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        水情自動遙測系統(tǒng)在桃山水庫二期工程建設(shè)中的應(yīng)用

        2010-08-15 00:49:58王宇航高廣峰
        黑龍江水利科技 2010年3期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        王宇航,高廣峰

        (桃山水庫管理處,黑龍江七臺河154600)

        桃山水庫二期工程壩址位于倭肯河干流中上游七臺河市,是一座以防洪和城市供水為主,兼顧灌溉,養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利樞紐工程。承擔(dān)著工程本身安全和下游的防洪調(diào)度任務(wù)?;旧峡刂屏速量虾由嫌紊絽^(qū)的洪水。通過該水庫調(diào)度,對七臺河市及下游防洪具有一定的削峰和錯峰作用??杀Wo(hù)在50 a一遇洪水情況下,七臺河市及下游16個村屯、1萬hm2農(nóng)田、20余萬人口,及牡佳鐵路、鶴大公路的安全。水情自動遙測系統(tǒng)是二期工程建設(shè)的組成部分。

        水情自動遙測系統(tǒng)是在計算機(jī)監(jiān)控下,利用有線、無線及其它通信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī),對水雨情數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理,并由計算機(jī)進(jìn)行水情預(yù)報、水庫調(diào)度實(shí)時作業(yè)等內(nèi)容的高科技自動化系統(tǒng)工程。系統(tǒng)的建立是做好防汛、調(diào)度工作的重要措施,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該系統(tǒng)的建設(shè)顯著地改善了流域的水情報汛、水文預(yù)報、防洪調(diào)度的手段,在防洪和興利工作中發(fā)揮了顯著的作用。

        1 采集方式和組網(wǎng)方案

        1.1 采集方式

        ①雨量采集方式:采用翻斗式雨量觀測設(shè)備,精度為1 mm,當(dāng)雨量達(dá)到1 mm時,自動向中繼發(fā)送數(shù)據(jù)。采集降雨強(qiáng)度可達(dá)4 mm/min,誤差≤±3%。工作時,降水進(jìn)入環(huán)口控制面積,由集水器匯攏后,通過進(jìn)水漏斗進(jìn)入翻斗;當(dāng)計量到一定水量時,翻斗翻轉(zhuǎn),翻斗上的磁石吸合或釋放翻斗旁的干簧管,產(chǎn)生一個通斷信號,該信號進(jìn)入終端機(jī)進(jìn)行累加計算,以數(shù)字代碼形式發(fā)射。采用雙信號輸出方式。②水位采集方式:水位觀測設(shè)備采用水位測井和浮子式水位計。當(dāng)水位升降1 cm時,自動向接收方發(fā)送數(shù)據(jù),為防止風(fēng)流影響,采用5 min定時采集。③流量采集方式:根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》和《水工建筑物測流規(guī)范》的要求,對入庫和出庫站進(jìn)行了流量測驗,采用流速面積法計算流量,人工置數(shù)方式傳輸,除出庫水文站采用駐測外,其余水文站均為巡測。

        1.2 組網(wǎng)方案

        系統(tǒng)以桃山水庫管理處作為中心數(shù)據(jù)接收站,龍湖二礦辦公樓為中繼站,利用超短波無線信道將各遙測站采集的水雨情數(shù)據(jù)傳送到中心站。中心站收集到這些數(shù)據(jù)后,由后臺微機(jī)進(jìn)行分析處理,顯示各站水、雨情信息,并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)資料的長期存儲,各種水情報表的繪制。

        根據(jù)水文站網(wǎng)布設(shè)原則及庫區(qū)匯水范圍內(nèi)地形及支流情況,以已有站點(diǎn)為主,建設(shè)20處水情自動遙測站點(diǎn):系統(tǒng)中心站1處(桃山水庫管理處),中繼站1處,入庫水文站2處(北興、新發(fā)),出庫水文站1處(壩下桃山),庫水位站1處(壩上庫區(qū)),單雨量站16處(四新、靠山、石龍山、鐵山、金鄉(xiāng)、北興三隊、種畜場十隊、種畜場五隊、金沙經(jīng)營所、新青、勝利、向陽、北興22隊、北興27隊、北興24隊、北興17隊)。

