張 帥，梁明華

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 項目概述

尼泊爾上博迪克西水電站位于加德滿都東北方向約110 km 處，水電站為低壩長引水式，主要建筑物包括：混凝土重力壩、溢洪道、沉砂池、引水隧洞、調(diào)壓井、地面廠房等。電站裝機容量為2×22.5 MW、單機發(fā)電流量為18.4 m3/s，水電站于2001 年正式投產(chǎn)發(fā)電。2015 年經(jīng)尼泊爾大地震后引水管道破損，2016年經(jīng)歷了特大洪水事件，致使大壩主體工程損毀，廠房淹沒1 m，安裝間以下全部泡在水中長達6 個月。廠房所有系統(tǒng)基本全部損毀，通信系統(tǒng)中斷，修復(fù)困難。

2 改造背景

2015 年和2016 年本工程經(jīng)歷了兩次比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害事件。兩次事件分別造成了廠房、明裝壓力鋼管等設(shè)施不同程度的損壞。因此，業(yè)主決定停機并對損壞部位進行修復(fù)，同時借此機會將廠房與大壩之間的通信系統(tǒng)進行升級改造，以提升電站的運行效益，降低電站運行安全風(fēng)險。

電站原來的通信系統(tǒng)為架設(shè)架空線，敷設(shè)光纜和電話線，受自然災(zāi)害影響，雨季期間尼泊爾脆弱的通信系統(tǒng)不能保證全天候通信無中斷，基站隨時有可能停電、停網(wǎng)，架空線也經(jīng)常被泥石流沖壞，通信系統(tǒng)不能得到保證，不能隨時掌握大壩水位水情，給電站帶來了極大的安全隱患，隨時面臨停機檢修。根據(jù)業(yè)主訴求，此次改造將電話系統(tǒng)、監(jiān)控CCTV 系統(tǒng)以及大壩現(xiàn)地控制單元LCU 同時接入廠房中控室，保證隨時監(jiān)控大壩水位和設(shè)備安全。因此，基于業(yè)主的技術(shù)要求、安全要求及成本預(yù)算、現(xiàn)場現(xiàn)有條件等幾方面因素考慮，確定此次通信系統(tǒng)升級改造的技術(shù)研究方向及目標(biāo)。

3 通信系統(tǒng)升級改造過程探討

3.1 現(xiàn)場條件分析

廠房在大壩下游側(cè)3.4 km 處，經(jīng)度85.926 92°e，緯度27.913 19°n，海拔高度1 377 m；大壩經(jīng)度85.944 08°e，緯度27.939 43°n，海拔高度1 462 m，處于喜馬拉雅山脈，地質(zhì)差，經(jīng)常發(fā)生泥石流、地震等自然災(zāi)害，所以對于選址和設(shè)計要求極高。廠房與大壩之間不能直接目視看到，中間山體遮擋，不能選用直線的微波傳輸，且樹木林立，對信號傳輸影響很大，需對有影響的樹木進行砍伐，避免干擾信號傳輸，當(dāng)?shù)厣鐣h(huán)境復(fù)雜，征地困難，故不能選用以前架空線，且架空線容易斷，維護費用昂貴且維護困難，自然災(zāi)害頻發(fā)，不能保證在雨季期間的安全，電站機組停機會造成巨大的經(jīng)濟損失。經(jīng)現(xiàn)場勘測，在距離廠房上游1 km 的河岸對側(cè)山肩處適合設(shè)置中繼站，經(jīng)度85.929 57°e，緯度27.921 92°n，海拔高度1 500 m，通過天線傳至大壩，中繼站位于山肩，電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，若采用有源中繼站，需穩(wěn)定電力，山肩的光照時間不足，如采用光伏發(fā)電需配備很大的電池組，增加后期運行維護難度，經(jīng)過與業(yè)主、廠家以及設(shè)計溝通，確定采用無源中繼站，無源中繼站運行維護成本低，安裝方便，通信傳輸效果不亞于普通中繼站，能保證電站使用裕度充足，如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場勘測地形圖

