羅建平 周 杰 余任重

淺談水電站最小下泄流量在線監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

羅建平 周 杰 余任重

三明市環(huán)境信息中心

在河流上建設(shè)水電站，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重大作用，但也出現(xiàn)了河流變湖庫、支流斷流的環(huán)境問題，為解決這個(gè)問題，福建省要求水電站必須全天候有一個(gè)最小下泄水流量，并對(duì)這個(gè)最小下泄流量進(jìn)行在線監(jiān)控，以保護(hù)流域的生態(tài)環(huán)境安全。該文較全面地介紹了水電站最小下泄流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、組成結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能，以及水流量的測(cè)流方式。

水電站 最小下泄流量 自動(dòng)在線監(jiān)控

多年來，在河流上建設(shè)水電站，并結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉，城市供水，防洪養(yǎng)殖，達(dá)到了調(diào)蓄洪水、防災(zāi)減災(zāi)、蓄能發(fā)電等綜合開發(fā)利用目的，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重大作用。但是，由于缺乏對(duì)各個(gè)水電站下泄流量的有效調(diào)節(jié)與監(jiān)管，河流變成湖庫趨勢(shì)、支流出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象日益顯現(xiàn)，環(huán)境問題日益顯現(xiàn)。為此，福建省政府決定，水電站必須安裝下泄流量在線監(jiān)控裝置，對(duì)水電站最小下泄流量進(jìn)行全天候在線監(jiān)控，以推進(jìn)各流域水環(huán)境綜合整治，保護(hù)流域的生態(tài)環(huán)境安全。

1 監(jiān)控中心系統(tǒng)方案

根據(jù)全省方案，對(duì)水電站最小下泄流量在線監(jiān)控采取兩級(jí)監(jiān)控體系，即地市級(jí)監(jiān)控和省級(jí)監(jiān)控。各水電站按規(guī)范和要求，建設(shè)流量在線監(jiān)控裝置（系統(tǒng)），各地市環(huán)保局分別建立市級(jí)在線監(jiān)控中心，水電站將在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到市級(jí)監(jiān)控中心，市級(jí)監(jiān)控中心對(duì)本轄區(qū)各水電站的最小下泄流量進(jìn)行在線監(jiān)控，并將在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至省級(jí)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省各流域水電站最小下泄流量的在線監(jiān)控。

1.1 市級(jí)監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)

1.1.1 市級(jí)監(jiān)控平臺(tái)硬件配置

市級(jí)監(jiān)控平臺(tái)（以三明市為例）主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器和視頻服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)路由器和千兆三層交換機(jī)，以及防火墻等設(shè)備組成（見圖1）。千兆三層交換機(jī)用于連接監(jiān)控系統(tǒng)各服務(wù)器。

網(wǎng)關(guān)路由器提供兩個(gè)接口：一個(gè)外網(wǎng)接口，通過100M光纖線路接入電信PE端設(shè)備，在PE設(shè)備上定義并創(chuàng)建與各接入節(jié)點(diǎn)相同的VPN實(shí)例，并將VPN實(shí)例綁定到相應(yīng)的VRF中。屬于同一個(gè)VPN實(shí)例中的節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)相互間的通信（監(jiān)控平臺(tái)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)相互通信，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間無法通信），這樣，各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳回監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。另一個(gè)接口用于連接服務(wù)器交換機(jī)。服務(wù)器交換機(jī)連接監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器、通訊服務(wù)器以及數(shù)據(jù)服務(wù)器等。此外，服務(wù)器交換機(jī)還提供一個(gè)千兆接口用于向上接入上級(jí)（地市到省級(jí)）MPLS VPN專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與省數(shù)據(jù)中心的通信。

圖1 三明市水電站最小下泄流量在線監(jiān)控平臺(tái)硬件拓?fù)鋱D

1.1.2 水電站監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接入設(shè)計(jì)

水電站（監(jiān)控節(jié)點(diǎn)）接入方式采用2M ADSL 撥號(hào)接入，固定IP方式接入電信PE端設(shè)備，在PE設(shè)備上定義并創(chuàng)建與數(shù)據(jù)中心相同的VPN實(shí)例，并將VPN實(shí)例綁定到相應(yīng)VRF中，實(shí)現(xiàn)前端采集設(shè)備與監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信。該種組網(wǎng)方式，保證了前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的7×24小時(shí)實(shí)時(shí)在線、省級(jí)和市級(jí)監(jiān)控中心平臺(tái)隨時(shí)可訪可控的需求。該方案情況下，無需對(duì)前端數(shù)據(jù)采集機(jī)及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備做任何改動(dòng)（圖2）。

