楊金標(biāo)，舒 凱，張后來，鄭福猛，賀 鵬

[南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

近年來，國(guó)際國(guó)內(nèi)大力發(fā)展抽水蓄能電站和中小水電站。抽水蓄能電站和中小水電站運(yùn)行管理中水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱水情系統(tǒng)）屬于薄弱環(huán)節(jié)，因建設(shè)條件、維護(hù)要求及建設(shè)成本制約，水情系統(tǒng)中心站主要建設(shè)在大中型電站，水情遙測(cè)信息直接發(fā)往中心站，在抽水蓄能電站、中小水電站或測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)無法直接獲得水情信息，一定程度上影響發(fā)電調(diào)度。

為此，需探索新的水情系統(tǒng)建設(shè)模式，以較低的建設(shè)成本和簡(jiǎn)單的部署方式，將水情信息在抽水蓄能電站、中小水電站或測(cè)站現(xiàn)地進(jìn)行展示和分析，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度工作。

本文介紹了一種基于ARM嵌入式技術(shù)[1]和FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)[2]開發(fā)的新型串口視頻轉(zhuǎn)換終端，利用其靈活的集成模式，將水情信息從遙測(cè)采集模塊接入現(xiàn)地顯示屏，展示水情信息并進(jìn)行直觀統(tǒng)計(jì)分析。與現(xiàn)有水情系統(tǒng)集成模式相比，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，認(rèn)為效果顯著，值得推廣。

1 抽水蓄能電站及中小水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)現(xiàn)狀及不足

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱水情系統(tǒng)）是集通信、計(jì)算機(jī)、水文和遙測(cè)等先進(jìn)科學(xué)于一體的多學(xué)科系統(tǒng)工程[3]，是電站調(diào)度自動(dòng)化的基礎(chǔ)。我國(guó)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)從20世紀(jì)80年代起步，經(jīng)過不斷發(fā)展，目前全國(guó)大型電站已基本建立水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，并成為生產(chǎn)運(yùn)行中的重要支撐系統(tǒng)，為電站安全度汛和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮巨大作用。

1.2 主要不足

因建設(shè)條件、維護(hù)要求及建設(shè)成本制約，目前水情系統(tǒng)中心站主要建設(shè)在大中型電站或流域集控中心，抽水蓄能電站及中小水電站在水情系統(tǒng)建設(shè)方面相對(duì)薄弱，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）大部分抽水蓄能電站及中小水電站無水情系統(tǒng)建設(shè)，無法掌握電站水情信息，部分流域雖在抽水蓄能電站及中小水電站建有遙測(cè)站，但水情數(shù)據(jù)均直接發(fā)往流域集控中心，測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)無法直接獲得水情信息，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)無法精細(xì)化調(diào)度。

（2）少量抽水蓄能電站及中小水電站雖建有水情分中心，但須部署服務(wù)器以及遙測(cè)采集平臺(tái)、水調(diào)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)等一整套系統(tǒng)。這種模式建設(shè)成本高，且日常運(yùn)行維護(hù)工作量大，對(duì)維護(hù)人員計(jì)算機(jī)水平要求高，不利于推廣應(yīng)用。

1.3 改進(jìn)方向

為改進(jìn)抽水蓄能電站及中小水電站水情系統(tǒng)建設(shè)的不足，需探索新的建設(shè)模式，以較低的建設(shè)成本、簡(jiǎn)單的部署方式，將水情信息在測(cè)站現(xiàn)地進(jìn)行展示、處理和直觀分析，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度工作，同時(shí)，降低日常維護(hù)工作量和維護(hù)難度，便于推廣應(yīng)用。

2 新型串口視頻轉(zhuǎn)換終端功能設(shè)計(jì)

2.1 功能介紹

新型串口視頻轉(zhuǎn)換終端是專為水文站、水庫(kù)站、閘泵站等設(shè)計(jì)的一款實(shí)時(shí)信息展示轉(zhuǎn)換模塊。它采用ARM+FPGA架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。利用RS232串口接收遙測(cè)采集終端設(shè)備中的雨量、水位、溫濕度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，通過VGA接口將處理后的畫面輸出到液晶電視或顯示器上展示。該終端自帶內(nèi)部FLASH，能存儲(chǔ)字庫(kù)和圖片信息，包括水位過程線和整點(diǎn)水位值等，并具備基本數(shù)據(jù)處理功能，進(jìn)行累加計(jì)算或差值計(jì)算，展示畫面可根據(jù)用戶需求定制開發(fā)。如需顯示大容量的圖片或視頻信息，可通過TF卡槽插入TF卡存儲(chǔ)設(shè)備。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

