郭 易，張 力

（1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.國網(wǎng)湖北黃龍灘電廠，湖北 十堰442011）

黃龍灘電廠水情自動測報系統(tǒng)是我國自行研制的規(guī)模較大、功能較全的防洪調度系統(tǒng)，為國家“七五”重點科技攻關項目，由中國水利水電科學研究院和黃龍灘電廠共同承擔建設完成。該系統(tǒng)1983年確定初步方案，經(jīng)過3年現(xiàn)場測試，于1986年10月投入試運行，1989年通過原能源部技術鑒定，次年正式移交黃龍灘電廠使用。1991年榮獲國家科技進步獎。

該系統(tǒng)順應微電子及通信技術水平的發(fā)展分別于1995年、2001年、2007年、2013年、2018年對軟、硬件進行了5次規(guī)模較大的技術完善改造。通信方式由超短波、海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、GSM短信通信，變動到衛(wèi)星及移動通信的使用，通信組網(wǎng)由自主組網(wǎng)變?yōu)槭褂霉簿W(wǎng)絡，取消了中繼站，大大降低了系統(tǒng)的維護成本，提高了系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。移動通信的使用，相對衛(wèi)星通信大幅度降低了設備成本和通信費用。目前主備混合組網(wǎng)保證了系統(tǒng)全天候的運行。

1 起步

由于當時國內的技術條件，最艱巨的工作是通信布網(wǎng)。結合當時設備狀況和前期的試驗成果，技術人員決定采用超短波通信方式進行通信布網(wǎng)。1981年冬季在鄂西北黃龍灘水庫流域內的山區(qū)，技術人員為了摸清超短波傳輸特點開展了針對高山復雜地形的超短波通信試驗。艱辛工作得到的試驗結果對通信布網(wǎng)設計起到了十分重要的作用。為了完成流域內所有遙測站的水情信息收集，技術人員在超短波通信布網(wǎng)設計中，通過建立最少的中繼站從整體上選擇最優(yōu)通信途徑。技術人員通過長期的實地測試，在信道反復計算的基礎上，多次針對中繼站選址，終于在1985年完成全流域的超短波遙測通信網(wǎng)的設計工作。系統(tǒng)規(guī)模為中心站1個，分中心站1個，中繼站4個，遙測站22個，電廠調度站作為中心站，九華山分中心通過陶家坡干線中繼站與中心站通信，遙測站分別通過天寶監(jiān)、紅崖寺、前坪3個中繼站通信。

各遙測站點特性參數(shù)參見表1。

通過反復測試，技術人員決定采用日本TAD-M7系列設備，當時是80年代較先進的產(chǎn)品，采用了頻率合成，EPROM寫入頻率法選擇頻率。黃龍灘于1995年對系統(tǒng)進行了升頻改造，從150 MHz升至230 MHz超短波通信系統(tǒng)。系統(tǒng)的可靠性經(jīng)受住了自然環(huán)境的長期考驗，該系統(tǒng)的超短波通信設計方法在水情自動測報系統(tǒng)工程中多次推廣應用。

2 改進

自1986年投入運行，系統(tǒng)長周期時間的運行造成野外遙測站設備出現(xiàn)了疲勞和老化的狀況，超短波通信的穩(wěn)定性和遙測站的設備安全性都出現(xiàn)問題；部分中繼站和水位站運行環(huán)境發(fā)生了很大變化，在很大程度上會影響整個水情系統(tǒng)的正常運行，同時也加大了系統(tǒng)維護工作量。

表1 遙測站點特性表

為了適應通信技術的飛速發(fā)展和對水情預報、調度決策準確性、實效性的更高要求，2001年對所有超短波的通信、電源、雨量傳感器等主要系統(tǒng)設備進行了全面升級換代，選用了日本日精ND889超短波電臺，又于2007、2013年分別對遙測系統(tǒng)處在位置偏僻、信道不好、需要分中繼遙測站的升級為衛(wèi)星通信方式，并撤銷了紅崖寺、老碼頭、前坪等3個分中繼站，與其他超短波遙測站組成衛(wèi)星、超短波混合通信系統(tǒng)，并對竹山、鄂坪等主要雨量水位站采用了衛(wèi)星、超短波雙線運行通信方式。

衛(wèi)星通信在水情測報系統(tǒng)里運用，首先應用了Inmarsat海事衛(wèi)星。Inmarsat海事衛(wèi)星有不同類型的移動終端，其中Inmarsat-C移動終端支持雙向衛(wèi)星通信終端，設備輕巧、功耗較低，使用L波段（1.5/1.6 GHz），對雨、霧的衰減非常小，傳輸信息穩(wěn)定，提供速率為600 bit/s雙向、存儲轉發(fā)式數(shù)據(jù)信息或電文通信，適合水情信道利用率低、信息數(shù)據(jù)量小的特點。水情自動測報系統(tǒng)采用太陽能供電方式，通過Inmarsat-C移動終端可以實現(xiàn)雙向通信，中心站定時對測站進行巡測和召測，可控制衛(wèi)星設備電源（僅數(shù)據(jù)通信時供電）。本系統(tǒng)中采用的INMARSAT衛(wèi)星系統(tǒng)服務主要和北京船舶通信導航有限公司合作，數(shù)據(jù)終端設備選用丹麥生產(chǎn)的TT-3026 L型。