圖2 監(jiān)控點(diǎn)接入方式示意圖

1.1.3 市級(jí)監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)接入設(shè)計(jì)

市級(jí)監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)接入省級(jí)數(shù)據(jù)中心的專網(wǎng)設(shè)計(jì)，采用依托于中國(guó)電信城域網(wǎng)以及CN2的MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)電信為省、市兩級(jí)監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)提供100M的MPLS VPN接入帶寬。

市級(jí)監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)采集到的水電站（監(jiān)控節(jié)點(diǎn)）數(shù)據(jù)首先保存在市本級(jí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，然后，通過中國(guó)電信專網(wǎng)線路上傳匯總到省級(jí)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省水電站下泄流量的在線監(jiān)控（見圖3）。

圖3 市級(jí)監(jiān)控中心接入示意圖

1.2 省級(jí)監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)

省級(jí)監(jiān)控中心平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與市級(jí)監(jiān)控平臺(tái)相似，也主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器和視頻服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)路由器和千兆三層交換機(jī)、以及防火墻等設(shè)備組成（見圖4）。

圖4 省級(jí)監(jiān)控中心接入示意圖

2 水電站下泄流量監(jiān)控方案

福建省各流域水系建有眾多各種類型的水電站，以三明市為例，轄區(qū)內(nèi)有屬閩江上游的沙溪、金溪和尤溪三大流域，在這三個(gè)流域的河流上，建有各類水電站94座（不含最小下泄流量小于0.5m3/s和擬建電站）。

2.1 測(cè)流監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置

對(duì)水電站下泄流量的監(jiān)控，可在電站各泄水口設(shè)立監(jiān)控點(diǎn)，安裝測(cè)流裝置，也可在電站下游附近選擇河道斷面作為監(jiān)控?cái)嗝?，安裝測(cè)流裝置，監(jiān)測(cè)下泄流量。對(duì)于河床式水電站，監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)設(shè)置在發(fā)電廠房尾水下游；對(duì)于壩后式水電站，監(jiān)測(cè)斷面也應(yīng)設(shè)置在發(fā)電廠房尾水下游；而對(duì)于引水式電站，監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)分別設(shè)置在發(fā)電廠房尾水下游和水庫大壩下游。

2.2 測(cè)流方式

2.2.1 常規(guī)流速儀法

在監(jiān)控?cái)嗝姘惭b水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備，如水位自記井、水位計(jì)、電子水尺等。用常規(guī)流速儀法測(cè)流，測(cè)定該監(jiān)控?cái)嗝娴乃涣髁筷P(guān)系，通過水位推求出流量。

2.2.2 多普勒（ADCP）測(cè)流法

多普勒超聲波流量計(jì)是應(yīng)用聲學(xué)多普勒技術(shù)原理，將儀器固定于水面、河底或水面以下某一位置，實(shí)時(shí)測(cè)出對(duì)應(yīng)水流斷面的對(duì)應(yīng)流速和實(shí)時(shí)水流斷面面積，推求出河道斷面實(shí)時(shí)流量。

2.2.3 尾水流量關(guān)系計(jì)算法

尾水流量關(guān)系計(jì)算法是通過尾水流量關(guān)系曲線進(jìn)行換算推求出流量。在一定的周期內(nèi)，對(duì)河道進(jìn)行測(cè)流得到流量關(guān)系曲線，建立尾水自動(dòng)測(cè)報(bào)站，通過接收實(shí)時(shí)的尾水位值自動(dòng)換算出流量。

2.2.4 水調(diào)水務(wù)計(jì)算法

目前，大型水電站一般都建立了水調(diào)系統(tǒng)，水調(diào)系統(tǒng)對(duì)水電站上游下游水位，機(jī)組，閥門開度等參數(shù)均建有自動(dòng)監(jiān)控，電站的相關(guān)設(shè)計(jì)曲線（如水位庫容）也較全面，所以，根據(jù)下泄流量監(jiān)控參數(shù)（如數(shù)據(jù)上傳頻次）要求，建立下泄流量動(dòng)態(tài)配置計(jì)算方法，設(shè)置計(jì)算函數(shù)，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，推求出下泄流量。

3 系統(tǒng)功能

水電站下泄流量監(jiān)控系統(tǒng)主要由6個(gè)功能模塊組成：基本配置信息模塊（包括水電站基本信息、通信程序配置信息、采樣因子配置信息、流域管理和計(jì)量單位管理）、綜合數(shù)據(jù)模塊（包括水電站分布圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、下泄流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表和告警信息）、工單管理模塊、GIS模塊、應(yīng)用字典模塊和日志審計(jì)模塊，如圖5所示。

