王淑香
(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠,浙江 衢州 324000)
水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是集通信、遙測(cè)和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)于一體,用來(lái)實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理和預(yù)報(bào)的現(xiàn)代化自動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),它是水庫(kù)調(diào)度人員制訂洪水預(yù)報(bào)、調(diào)洪演算、洪水調(diào)度及防洪調(diào)度方案的依據(jù),因此,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及可靠性是非常重要的。烏溪江梯級(jí)電站根據(jù)流域地形及實(shí)際需要,從1982年開(kāi)始建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),此后在運(yùn)行中根據(jù)發(fā)展的需要不斷加以改進(jìn)和完善,由單一的超短波通信擴(kuò)展為超短波與短信雙通道通信模式,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的暢通率和可用度。
浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠由湖南鎮(zhèn)、黃壇口兩梯級(jí)電站組成,在浙江電網(wǎng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用及黑啟動(dòng)的作用。梯級(jí)水庫(kù)在衢江甚至是錢塘江流域的洪水調(diào)度中占有非常重要的地位,承擔(dān)下游防洪抗旱和為衢江洪峰錯(cuò)峰的任務(wù)。一級(jí)湖南鎮(zhèn)水庫(kù)具有不完全多年調(diào)節(jié)能力,為國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)防汛水庫(kù),壩址以上控制流域面積為2151 km2,現(xiàn)總裝機(jī)容量為320 MW,機(jī)組總發(fā)電引用流量約350 m3/s;二級(jí)黃壇口水庫(kù)距湖南鎮(zhèn)電站29 km,區(qū)間流域面積為237 km2,裝機(jī)容量為52 MW,在梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行中,以日調(diào)節(jié)運(yùn)行方式為優(yōu)。
烏溪江是錢塘江上游衢江的一大支流,發(fā)源于浙閩交界的仙霞嶺北麓,河流全長(zhǎng)約160km,總集水面積為2587 km2,流域呈狹長(zhǎng)形,上游崇山峻嶺,兩岸懸崖陡壁,河床比降大于1‰。流域內(nèi)除黃壇口下游屬平原地區(qū)外,其余均屬山區(qū),流域內(nèi)植被雖好,但土層很薄,吸水性差,多雨期徑流系數(shù)大于0.95;由于河床比降大,因此集流極為迅速,洪水猛漲猛落,屬典型的山區(qū)性河流;流域年平均降雨量為1770 mm,降水分布不均勻,主要集中在4—6月份。
2.1.1 超短波通信系統(tǒng)的建設(shè)
浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠是國(guó)內(nèi)最早投入水情自動(dòng)測(cè)報(bào)研制和開(kāi)發(fā)的水電廠之一,于1982年首次與電子工業(yè)部第六研究所和機(jī)械工業(yè)部共同進(jìn)行第1套水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā),1986年7月通過(guò)考核驗(yàn)收。系統(tǒng)運(yùn)行3年后,由于早期設(shè)備性能上的缺陷,1991年由南京水利水文自動(dòng)化研究所對(duì)系統(tǒng)的主要通信設(shè)備進(jìn)行了改造,從1992年運(yùn)行至今沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)重大運(yùn)行事故,技術(shù)指標(biāo)滿足水庫(kù)運(yùn)行要求。
2.1.2 超短波通信系統(tǒng)的配置
經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和完善,目前超短波系統(tǒng)共設(shè)有16個(gè)站,為16∶3∶2模式,即16個(gè)遙測(cè)站(水文站1個(gè)、雨量站11個(gè)、水位站4個(gè))、3個(gè)中繼站、2個(gè)中心站。系統(tǒng)采用三級(jí)中繼傳輸方式,三級(jí)中繼都為再生中繼,所有信號(hào)都經(jīng)過(guò)中繼解調(diào)→重新編碼再生→再調(diào)制的過(guò)程,確保信號(hào)的可靠性。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)超短波系統(tǒng)組網(wǎng)圖如圖1所示。