        2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

        桃山水庫水情自動遙測系統(tǒng)是一個水情數(shù)據(jù)自動采集、傳輸及處理的實(shí)時測報系統(tǒng),可以運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)的不同工作站上。具體以下功能特點(diǎn):①在暴雨、洪水等惡劣天氣條件下能可靠、穩(wěn)定地工作,設(shè)備的可靠性強(qiáng)。②設(shè)備符合結(jié)構(gòu)簡單可靠、低功耗的原則,有防雷措施,中繼站、遙測站能在無人值守、無人看護(hù)的條件下工作。③遙測站能在環(huán)境溫度-10℃~45℃、相對濕度<95%條件下工作,能連續(xù)可靠地工作6個月以上,其通信暢通率應(yīng)>95%,誤碼率<10-5。④遙測站能自動采集實(shí)時水情數(shù)據(jù)并自動定時將水情數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站,數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求.雨量計分辨率為1 mm,測雨強(qiáng)度為0.01~4 mm/s;水位計分辨率為1 cm。⑤遙測計算機(jī)對前置機(jī)中原始數(shù)據(jù)有隨時、定時采集的功能,對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行糾檢錯、分類存儲、檢索、修改、顯示、打印、超線報警,具有鍵盤輸入功能??呻S時提供設(shè)備工作狀態(tài)表。數(shù)據(jù)處理軟件查詢部分包括遙測站網(wǎng)分布圖,實(shí)時遙測數(shù)據(jù)的分布顯示,任意時段遙測數(shù)據(jù)圖表顯示等。當(dāng)電網(wǎng)斷電時,遙測前置機(jī)能夠繼續(xù)工作7 d以上,可以存儲、打印原始數(shù)據(jù);計算機(jī)數(shù)據(jù)處理設(shè)備能連續(xù)工作8 h以上。⑥遙測數(shù)據(jù)處理軟件能夠定時、人工、隨機(jī)地主動(或被動)將整理后的時段數(shù)據(jù)送入后臺洪水調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。整個系統(tǒng)的反應(yīng)速度在20 min以內(nèi)。⑦系統(tǒng)測站和中繼站電源采用單晶硅太陽能電池板,采用免維護(hù)蓄電池進(jìn)行浮充充電。能夠滿足30 d陰雨天情況下,保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

        3 水情遙測系統(tǒng)硬件配置及其功能和技術(shù)指標(biāo)

        桃山水庫水情自動撥測系統(tǒng)采用自報制式,其硬件配置由以下各類組成:

        3.1 傳感器

        系統(tǒng)觀測項目為雨量和水位,分別選用翻斗式雨量傳感器和浮子式水位傳感器。技術(shù)指標(biāo)為:

        3.1.1 雨量計

        1)信號方式:雙信號轉(zhuǎn)換輸出。

        2)承水口徑:200±0.6 mm,刃口角40°~50°。

        3)分辨率:1 mm。

        4)測量誤差:≤±1 mm的概率為95%(以自身排水量為準(zhǔn))。

        5)雨量強(qiáng)度:0.01~4 mm/min,允許最大雨量8 mm/min。

        6)貯存溫度:-10℃~50℃。

        3.1.2 水位計

        1)測量范圍:0~40 m,0~10 m。2)分辨率:1 cm。

        3)測量誤差:±1 cm。

        4)允許變率:<40 cm/min。

        5)碼制:格雷碼。

        6)工作溫度:-10℃~50℃。

        3.2 自報式遙測儀

        自報式遙測儀是水情自動測報系統(tǒng)中的最基本的單元設(shè)備,采用的是單向信息輸傳方式。由控制器、調(diào)制器、顯示器、發(fā)射機(jī)、天饋線系統(tǒng)、太陽能板與蓄電池組成。遙測儀在水情參數(shù)變化一個計量單位時,自動采集數(shù)據(jù),編碼發(fā)送給中心。在水文參數(shù)無變化時,每間隔5~6 h左右自動向中心傳送數(shù)據(jù),以示其工作狀態(tài)良好,遙測儀可同時接入翻斗式雨量傳感器、浮子式水位傳感器和人工置數(shù)盒(顯示器為外接時不能接入人工置數(shù)盒),其發(fā)射功率分為大功率和中功率兩種,分別配備不同容量的蓄電池和太陽能板。

        3.2.1 主要功能

        ①接入雨量傳感器和水位傳感器,當(dāng)雨量每增加1 mm或水位上漲/下落1 cm時,向中心發(fā)送一次實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)。(發(fā)送水位數(shù)據(jù)的時間間隔超過5 min)。②當(dāng)無水文參數(shù)變化時,遙測儀間隔5~6 h自動地向中心發(fā)送一次數(shù)據(jù)。③按主板上“發(fā)射”鍵可重發(fā)上一次發(fā)送的數(shù)據(jù),按“清零”鍵,則清楚遙測儀內(nèi)部所存貯的雨量、水位數(shù)據(jù)。④備有一串行輸入口,可轉(zhuǎn)發(fā)人工置數(shù)數(shù)據(jù)。⑤數(shù)據(jù)發(fā)送前載頻建立時間有八擋設(shè)置。⑥可任意設(shè)定遙測站的站號地址。⑦遙測儀具有強(qiáng)掉電功能,每次開機(jī)上電后約1 s鐘強(qiáng)迫掉電。

