林廣洪 舒 凱 李 偉

1.天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠 貴州興義 562400；2.南京南瑞水利水電科技有限公司 江蘇南京 210003

1 改造背景

天生橋一級水電站水情測報系統(tǒng)遙測站由1個氣象站、3個水位站、6個水位雨量站、17個雨量站，共27個測站組成。舊水情遙測站采用國際移動衛(wèi)星組織提供Inmarsat-C衛(wèi)星、GSM通信方式進行混合組網(wǎng)，工作體制為自報式。

舊遙測站雖然基本滿足當前業(yè)務的要求，但隨著設備老化、新技術新產(chǎn)品的發(fā)展、原有型號備品備件停產(chǎn)等因素的影響，舊遙測站逐漸出現(xiàn)故障率高、可靠性低、暢通率低、維護難度大等問題，具體問題如下。

1.1 設備老化，故障率高

原遙測站因使用年限過長，故障率較高，同時，配套使用的ACS300數(shù)據(jù)采集器及DT968短信模塊均已停產(chǎn)，新型配件無法直接適配原有遙測站系統(tǒng)。

1.2 功能較為落后，自動化、智能化程度低

新型遙測站具有遠程維護、遠程查詢下載、自動補傳等功能，極大地簡化了維護工作，提高了工作效率。

1.3 設備笨重，維護難度大

舊遙測站采用2米法拉第筒，筒下部需建設約1m×1m×1m的水泥基座，數(shù)據(jù)采集器及電池放置在筒內(nèi)，由于法拉第筒重量大、桶過深，因此維護難度偏大。

1.4 安全風險高

由于大量站點建在屋頂、河邊，在法拉第筒基座開展維護時存在較高的高空墜落和溺水風險。

1.5 通道落后，通信成本高

舊遙測站采用GSM及海事衛(wèi)星雙信道的傳輸方式，目前2G移動基站已逐步老化退役，導致暢通率低；海事衛(wèi)星為20世紀末主流通信方式，通信成本高。近年來，隨著通信技術發(fā)展，現(xiàn)有4G通信/國產(chǎn)北斗通信等方式，可靠性更高、通信性能更穩(wěn)定、功能更強大、通信費用更低。

為了解決遙測站存在的問題，其改造工作顯得十分必要。

2 改造目標及內(nèi)容

2.1 改造目標

本次系統(tǒng)改造的目標旨在通過對遙測站設備升級改造，提高水情自動測報系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、遙測站暢通率、可用度，降低維護工作量及運行成本，為水庫調(diào)度工作提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)支撐，保障天生橋一級水電站整體安全、經(jīng)濟、高效運行。

2.2 改造內(nèi)容

本次改造將對天生橋一級水電站水情測報系統(tǒng)的27個遙測站全部進行升級改造，站點建設改為一體化室外機箱方式，數(shù)據(jù)采集器升級為ACS500型，通信方式改為4G通信/國產(chǎn)北斗通信方式，其中2個雷達式水位站僅做GPRS備用通道增設改造，壩上2個水位雨量站不做機箱及土建部分改造。

改造后遙測站主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信模塊、蓄電池、充電控制器、上電控制器、太陽能電池板組成，其中數(shù)據(jù)采集器為其核心組件，主要功能是將傳感器采集的物理信號處理成數(shù)據(jù)信號，原有遙測站的供電部分(太陽能板、蓄電池)、傳感器部分(雨量計、水位計等)不做改造，經(jīng)調(diào)整適配后在新遙測站中繼續(xù)使用。新遙測站主要功能如下，結構如圖1所示。

圖1 遙測系統(tǒng)結構圖

(1)水位、雨量自動采集。能按水文資料整編規(guī)范要求采集水位、雨量數(shù)據(jù)，能自動采集到1.0cm的水位變化值和1mm的降雨量，采樣間隔可編程，并具有數(shù)字濾波功能。

(2)自報功能。按預先設置的定時間隔，應能通過數(shù)據(jù)流量主信道及短信備用信道向中心站發(fā)送當前的水位、雨量及氣象數(shù)據(jù)，還包括測站站號、時間、電池電壓、報文類型等參數(shù)。在規(guī)定的時段內(nèi)水位或降雨量變化量超過設定值(時段、變化量可編程)，能自動向中心站報送數(shù)據(jù)。