為了解決原系統(tǒng)通信方式單一的問(wèn)題,使系統(tǒng)更加符合規(guī)范要求,浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠2011年11月進(jìn)行了增設(shè)短信通信通道的安裝及調(diào)試工作。此次改造是在原來(lái)超短波通信通道及設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)/通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)系統(tǒng)(GPRS)通信通道,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雙通道通信;同時(shí),保留原有一次采集、傳輸儀器和數(shù)傳設(shè)備以及外圍供電設(shè)備(如圖2所示)。在中心站實(shí)現(xiàn)智能接收2個(gè)通道的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),并將主用通道的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù),保證水情測(cè)報(bào)入庫(kù)數(shù)據(jù)的唯一性、準(zhǔn)確性和完整性,達(dá)到可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn),確保該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、中心站少人值班、系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,滿足水庫(kù)防汛和調(diào)度的需要。
2.2.1 短信通道系統(tǒng)配置
短信通信系統(tǒng)的網(wǎng)站點(diǎn)布設(shè)為:在原超短波通信網(wǎng)站的基礎(chǔ)上分別在湖南鎮(zhèn)、黃壇口水庫(kù)3個(gè)尾水位增加了壓力水位站,短信系統(tǒng)站點(diǎn)布置為1∶19模式,即1個(gè)中心站、19個(gè)遙測(cè)站(如圖3所示)。系統(tǒng)以GMS點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式工作,短信采用信令信道進(jìn)行傳輸,無(wú)需建立撥號(hào)連接,直接把信息加上目的地地址發(fā)送到短信服務(wù)中心,再由短信息服務(wù)中心發(fā)到目的地。
2.2.2 改造的主要設(shè)備
(1)采用目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的遙測(cè)終端機(jī)。此次改造采用南京磊淼水電科技研究所生產(chǎn)的LM-9型遙測(cè)終端機(jī),該遙測(cè)終端機(jī)采用單板結(jié)構(gòu),嵌入GSM/GPRS模塊,微功耗、多種通信通道、多種工作制式,有1Mbits固態(tài)存儲(chǔ)器,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸控制能力。
它是由微處理器控制的通用遙測(cè)設(shè)備,可以根據(jù)需要組成具有不同功能的遙測(cè)終端,超短波信道、GSM信道、GPRS信道可選、可組合。LM-9型遙測(cè)數(shù)傳終端留有與原超短波系統(tǒng)的電臺(tái)接口,當(dāng)原超短波系統(tǒng)的遙測(cè)終端設(shè)備出現(xiàn)發(fā)送故障時(shí),將電臺(tái)接入LM-9型遙測(cè)數(shù)傳終端就可以通過(guò)超短波電臺(tái)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。該設(shè)備具有電池電壓值檢測(cè)和發(fā)送功能,終端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),自動(dòng)檢測(cè)并發(fā)送測(cè)站的電池電壓實(shí)際值;具有超時(shí)發(fā)送強(qiáng)迫掉電功能,支持休眠喚醒工作方式;參數(shù)設(shè)置、內(nèi)存檢查、功能檢查都通過(guò)筆記本電腦或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),固態(tài)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)場(chǎng)用筆記本電腦下載,也可以通過(guò)信道機(jī)異地遠(yuǎn)程下載。