        3.2.2 技術(shù)指標(biāo)

        ①調(diào)制解調(diào)器;數(shù)據(jù)傳輸速率:300波特;調(diào)制方式:FSK制式副載頻頻率:采用 CCITT標(biāo)準(zhǔn);傳號:980Hz;空號:1180Hz;②主機(jī)值守電流≤50 μA;整機(jī)功率≤100 μA×12 V;③收集水文參數(shù)的精度:雨量:1 mm,水位:1 cm;④通信指標(biāo):發(fā)射機(jī)功率在任何工作條件下不低于額定值80%;通信頻率:224.050 MHz,231.050 MHz;發(fā)射機(jī)功率:5W 20W;調(diào)制頻偏:3.5 KHz,最大5 KHz;發(fā)射機(jī)建立時間:≤30ms;輸入輸出阻抗:50Ω;⑤天線:天線阻抗:50Ω;駐波比:<1.2;⑥信號線:饋線:50Ω同軸電纜;雨量線:3芯帶屏蔽導(dǎo)線;水位線:16芯帶屏蔽導(dǎo)線;浮充電源線:2芯分色護(hù)套線;⑦蓄電池容量分別為6.5 Ah和13 Ah(大功率);⑧太陽能電池板功率為5 W和10 W(大功率);⑨設(shè)備可靠性:平均無故障時間:MTBF>5 000 h;⑩環(huán)境條件:溫度:-10℃~+50℃;相對濕度:≤90%。

        3.3 自報式中繼機(jī)

        自報式中繼機(jī),設(shè)備簡單,功耗低,可靠性高,可以帶幾個或十幾個終端站。中繼站一般那架設(shè)在高山地區(qū),維護(hù)不大方便,因此要求中繼機(jī)要有很高的可靠性。由于中繼機(jī)采用太陽能浮充供電,為避免連陰雨天造成的電源低落而影響系統(tǒng)的可靠性,所以在電路設(shè)計時采用低功耗設(shè)計。

        3.3.1 主要功能

        ①以存儲再生方式實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號;②具有超時工作時的強(qiáng)迫掉電功能;③可以方便地由開關(guān)設(shè)定服務(wù)范圍、發(fā)射前導(dǎo)時間等;④能夠進(jìn)行站址識別,對于不在服務(wù)范圍的信號不予轉(zhuǎn)發(fā);⑤具有雙機(jī)熱備份功能,能實(shí)現(xiàn)主備機(jī)自動切換;⑥定時采集電源電壓并發(fā)給中心,以便中心能及時了解中繼站的電源及工作情況;⑦可以接入雙簧雨量計兼做雨量站。

        3.3.2 技術(shù)指標(biāo)

        調(diào)制方式:FSK;傳號:980Hz,空號:1180Hz;傳輸速率:300bit/s;整機(jī)值守功率:≤50mA×12V;發(fā)射機(jī)功率:5W;電源范圍:DC+12V(-15%~+10%)。

        傳輸格式:采用4字節(jié)異步串行通信格式。窄帶濾波器:為避免信道干擾引起的中繼機(jī)誤上電,采用窄帶濾波器進(jìn)行載波測試。中心頻率980Hz,帶寬30Hz。平均無故障工作時間:MTBF>5 000 h;工作環(huán)境:溫度:-10℃~+55℃;相對濕度:≤95%。

        3.4 前置接收機(jī)

        水情自動遙測系統(tǒng)自報遙測前置控制通信機(jī)(簡稱前置機(jī))是水情自動測報系統(tǒng)的中心站的值守機(jī),即是一個完整的通信控制機(jī)和預(yù)處理機(jī)。它由通信電臺、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、天饋線、電源等部分共同組成。它具有實(shí)時接收、暫存和預(yù)處理測站原始數(shù)據(jù)、并把這些數(shù)據(jù)及時傳送給后臺微機(jī)的功能。前置機(jī)能長期連續(xù)工作,具有高可靠、低功耗、實(shí)用、易于維護(hù)的性能。

        3.4.1 主要功能

        ①實(shí)時接收和暫存各遙測站、中繼站發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和告警信號,并注時標(biāo)。②能對收回的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯、糾錯處理,處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、壓縮、規(guī)類、分別存入內(nèi)存保存。能暫存各遙測站(全系統(tǒng)按50個站計算)兩天以上的原始數(shù)據(jù)。③前置機(jī)一般配有兩個接口,分別用于:A:RS-232串口與后臺微機(jī)進(jìn)行雙向通信;B:采用標(biāo)準(zhǔn)并行口與打印機(jī)連接。④可利用撥盤進(jìn)行接收范圍設(shè)置。⑤可配接打印機(jī),實(shí)時打印原始數(shù)據(jù)及檢測各檢測站工作是否正常。也存貯打印前置機(jī)暫存的原始數(shù)據(jù)。⑥可利用按鍵隨時顯示、修改、校正時鐘時間。⑦可利用按鍵對存貯的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。⑧前置機(jī)在系統(tǒng)中能起到減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)、擴(kuò)大主機(jī)選型范圍、便于系統(tǒng)的軟硬件的開發(fā)配置、增加組網(wǎng)靈活性和通信控制管理機(jī)的作用。在交流電源斷電的情況下,用大容量免維護(hù)蓄電池繼續(xù)工作。