圖5 水電站下泄流量監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

水電站下泄流量的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控對(duì)象采集和處理的主要數(shù)據(jù)、信息有五大類：在線監(jiān)控儀器數(shù)據(jù)、水流量數(shù)據(jù)、流量監(jiān)控設(shè)施運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)、儀器自診斷數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)信息源、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等信息種類按時(shí)間順序存儲(chǔ)，并按通信協(xié)議將數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)發(fā)給市級(jí)監(jiān)控中心。

3.2 實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控

系統(tǒng)提供對(duì)各水電站的日常監(jiān)控功能, 各水電站定時(shí)向市級(jí)監(jiān)控中心平臺(tái)上傳一次數(shù)據(jù)，相關(guān)人員可隨時(shí)調(diào)閱查看各水電站監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)和歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及設(shè)施運(yùn)行情況,也可以查看某個(gè)電站監(jiān)控點(diǎn)指定時(shí)間段里的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),可以查看分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)（見圖6）。

監(jiān)控主要功能包括基本信息、各指標(biāo)曲線圖、數(shù)據(jù)查詢、視頻監(jiān)控等。

圖6 水電站下泄流量的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)、歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

3.3 告警管理

在對(duì)各水電站監(jiān)控點(diǎn)配置時(shí)，均直接或間接給定了其各項(xiàng)指標(biāo)限值（水庫水位指標(biāo)限值、最小下泄流量限值），當(dāng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)超過該監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)先設(shè)置的限值時(shí)，系統(tǒng)視其為異常，并將發(fā)生告警事件因子、告警值、以及發(fā)生此告警事件的時(shí)間通過異常告警功能進(jìn)行發(fā)布和記錄、以便監(jiān)控和相關(guān)人員快速響應(yīng)并做出應(yīng)急響應(yīng)和處理。

3.4 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

水電站最小下泄流量監(jiān)控系統(tǒng)中心平臺(tái)提供了豐富的定期報(bào)表功能，方便相關(guān)管理部門及負(fù)責(zé)人員查閱和統(tǒng)計(jì)，以便快速掌握轄區(qū)內(nèi)各流域各電站下泄水流量的狀況以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

根據(jù)報(bào)表產(chǎn)生的周期，系統(tǒng)將報(bào)表劃分為以下幾類：日?qǐng)?bào)（按天統(tǒng)計(jì)）；周報(bào)（按周統(tǒng)計(jì)）；月報(bào)（按月統(tǒng)計(jì)）；季報(bào)（按季度統(tǒng)計(jì)）；年報(bào)（按年份統(tǒng)計(jì)）。

3.5 基本信息設(shè)置

水電站基本信息：水電站名稱、所屬區(qū)域、所屬流域、地理位置（經(jīng)緯度）和詳細(xì)地址等。通信程序信息：水電站下端系統(tǒng)的IP地址和通信端口等。采樣因子信息：閘門流量、機(jī)組流量、水位、瞬時(shí)流量等。流域管理：流域納入監(jiān)控電站的信息。計(jì)量單位管理：對(duì)采樣因子對(duì)應(yīng)的計(jì)量單位的管理。

3.6 視頻監(jiān)控融合

結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)控，系統(tǒng)融合視頻監(jiān)控功能，主要是對(duì)重點(diǎn)水電站庫區(qū)、采樣因子等對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控，視頻監(jiān)控采用中國(guó)電信“全球眼”系統(tǒng)。主要功能有視頻瀏覽（遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻的瀏覽）、視頻疊加（監(jiān)控?cái)?shù)值與視頻疊加，效果直觀生動(dòng)）、語音監(jiān)聽（在視頻實(shí)時(shí)瀏覽的同時(shí)，可聽到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的聲音）、視頻回放（通過視頻服務(wù)器調(diào)閱歷史視頻）、視頻存儲(chǔ)和云臺(tái)控制等。

4 結(jié)語

福建省水電站數(shù)量多，大小各異，類型不同，分布地形復(fù)雜，且國(guó)內(nèi)還沒有對(duì)水電站下泄流量在線監(jiān)控工作經(jīng)驗(yàn)可循，對(duì)水電站下泄流量監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)工程量和難度都較大。經(jīng)過兩年多來的努力建設(shè)和不斷完善，現(xiàn)所有納入監(jiān)控的水電站均能按要求上傳數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水電站最小下泄流量的自動(dòng)監(jiān)控要求，確保了流域生態(tài)環(huán)境的安全。