串口視頻終端主要硬件結(jié)構(gòu)有ARM處理器、FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、TF卡、內(nèi)部flash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串口、VGA接口等，其示設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

2.2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware structure design

圖2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of software structure design

串口視頻終端軟件數(shù)據(jù)處理流程主要設(shè)計(jì)思路為：通過串口接收數(shù)據(jù)源，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理和存儲(chǔ)；然后圖形繪制軟件調(diào)用數(shù)據(jù)和圖形庫(kù)，進(jìn)行圖形顯示；同時(shí)，利用界面刷新程序定時(shí)刷新數(shù)據(jù)和圖形。主要數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

3 新型遙測(cè)集成方式

3.1 新型遙測(cè)集成方式

串口視頻終端設(shè)備的集成十分靈活、簡(jiǎn)便，可以通過有線/無線的方式將傳感器或者RTU的數(shù)據(jù)接入串口視頻轉(zhuǎn)換終端。在終端上有2個(gè)RS232串口，可以RS232的方式接入，也可通過無源RS232-485轉(zhuǎn)換器經(jīng)長(zhǎng)距離布線接入，或通過無線電臺(tái)、GPRS模塊等無線方式將數(shù)據(jù)接入模塊。通常情況可接入2路串口信號(hào)，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，也可定制開發(fā)多路數(shù)據(jù)接入。在集成時(shí)，可通過定制開發(fā)對(duì)設(shè)計(jì)不同的界面風(fēng)格或展示模式。集成示意圖如圖3所示。

3.2 與現(xiàn)有集成模式對(duì)比

3.2.1 幾種模式各自特點(diǎn)

現(xiàn)有遙測(cè)站普遍采用數(shù)據(jù)直傳中心站或分中心落地兩種模式集成，與串口視頻終端集成模式相比，其主要特點(diǎn)如下：

（1）數(shù)據(jù)直傳中心站模式為：測(cè)站數(shù)據(jù)采集后，利用GSM/GPRS[4]或者VHF、北斗通信衛(wèi)星等無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至中心站，測(cè)站現(xiàn)地?zé)o法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析。此模式功能不足，水情遙測(cè)信息需由中心站處理后，再通過其他手段下發(fā)到測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)，若遇惡劣情況通道中斷，則水情信號(hào)無法直接傳輸至測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)，因此適用于無遙測(cè)站房的非重要測(cè)站。

（2）分中心落地模式為：測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)部署服務(wù)器，直接通過遙測(cè)采集平臺(tái)從遙測(cè)站接收數(shù)據(jù)，利用水情人機(jī)界面系統(tǒng)展示分析水情信息。此模式雖然功能強(qiáng)大，但建設(shè)成本高，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，需具備機(jī)房條件用于服務(wù)器工作站的正常運(yùn)行，后期維護(hù)工作量較大，需測(cè)站值班人員具有相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)維護(hù)能力。因此，僅在部分特別重要站點(diǎn)才以此種方式集成。

（3）利用串口視頻終端進(jìn)行集成模式主要有以下特點(diǎn)：設(shè)備的安裝方式簡(jiǎn)單，僅需增加一臺(tái)顯示器、一個(gè)串口視頻終端即可；設(shè)備運(yùn)行對(duì)環(huán)境要求較低，只需提供220V交流電即可正常運(yùn)行；無需人工干預(yù)，接通即可顯示，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)便；由于該設(shè)備可定制配置，因此顯示的信息可足夠測(cè)站分中心的日常調(diào)度生產(chǎn)需求，即使遭遇極端惡劣天氣導(dǎo)致分中心與中心站通信中斷，仍然可以根據(jù)現(xiàn)地展示的水情信息及時(shí)做出調(diào)度決策。

圖3 串口視頻終端集成示意圖Fig.3 Schematic diagram of Serial port Conversion to Video Terminal

3.2.2 幾種模式對(duì)比分析

三種測(cè)站集成模式對(duì)比如圖4所示。

圖4 三種集成模式Fig.4 Three types of integration models

根據(jù)以上三種集成模式的特點(diǎn)，從設(shè)備清單、功能特點(diǎn)、部署要求、建設(shè)成本、維護(hù)難度、抗災(zāi)能力等六個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比分析情況如表1所示。