圖3 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)雙通信通道組網(wǎng)圖
數(shù)據(jù)傳輸方式為異步傳輸,采用固定幀長(zhǎng)的結(jié)構(gòu),按先發(fā)高位字節(jié)、后發(fā)低位字節(jié)的次序進(jìn)行。各字節(jié)均按異步傳輸定義,即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位終止位。串行發(fā)送時(shí)先發(fā)起始位,再發(fā)數(shù)據(jù)位,最后發(fā)終止位,傳輸內(nèi)容為:幀頭、站號(hào)、時(shí)間、電源電壓(實(shí)際電壓值)、水文數(shù)據(jù)及冗余碼。
遙測(cè)終端機(jī)嵌入的GSM/GPRS數(shù)傳模塊選用華為技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的華為GTM900無(wú)線模塊(三頻段GSM/GPRS的無(wú)線嵌入式模塊)。
(2)中心站短信接收模塊。短信接收模塊采用西門子TC35T/TC35iT模塊,內(nèi)置了TC35無(wú)線模塊,集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡,可以在PC機(jī)上用AT命令通過(guò)串口對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。
短信系統(tǒng)與超短波系統(tǒng)運(yùn)行模式均為自報(bào)式,即遙測(cè)站按照設(shè)定的雨量變化或者水位變化(超短波通信設(shè)定為雨量變化1 mm,水位變化1 cm;短信通信設(shè)定為雨量變化1 mm,水位1 h變幅5 cm,可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整)自動(dòng)向中心站發(fā)送數(shù)據(jù),水文參數(shù)沒(méi)有變化時(shí),每天定時(shí)4次向中心站發(fā)送信息,以反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
2.4.1 軟件升級(jí)為多路水情系統(tǒng)軟件
此次系統(tǒng)改造是將原來(lái)的軟件進(jìn)行升級(jí),系統(tǒng)應(yīng)用軟件為模塊化結(jié)構(gòu),便于功能的擴(kuò)展和修改,并預(yù)留接口。軟件采用多路水情數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)查詢分析器,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理及通信功能,具有友好的人機(jī)界面。
水情遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)完全符合SL 323—2005《實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》和SL 330—2005《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》。水情遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)表中描述數(shù)據(jù)的更新頻度和性質(zhì)將數(shù)據(jù)表分成2類:一類是數(shù)據(jù)更新頻度較低或基本不變的表(如測(cè)站基本信息等),稱為基本信息表,這類數(shù)據(jù)表的記錄需人工逐條錄入;另一類是更新頻度較高的實(shí)時(shí)水情信息表(如實(shí)測(cè)水位、雨量過(guò)程等),稱為實(shí)時(shí)信息表,這類數(shù)據(jù)表的記錄由信息采集系統(tǒng)自動(dòng)錄入。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)接收、處理、存儲(chǔ)模塊,當(dāng)前編碼器顯示、打印模塊,當(dāng)天日降水量、水位變幅顯示、打印模塊,顯示、打印降水量日、月報(bào)表模塊,顯示降水量直方圖模塊等27個(gè)模塊組成。系統(tǒng)軟件支持B/S,C/S的網(wǎng)絡(luò)工作方式,支持多中心站聯(lián)網(wǎng)。采用水利工程代碼庫(kù),滿足系統(tǒng)水情、工情數(shù)據(jù)的信息檢索要求。系統(tǒng)的雨量、水位、數(shù)據(jù)庫(kù)與國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)兼容,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
2.4.2 改造后主要增加的功能