3.2 通信系統(tǒng)升級改造內(nèi)容

目前國內(nèi)通信系統(tǒng)大多選用光纜等，信號穩(wěn)定，架設(shè)方便，便于維修，國內(nèi)有龐大的市場，安裝費用低，維護容易。但是尼泊爾由于國家地理條件因素，經(jīng)濟落后，當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素和社會因素導(dǎo)致無法使用較方便的光纜傳輸，通過對比，采用微波傳輸?shù)姆绞?。中繼站由于沒有電源供應(yīng)，采用無源天線，通過波導(dǎo)電纜連接，大壩與廠房之間互相傳輸數(shù)據(jù)方向如圖2 所示。經(jīng)設(shè)計初步計算，在大壩側(cè)與廠房側(cè)，選用1.8 m 拋物面天線，在中繼站選用1.2 m 拋物面天線。中繼站為無源中繼站，只需要安裝中間的波導(dǎo)電纜即可，大壩與廠房側(cè)，通過天線連接ODU，將傳輸來的微波信號轉(zhuǎn)換為電信號，后連接IDU 將電信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸給廠房和大壩的中控室，實現(xiàn)對側(cè)數(shù)據(jù)互相傳輸，盤柜內(nèi)設(shè)UPS 不間斷電源，確保停電情況下無線通信正常運行。

圖2 信號傳輸方向

微波通信系統(tǒng)原理為：在工作時，如大壩數(shù)據(jù)傳輸至廠房，由大壩CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、現(xiàn)地控制單元發(fā)出數(shù)據(jù)至大壩側(cè)VPN 服務(wù)器，服務(wù)器將光信號傳輸至IDU1,經(jīng)IDU1 處理為電信號傳輸至ODU1，通過天線發(fā)送8 GHz 頻率的無線電信號，轉(zhuǎn)換為微波信號傳輸至無源中繼站，中繼站傳至對側(cè)天線，對側(cè)天線接收微波信號至ODU2，轉(zhuǎn)換為電信號傳至IDU2，經(jīng)IDU2 轉(zhuǎn)換成光信號傳輸至廠房，數(shù)據(jù)傳輸為實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)延時30 ms 以內(nèi)，廠房至大壩同理反向傳輸，以此實現(xiàn)大壩和廠房之間的通信傳輸，原理圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸原理圖

VPN 服務(wù)器原理：廠房側(cè)VPN（B）網(wǎng)關(guān)在接收到大壩側(cè)VPN（A）發(fā)出的訪問數(shù)據(jù)包時對其目標(biāo)地址進行檢查，如果目標(biāo)地址屬于大壩側(cè)的地址，即可判定為VPN 數(shù)據(jù)包，并對該數(shù)據(jù)包進行解包處理。解包的過程主要是先將VPN 數(shù)據(jù)包的包頭剝離，再將數(shù)據(jù)包反向處理還原成原始的數(shù)據(jù)包。從廠房側(cè)VPN(B)返回大壩側(cè)VPN(A)的數(shù)據(jù)包處理過程和上述過程一樣，這樣兩個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端就可以相互通信了。通過上述說明可以發(fā)現(xiàn)，在VPN 網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)包進行處理時，有個參數(shù)對于VPN 通信十分重要，即原始數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址（VPN 目標(biāo)地址），它在通信中建立了鏈接通道，所以需要對整個電站的通信設(shè)備進行IP 分配。

需要注意的是，整個系統(tǒng)需要具備在惡劣天氣下工作的能力，因為惡劣天氣容易發(fā)生自然災(zāi)害，更加需要實時監(jiān)測大壩的水情動態(tài)以及設(shè)備情況，及時發(fā)出指令，控制大壩閘門以及啟閉機，同時將廠房側(cè)的機組發(fā)電數(shù)據(jù)傳輸至大壩，以便調(diào)整水位，因此需要將天線數(shù)據(jù)傳輸裕度調(diào)整至最大，保證在惡劣天氣以及大風(fēng)天氣下，上傳與下載數(shù)據(jù)傳輸正常。

3.3 改造安裝實施過程

3.3.1 1.8 m 拋物面天線安裝

首先根據(jù)圖紙要求，在選址處澆筑1.5 m×1.5 m×1.5 m 的底座鎮(zhèn)墩平臺，并且預(yù)埋天線支架地腳螺栓，天線安裝抱桿直徑為Φ114 mm，有效長度大于1 100 mm 的抱桿垂直、牢固地固定在天線安裝位置。在抱桿相同的高度上，應(yīng)有合適的支撐點用于固定天線微調(diào)拉桿，防止在極端天氣天線方位角發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成信號丟失。