由表1可以清楚地看出，串口視頻終端集成模式與現(xiàn)有測(cè)站集成模式相比具有功能強(qiáng)大、部署要求低、建設(shè)成本較低（串口視頻終端集成模式比數(shù)據(jù)直傳中心站僅多一個(gè)串口視頻終端和顯示屏，增加成本在1萬元以內(nèi)；而分中心落地模式需購(gòu)置服務(wù)器及采集、展示軟件，成本在5萬元以上）、維護(hù)難度低、抗災(zāi)能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，適合在未建立完善水情系統(tǒng)的抽水蓄能電站、中小水電站、水文測(cè)站等應(yīng)用場(chǎng)合建設(shè)。

表1 三種集成模式比較Tab.1 Comparison of the three integration models

4 應(yīng)用實(shí)例

貴州某流域建有兩庫(kù)7級(jí)梯級(jí)水電站，擔(dān)負(fù)著流域防洪度汛、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、城市供水以及旅游景觀等重要任務(wù)。該流域建有水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，中心站部署于集控中心，各梯級(jí)電站壩址有發(fā)電廠房及運(yùn)行值班室，壩上下均建有水位雨量測(cè)站。原水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中，各水位雨量站采集到數(shù)據(jù)后，均直接發(fā)送至集控中心，各電站運(yùn)行值班室無法自動(dòng)獲取水情信息，汛期只能采用人工觀測(cè)水尺或電話集控中心方式獲取實(shí)時(shí)水雨情，給生產(chǎn)調(diào)度帶來極大不便。

為解決此問題，采用新型串口視頻終端集成模式改造水情系統(tǒng)。在各梯級(jí)生產(chǎn)值班室安裝串口視頻終端和顯示器，單站建設(shè)成本僅8千元，從各自壩上下測(cè)站鋪設(shè)四芯屏蔽電纜至值班室接入串口視頻轉(zhuǎn)換終端，通過轉(zhuǎn)換終端的存儲(chǔ)、計(jì)算和處理，將實(shí)時(shí)水位雨量信息展示在顯示屏上，并進(jìn)行水位過程線、日累計(jì)雨量、壓差、毛水頭等信息的展示，水情信息一目了然，極大地方便了梯級(jí)電站日常生產(chǎn)調(diào)度工作的開展。其展示畫面如圖5所示。

圖5 應(yīng)用實(shí)例展示Fig.5 Application example

圖5中，圖（a）為無壓差電站的展示畫面，圖（b）為有壓差電站的展示畫面。展示畫面中頂部為當(dāng)前時(shí)間，左側(cè)為最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，右側(cè)為近24小時(shí)的庫(kù)水位和尾水位過程線。壓差根據(jù)庫(kù)水位和攔污柵后水位（未展示）相減得到，毛水頭根據(jù)庫(kù)水位和尾水位相減得到。

本次改造的壩上下測(cè)站數(shù)據(jù)視頻展示方式自2016年4月建設(shè)完成后，穩(wěn)定運(yùn)行，7個(gè)梯級(jí)電站均未出現(xiàn)故障情況。2017年6月23～25日，該流域爆發(fā)全流域性暴雨洪水，因水毀、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)受阻、部分遙測(cè)站通信不暢，電站現(xiàn)場(chǎng)值班人員夜間無法人工觀測(cè)水尺。得益于串口視頻終端的應(yīng)用，其現(xiàn)地水情展示未受惡劣天氣影響，使得電站現(xiàn)場(chǎng)值班人員在值班室內(nèi)仍可實(shí)時(shí)監(jiān)控庫(kù)水位，從容調(diào)度，安全抗洪度汛。

5 結(jié)束語

根據(jù)前文分析，串口視頻轉(zhuǎn)換終端方式集成的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)可在抽水蓄能電站推廣應(yīng)用，從上下庫(kù)水位站接入實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，在調(diào)度值班室監(jiān)視上下庫(kù)水位變動(dòng)過程，指導(dǎo)調(diào)度運(yùn)行。

為方便推廣應(yīng)用，串口視頻終端需優(yōu)化界面配置方式，開發(fā)更便捷的畫面配置方式以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出接口工具，利于工程實(shí)施。同時(shí)，為進(jìn)一步提升水情信息監(jiān)測(cè)的直觀便利性，建議未來該視頻串口轉(zhuǎn)換終端和遙測(cè)采集終端同時(shí)升級(jí)，接入視頻監(jiān)控信息。