2010年后，海用產(chǎn)品C/MINIC的新一代終端TT-3027型設備已經(jīng)無法提供水情系統(tǒng)使用的點對點通信方式服務，北京地面站的服務也停留在維護以前使用的用戶范圍，隨著用戶的減少，服務力度逐步減小，也就是說已經(jīng)沒有新的硬件替代產(chǎn)品，軟件服務也逐步萎縮。

近年衛(wèi)星通信技術的國產(chǎn)化勢在必行，并且我國衛(wèi)星技術飛躍式的發(fā)展，技術人員決定選用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星服務與北京神州天鴻科技有限公司合作。北京神州天鴻科技有限公司是北斗系統(tǒng)民用運營商和設備生產(chǎn)制造銷售商，建立了民用用戶服務支撐平臺，包括北斗空間衛(wèi)星、北斗地面總站及民用網(wǎng)管中心以及北斗民用協(xié)議終端三大部分。通過對不同型號北斗通信設備的反復比較，技術人員選用了YDD-3-01型北斗衛(wèi)星分體通信型用戶機，該通信設備集成度高、體積小、功耗低可滿足雙向通信，且通信費用低廉，比較適合水情測報系統(tǒng)水情數(shù)據(jù)量小、信道使用率低的通信特點。

3 現(xiàn)狀

經(jīng)過多年運行，通過合理優(yōu)化站網(wǎng)結構，現(xiàn)正在使用的堵河流域內黃龍灘水庫壩址以上測站共計28個測站（表2），其中水位/雨量站6個，雨量站20個，水位站2個，站網(wǎng)密度約424.7 km2/站。

表2 黃龍灘電廠遙測站表

表2中的遙測站能基本滿足黃龍灘水庫壩址及其以上流域的洪水預報和水庫調度要求，站網(wǎng)布設較合理，站點位置圖1所示。

圖1 黃龍灘電廠遙測站點圖

目前，移動通信技術在水情自動測報系統(tǒng)中開始成為主要的通信手段，不需要組建專用網(wǎng)絡和維護網(wǎng)絡，安全保密性高，且覆蓋面廣，與傳統(tǒng)的超短波等通信方式相比，有著明顯的優(yōu)勢。手機短信服務（簡稱SMS）在蜂窩移動通信系統(tǒng)中被廣泛應用的通信功能，通過全球移動通信系統(tǒng)（簡稱GSM）網(wǎng)絡來傳輸。

黃龍灘水電廠水情測報系統(tǒng)也隨之進行了技術更新，采用了雙通道工作模式即以手機短信服務為主通道，北斗衛(wèi)星為備用通道。在水情自動測報系統(tǒng)中測站至中心站的數(shù)據(jù)接入方式可以采用點對點直接接入方式或專線接入方式，針對水情測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)量絕對值不大的情況，采用專線的意義不大，并且專線需經(jīng)過Internet，有安全方面的風險。因此，在本系統(tǒng)中采用了點對點接入方式。在遙測站、中心站分別配置GSM短信模塊等配套設備，當定時報或需加報時，遙測站RTU自動啟動GSM模塊，將信息經(jīng)移動短信中心傳輸至中心站。

圖2 采用GSM短信（點對點）方式通信組網(wǎng)結構

4 總結展望

黃龍灘電廠水情自動測報系統(tǒng)先后選用了超短波、衛(wèi)星通信、移動通信（GSM），我們通過多年系統(tǒng)運行，比較各種通信方式，總結如表3。

表3 通信方式總結

通信技術在黃龍灘電廠水情自動測報系統(tǒng)中的應用發(fā)展，不斷提高了系統(tǒng)通信的可靠性，并且降低了通信費用，減少了人工維護的強度。

當今，5G技術的發(fā)展成為各個行業(yè)的焦點，萬物互聯(lián)、智慧電廠概念風起云涌，水情感知要素的準確及時采集和傳輸是全面提升電廠信息化水平的基礎，將傳感器、無人機、電子遙感、工控設備監(jiān)控等先進的物聯(lián)網(wǎng)技術運用到智慧電廠感知要素的信息采集和傳輸中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術的實時性和先進性，推進電廠信息化建設，以帶動電廠現(xiàn)代化，并實現(xiàn)國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略。我們需要融合多源信息，綜合判斷水情，水情感知手段目前以地面站點觀測為主，未來將結合衛(wèi)星遙感技術、視頻監(jiān)控、智能識別技術、大數(shù)據(jù)分析等新技術。黃龍灘水情自動測報系統(tǒng)的幾次改造還是停留在地面站點觀測的基礎上，相信未來將實現(xiàn)自動化、無人化、立體化、一體化的監(jiān)測體系。

黃龍灘系統(tǒng)作為首套國產(chǎn)的、擁有自主知識產(chǎn)權的水情自動測報系統(tǒng)；具有優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的工作體制、軟硬件設備，填補了該專業(yè)領域的國內空白。該系統(tǒng)伴隨著不同通信手段在水情測報系統(tǒng)中的應用，緊跟水情技術發(fā)展潮流，保證了系統(tǒng)的先進性和實用性。系統(tǒng)多年以來運行可靠、數(shù)據(jù)傳輸準確，年平均通暢率達到95%以上，為黃龍灘電廠防洪、度汛、水庫調度提供了可靠的決策依據(jù)，為洪水削峰、錯峰，保護下游安全起到了重要的作用。