(1)采用多路水情數(shù)據(jù)采集器,能進(jìn)行雙通道間的相互切換,最后將主用通道接收的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù),以確保數(shù)據(jù)的唯一性。
(2)能編輯水位、雨量、電量及負(fù)荷等信息,定時(shí)或人工發(fā)送至管理人員手機(jī),或由管理人員隨時(shí)進(jìn)行信息召測(cè),并可設(shè)定將雨強(qiáng)及水位越限報(bào)警發(fā)送至水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)及管理人員手機(jī)。
3.1.1 超短波通信的優(yōu)點(diǎn)
(1)獨(dú)立性好,完全是自建通信網(wǎng)。
(2)超短波視距傳播損耗小、信號(hào)較穩(wěn)定、技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單且易于配套。
(3)實(shí)時(shí)性好。
(4)運(yùn)行成本低。
3.1.2 超短波通信的缺點(diǎn)
(1)建設(shè)成本較高。
(2)當(dāng)通信兩地過(guò)遠(yuǎn)或有高山、樹木、高大建筑物的阻擋時(shí),通信路徑損耗過(guò)大;不能滿足通信最低要求時(shí),必須設(shè)立中繼站進(jìn)行接力;而當(dāng)中繼站出現(xiàn)故障時(shí),在中心站無(wú)法收到該中繼轉(zhuǎn)接的遙測(cè)站的任何數(shù)據(jù)。
3.2.1 短信通信的優(yōu)點(diǎn)
(1)GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣,網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定,主要利用GSM點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信息業(yè)務(wù)完成水情數(shù)據(jù)的傳輸,可靠性較好。
(2)設(shè)備體積小,價(jià)格低,安裝在室內(nèi),沒(méi)有引雷部件,可以不做防雷處理。
3.2.2 短信通信的缺點(diǎn)
(1)實(shí)時(shí)性不強(qiáng),數(shù)據(jù)通信存在延時(shí)。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過(guò)短信息允許的最大長(zhǎng)度(一般每條短消息長(zhǎng)度被限定在140個(gè)字節(jié)內(nèi)),短信息中心將把數(shù)據(jù)自動(dòng)切分成多條信息發(fā)送到目的地,延時(shí)將更長(zhǎng),導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收的時(shí)效性大大降低,實(shí)際運(yùn)行中一般比超短波通信延時(shí)2~5 min。
(2)當(dāng)系統(tǒng)用戶數(shù)量較大時(shí),公共短信平臺(tái)可能發(fā)生信息擁擠,導(dǎo)致數(shù)據(jù)的延時(shí),甚至丟失。
(3)運(yùn)行費(fèi)用太高。試運(yùn)行期間每天平均有短信850條左右,為了既降低運(yùn)行費(fèi)用又能滿足收集水情數(shù)據(jù)的需要,根據(jù)實(shí)際情況將水位站的閾值設(shè)定為上游水位1.0 h變幅超過(guò)5 cm,尾水位0.5 h變幅超過(guò)10 cm(可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整)。
(4)若預(yù)存費(fèi)用余額為0,則無(wú)法發(fā)出信息,致使水情數(shù)據(jù)不夠及時(shí)、完整。
烏溪江電廠嚴(yán)格按照水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的維修規(guī)程進(jìn)行汛前檢查、汛期巡查和汛后檢查,以確保汛期系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行;平時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷便立即進(jìn)行處理,使系統(tǒng)每年的運(yùn)行暢通率達(dá)到97%以上,可用度為99%以上。超短波通信出現(xiàn)的故障主要是電池電壓低和測(cè)站遭到雷擊等引起的,短信通信運(yùn)行比較穩(wěn)定,但也曾出現(xiàn)過(guò)幾次故障。
(1)2012年1月曾出現(xiàn)王村口水位站不來(lái)數(shù)的情況,到現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),蓄電池電壓低于短信設(shè)備設(shè)計(jì)門限值,致使設(shè)備停止工作,換上新蓄電池后工作正常。電池電壓低的原因是長(zhǎng)時(shí)間的陰雨天氣使太陽(yáng)能供電不足以及下游小水電發(fā)電水位變化頻繁,重新調(diào)整該測(cè)站的定時(shí)來(lái)數(shù)與水位雨量采樣間隔時(shí)間后,系統(tǒng)恢復(fù)正常。