(3)應答與查詢。應能響應中心站的查詢，并按接收到的指令定時報送實時數(shù)據(jù)或批量數(shù)據(jù)。

(4)主備信道自動切換。當主信道發(fā)送失敗時，可自動切換到備用信道發(fā)送，本次改造將主要使用短信及GPRS流量雙信道的數(shù)據(jù)發(fā)送方式，在GPRS信號較差的測站，將采用短信及北斗衛(wèi)星雙信道的數(shù)據(jù)傳輸方式。

(5)現(xiàn)場固態(tài)存儲。采集的水位、雨量應現(xiàn)場帶時標按水文資料整編規(guī)范要求存儲，存儲間隔(雨量存儲間隔為5min及5min的整倍數(shù)，最小間隔為5min；水位存貯間隔為5min及5min的整倍數(shù)，最小間隔為5min)可編程，可提供現(xiàn)場或遠程查詢、下載。

(6)其他功能。包括將流量數(shù)據(jù)和人工觀測水位值通過人工置數(shù)的方式向中心站報送，顯示遙測站現(xiàn)場能實時顯示水位、雨量、電壓等水情數(shù)據(jù)，現(xiàn)場或遠地編程(參數(shù)設置)能在現(xiàn)場或遠地對遙測終端設備進行各項參數(shù)設置或讀取等編程操作，自維護功能具有定時工況報告、低電壓報警、掉電保護以及自動復位等自維護功能。

(7)工作環(huán)境。新設備能在雷電、暴雨、停電的惡劣條件下正常工作。

(8)具備遠程指令功能，可遠程更新維護遙測通信參數(shù)、傳輸方式等，并且可遠程升級現(xiàn)場RTU和DTU通信程序版本，確保遙測系統(tǒng)持續(xù)保持先進性。

3 遙測站改造施工技術

3.1 數(shù)據(jù)采集器改造

遙測終端(RTU)是當前廣泛使用的數(shù)據(jù)采集傳輸設備，在各種自動測報系統(tǒng)中起著重要作用，是連接前端傳感器和后端監(jiān)測分析軟件的數(shù)據(jù)通道作用，為整個系統(tǒng)構建數(shù)據(jù)基礎。遙測站的全部功能幾乎都體現(xiàn)在遙測終端的功能上，為此本系統(tǒng)應選用國內(nèi)先進可靠、功能強大、易操作、易維護的遙測終端。

數(shù)據(jù)采集器需通過水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的SL651-2014《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》、SL180-2015《水文自動測報系統(tǒng)設備遙測終端機》、SZY206-2016《水資源監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》檢測，并獲得全國工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證。遙測終端具有強大的數(shù)學處理能力和強大的遠程通信能力，遙測終端還具有操作簡便的顯著特點，自檢功能完善，機械結構合理。采用模塊化設計，軟件功能模塊和硬件功能模塊均可以組合，適應各種應用場合。

3.2 通信終端改造

本次遙測站改造后通信方式將具備數(shù)據(jù)流量、短信及北斗衛(wèi)星通信方式等多種通道信道，以GPRS為主信道，北斗衛(wèi)星和短信為備用信道，具體通信機制如下：

(1)GPRS用Modem模式先發(fā)送。若收到中心站回復的ACK回執(zhí)，則說明GPRS信道發(fā)送成功；若在規(guī)定時間內(nèi)未收到中心站ACK回執(zhí)，則說明GPRS信道發(fā)送不成功。

(2)啟用GSM信道發(fā)送。若收到基站回復的回執(zhí)，則說明GSM信道發(fā)送成功；若在規(guī)定時間內(nèi)未收到回執(zhí)，則說明GSM信道也發(fā)送不成功。

(3)這時再啟用BD信道發(fā)送，BD無回執(zhí)，發(fā)送完就默認成功，結束本次通信。

(4)如果BD仍然未發(fā)送成功(測站不知情)，那中心站就會缺數(shù)，但測站RTU固態(tài)存儲中仍然存有相關數(shù)據(jù)，可以在通信恢復后，人工從中心站遙測采集平臺下發(fā)數(shù)據(jù)補傳指令，將RTU固態(tài)存儲中的數(shù)據(jù)補傳至中心站。

具體通信機制流程如圖2所示：

圖2 通信機制流程圖

GSM通信終端技術性能指標主要包括以下方面：電源方面要求供電電壓為5V DC～32V DC，空閑功耗小于2mA@12V，GPRS通信平均功耗100mA@12V，空閑時設備仍和GSM基站保持信號連接，可以接收短信或GPRS數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流量終端技術性能指標包括以下方面：支持GPRS，供電電源范圍在DC5～12V，尋址方式的動態(tài)IP地址數(shù)據(jù)中心DNS域名尋址且支持固定IP地址數(shù)據(jù)中心，功耗為峰值電流≤11mA@+12VDC，通信時平均電流≤48mA@+12VDC。