        3.4.2 技術(shù)指標(biāo)

        值守功耗:<70mA(不含電臺);傳輸速率:300bit/s;站號范圍:0~255;調(diào)制解調(diào)方式:FSK;音頻輸入電平:>100mv;誤碼率:pe≤10 -5(20db,S/N);工作電壓:DC12v。

        通信設(shè)備技術(shù)指標(biāo):接收機(jī)靈敏度:<0.5μA(20db,S/N);天饋線阻抗:50Ω;工作環(huán)境:5℃~40℃;平均無故障工作時間:MTBF>10 000 h

        4 水情遙測系統(tǒng)軟件及其功能

        水情遙測系統(tǒng)軟件運(yùn)行在中心站的后臺機(jī)Microsoft Windows98或NT上,以Microsoft SQL6.5 Server為后臺數(shù)據(jù)庫,該軟件使用串行端口,可隨時和定時到前置機(jī)中讀取各遙測站發(fā)來的水情數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)資料的存儲、查詢、整理、各種人機(jī)界面的顯示和各種圖表的繪制及傳輸和打印,并自動向國家防總規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器SQL Server數(shù)據(jù)庫中存儲水情數(shù)據(jù)。軟件具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示功能,可以顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概況,同時,軟件還提供系統(tǒng)設(shè)置功能,使用戶在合法的權(quán)限內(nèi)能對遙測站點(diǎn)的名稱、站號、對應(yīng)的遙測參數(shù)(雨量、水位等)進(jìn)行設(shè)置和更改。同時對每個遙測站點(diǎn)圖形方式的數(shù)據(jù)顯示位置進(jìn)行設(shè)置,以方便系統(tǒng)的使用和擴(kuò)充。遙測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一使用國家防總《水情自動遙測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及其數(shù)據(jù)表格式》中規(guī)定的結(jié)構(gòu),可以方便地實(shí)現(xiàn)與洪水預(yù)報軟件連接。

        軟件系統(tǒng)具有下列功能:①實(shí)時接收以聯(lián)機(jī)方式進(jìn)入中心站的原始數(shù)據(jù),經(jīng)過檢糾錯、加注時標(biāo)后形成暫存文件。②數(shù)據(jù)處理。由中心站的計算機(jī)系統(tǒng)(中心計算機(jī))完成。主要是對接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、檢錯、換碼、分類、超限判別等一系列處理后,寫入數(shù)據(jù)庫。③信息查詢。管理人員和水情人員可以使用這一功能模塊以交互方式查看所存水、雨情數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀況、測站和系統(tǒng)的特征參數(shù)等,進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、檢索、水情圖表顯示、繪制和打印。④進(jìn)行時段徑流量測算。各類水文參數(shù)月、年平均值、最大、最小值等特征數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算。⑤編制水文圖表。按照預(yù)定的項目和圖表格式顯示和打印各類水文數(shù)據(jù)的日報表,測站分布圖,指定時段的雨量分布圖,各類水文參數(shù)的過程線圖等。⑥數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫由水雨情數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和測站特征參數(shù)、歷史水雨情特征數(shù)據(jù)3類數(shù)據(jù)文件組成。⑦和上級中心站、外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。向有關(guān)部門傳送水情信息。⑧軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows98和Visual Foxpro 5.0。

        5 結(jié)語

        桃山水庫水情遙測系統(tǒng)工程建成后收到明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)實(shí)時采集傳輸流域各站水位、雨量信息和通過人工置數(shù)的流量,為桃山水庫入庫洪水預(yù)報計算提供準(zhǔn)確及時的雨水情數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高水庫實(shí)時調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度水平,提高水庫和城市防洪能力,對水庫、河道提前預(yù)泄,減少水庫下泄洪峰流量,減輕庫區(qū)和下游損失將起到重要作用,對于保證工程安全和減輕下游地區(qū)防洪壓力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        [1]黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院.黑龍江省倭肯河桃山水庫二期工程初步設(shè)計報告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,2006.

        [2]大連理工大學(xué),國家防汛抗旱總指揮部辦公室.水庫防洪預(yù)報調(diào)度方法及應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,1996.

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