(2)2012年3月曾出現(xiàn)大楓嶺雨量站不來(lái)數(shù)的情況,原因是數(shù)傳儀故障,更換新設(shè)備后系統(tǒng)恢復(fù)正常。
根據(jù)超短波及短信兩通信的特性,正常情況下2套系統(tǒng)都投入運(yùn)行,但為保持?jǐn)?shù)據(jù)的唯一性,以超短波系統(tǒng)為主用通道,來(lái)數(shù)寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù);3個(gè)新增的尾水測(cè)站運(yùn)行在短信系統(tǒng)通道;運(yùn)行中若發(fā)現(xiàn)超短波通信通道某一測(cè)站或中繼站故障,便將相應(yīng)的遙測(cè)站切換到短信通信通道接收水情數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫(kù),確保水情數(shù)據(jù)的完整性。
原水情超短波系統(tǒng)存在電源問(wèn)題,通信需3級(jí)中繼轉(zhuǎn)接,在加強(qiáng)對(duì)流域小水電的監(jiān)測(cè)后,由于通信流量過(guò)大引起的通信中斷有所增加。而短信系統(tǒng)具有對(duì)電源要求低、通信直接的優(yōu)點(diǎn),有效彌補(bǔ)了超短波通信的不足。
尾水位觀測(cè)屬于水情監(jiān)測(cè)范疇,但由于歷史原因,浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠尾水位監(jiān)測(cè)為廠房監(jiān)控系統(tǒng)職能,存在觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差大、穩(wěn)定性差的問(wèn)題,此次改造基本解決了上述問(wèn)題。
湖南鎮(zhèn)、黃壇口二站地處山區(qū),受局地短時(shí)強(qiáng)降水的影響較大,對(duì)于黃壇口、躍進(jìn)雨量站,采取了2套完全獨(dú)立的系統(tǒng)配置,使雨量監(jiān)測(cè)更為可靠。
一方面增加了雨強(qiáng)水位越限報(bào)警功能,另一方面還增加了發(fā)電量的短信查詢功能,擴(kuò)展了水情短信平臺(tái)。
目前,各遙測(cè)站均有超短波與短信通信系統(tǒng)。2種通信方式共用1套太陽(yáng)能板和蓄電池供電電源,試運(yùn)行期間流域出現(xiàn)了日照歷史同期最少的極值年,王村口站曾出現(xiàn)電壓低的現(xiàn)象,現(xiàn)已為該站增加了1組蓄電池及相應(yīng)的太陽(yáng)能充電板,但仍需對(duì)系統(tǒng)供電方式作必要的跟蹤,以保證系統(tǒng)暢通。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,建議遙測(cè)站2套通信系統(tǒng)的電源及傳感器完全獨(dú)立配置。
湖南鎮(zhèn)、黃壇口梯級(jí)水電站共有3個(gè)尾水面,由于湖、黃梯級(jí)水電站為浙江電網(wǎng)的主要調(diào)峰調(diào)頻電廠,開(kāi)、停機(jī)相當(dāng)頻繁,尾水位變動(dòng)十分劇烈,因此短信發(fā)送次數(shù)較多,每站每日發(fā)送次數(shù)可達(dá)220次以上,站點(diǎn)短信費(fèi)用每月可達(dá)500~800元,運(yùn)行成本較高。建議增加超短波通信方式,降低短信發(fā)送標(biāo)準(zhǔn),將短信方式設(shè)為備用。
目前,超短波系統(tǒng)與短信系統(tǒng)的切換方式為手動(dòng)切換,運(yùn)行方式以超短波方式為主,超短波通信每6 h定時(shí)來(lái)報(bào)1次。建議在短信系統(tǒng)運(yùn)行成熟后,如遙測(cè)站超短波6.0 h以上無(wú)來(lái)數(shù),即自動(dòng)將該測(cè)站切換至短信系統(tǒng)為主用,以保持水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
烏溪江水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善,增加測(cè)站點(diǎn)、增加通信通道,提高了系統(tǒng)的暢通率和可用度,及時(shí)準(zhǔn)確地為防汛和發(fā)電調(diào)度提供了科學(xué)的依據(jù),充分發(fā)揮了湖南鎮(zhèn)、黃壇口梯級(jí)水庫(kù)的防汛抗旱作用,使水庫(kù)管理人員能夠充分、合理利用水利資源科學(xué)調(diào)度水庫(kù),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[1]SL 250—2000,水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[S].