北斗衛(wèi)星終端相關技術指標包括以下方面：支持標準AT命令系統(tǒng)，接收信號誤碼率為≤1×10-5，通信接口為RS-232C且通信速率不低于9600波特；支持“校時”功能，雨霧衰減小于0.3db，傳輸時延小于5s，接收機靈敏度小于-157.6dbW；供電電源：9～32V DC，待機功耗≤6W，發(fā)射功耗≤120W，設備平均無故障工作時間為MTBF≥25000h。

3.3 充電控制器改造

充電控制器改造技術性能指標包括以下方面：太陽能充電控制器電壓為12V DC，具有自身功耗小、充電控制效率高的優(yōu)點，有防反充、防過充功能，能滿足最大充電電流需要，最大充電電流：6amps，最大自消耗電流為4mA，過放保護值11.1V(SOC=30%)，過放恢復值12.6V(SOC=30%)，充電電壓為13.7V，控制閥值為14.5V，最大充電電流(50℃)8A，工作環(huán)境溫度為-40℃～70℃。

3.4 機箱改造

本工程采用一體化機箱的形式安裝所有設備，RTU、通信設備、蓄電池等設備安裝在機箱內(nèi)，機箱立于混凝土基礎上，太陽能板及雨量計、氣象傳感器安裝在機箱上方。機箱具有良好的防護功能及防蟲功能，使得機箱內(nèi)部各設備免受外界環(huán)境因素的損害。

3.5 土建工程

為便于建設與維護管理考慮，雨量站選擇在四周比較空曠平坦，不受突變地形、樹木、建筑物和煙塵影響的地點，保證在降水傾斜時，四周地形或物體不至于影響降水落入觀測儀器內(nèi)。本次遙測站土建采用一體化室外裝置，將自動監(jiān)測站設備全部集成于機箱內(nèi)安放于樓頂，適應于野外長期工作，雨量筒底座基礎找平夯實后采用C15混凝土澆筑1m×0.4m×0.4m(長×寬×高)，澆筑時一體化機箱安裝預埋件同時澆筑，保持基礎預埋件頂面水平并保護好地腳螺栓，基礎回填土應分層夯實，可將天線與太陽能板固定于機箱上方的鋁合金筒上。

4 改造后情況

(1)遙測站改造完畢后，水情遙測數(shù)據(jù)(雨量、水位、電壓、溫濕度、充電狀態(tài)等)全部接入新水調(diào)自動化系統(tǒng)，并實現(xiàn)良好適配，各功能均可正常使用。試運行期間，設備運行良好，特別是在主汛期強雷擊、暴雨頻發(fā)的惡劣環(huán)境下也保證了水情數(shù)據(jù)傳輸及時、正確，未發(fā)生中斷現(xiàn)象。例如，2021年6月29日流域降中到大雨，局部暴雨過程，江邊街14：00—16：00時小時強降雨達60多毫米，查詢平臺數(shù)據(jù)接收情況，沒有發(fā)生遲報、漏報、誤報現(xiàn)象。

(2)試運行期間，遙測站設備運行穩(wěn)定、可靠，未發(fā)生舊遙測站設備故障多、數(shù)據(jù)中斷等情況，節(jié)約測站維護成本明顯。暢通率比改造前提高4個百分點，其逐月對比如圖3所示：

圖3 天一電廠水情測報系統(tǒng)改造前后逐月暢通率對比

(3)改造后，運維人員可以地面作業(yè)，避免了法拉第筒高處作業(yè)，維護十分方便，同時也減小高空墜落、掉入河中溺水的風險。

5 結論與改造意義

水情測報系統(tǒng)遙測站改造后能更加準確、可靠、及時地采集、傳輸水雨情信息，同時也能將遙測站的運行信息及時準確地傳遞至控制中心，便于運行維護人員實時掌握遙測站的運行狀態(tài)。新遙測站易于維護，明顯降低了高空墜落、溺水風險，能充分滿足水庫調(diào)度及生產(chǎn)管理的有關要求，在需要時可與上級主管部門的調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。

本次水情測報系統(tǒng)遙測站改造的技術也為同類型水電站水情遙測站改造提供了一定的借鑒作用及參考意義。