河中溺水的风险。

5 结论与改造意义

水情测报系统遥测站改造后能更加准确、可靠、及时地采集、传输水雨情信息，同时也能将遥测站的运行信息及时准确地传递至控制中心，便于运行维护人员实时掌握遥测站的运行状态。新遥测站易于维护，明显降低了高空坠落、溺水风险，能充分满足水库调度及生产管理的有关要求，在需要时可与上级主管部门的调度系统实现无缝连接。

本次水情测报系统遥测站改造的技术也为同类型水电站水情遥测站改造提供了一定的借鉴作用及参考意义。