天線安裝時，應(yīng)根據(jù)安裝手冊按步驟逐步安裝天線，需要注意的是，在天線吊裝時，注意天線極化方向，大致方位角等，安裝完成后，為了提高天線的抗風(fēng)能力，及時安裝側(cè)向拉桿，并調(diào)整天線位置與對側(cè)站方位，如圖4 所示。

圖4 1.8 m 天線

3.3.2 1.2 m 拋物面天線安裝

兩臺1.2 m 天線設(shè)在中繼站，一面對向大壩方位，另一面對向廠房方位，安裝方法與1.8 m 天線相同，粗略確定方位，根據(jù)電路設(shè)計，用目測或指北針粗略確定天線的方位，安裝完成后做好接地防雷措施，如圖5 所示。

圖5 1.2 m 天線

4 臺天線全部安裝完成后，采用全站儀對每組（對應(yīng)的兩個）天線進行方位和仰角定位，通過全站儀模擬天線上下左右4 個邊的實際位置，計算對側(cè)應(yīng)調(diào)整的距離，將每組天線粗略定位，簡化后續(xù)頻譜儀調(diào)整的步驟，節(jié)約安裝調(diào)試時間。

3.3.3 饋源安裝與波導(dǎo)線安裝

饋源安裝前首先要向當(dāng)?shù)卣④婈牸半娦挪块T報備確定天線極化方向，避免與政府通信沖突，并告知當(dāng)?shù)卣ㄐ蓬l率以及設(shè)備參數(shù)，若采用垂直極化，則所有天線都采用垂直（H）極化，反之則采用水平（V)極化，不可采用其他極化方向，通過饋源壓塊固定，如圖6 所示。

圖6 天線極化調(diào)整

波導(dǎo)線安裝時，注意安裝極化響應(yīng)，用螺栓固定，室外安裝接頭部分縫隙全部填滿硅膠，防止進水，波導(dǎo)線安裝時需將其固定在支架上，防止大風(fēng)、地震等災(zāi)害。

3.3.4 通信設(shè)備安裝

由于中繼站為無源中繼站，不需要安裝設(shè)備，僅做方位調(diào)整，大壩與廠房側(cè)饋源安裝后使用低損耗電纜連接饋源與ODU，同樣需要在接頭處灌硅膠，ODU 與IDU 采用中頻電纜連接，中頻電纜長度應(yīng)符合要求，由IDU 輸出至VPN 服務(wù)器，由服務(wù)器對其數(shù)據(jù)包進行解碼，通過檢查IP 地址，分別發(fā)送到對應(yīng)的設(shè)備。

在通信盤柜內(nèi)安裝48 V 不間斷電源，保證在停電期間通信設(shè)備正常運行，48 V 電源電池組需保證至少5 h 的容量。

3.3.5 設(shè)備調(diào)試與試運行

天線調(diào)整在大壩與廠房設(shè)備安裝完成之后，能發(fā)送數(shù)據(jù)時，且在中繼站波導(dǎo)線安裝之前，使用頻譜儀確定天線信號強度，通過調(diào)整螺栓調(diào)整天線方位并固定，分別將中繼站對廠房和大壩側(cè)信號調(diào)整至最大，安裝波導(dǎo)電纜，全部安裝完成后，電測兩側(cè)信號，無線電信號電壓在3 V 以上，滿足通信信號強度，通過廠家對兩側(cè)IDU 設(shè)備進行內(nèi)部數(shù)據(jù)設(shè)定，保證數(shù)據(jù)收發(fā)正常。

全部安裝完成后，將無線通信連接至廠房電腦，輸入win+r →CMD →pin+對側(cè)IP 地址，測試數(shù)據(jù)收發(fā)包有無丟失，并檢測信號強度與延時信息，根據(jù)信息提示判斷通信正常，連接設(shè)備，測試電話接打正常，CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)畫面正常，無延時，同時運行后，檢查系統(tǒng)連續(xù)7 d 的性能數(shù)據(jù)，以及最近3 d 每15 min 的性能數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有利于分析微波鏈路性能的穩(wěn)定性。

設(shè)備在運行期間要定期維護保養(yǎng)，每3 個月要對電池組進行一次充放電測試。室外的通信接頭定期檢查密封性，保證通信饋源、電纜內(nèi)部干燥，定期檢查通信盤柜內(nèi)部設(shè)備運行狀態(tài)，定期檢查收信電平數(shù)值，檢查報警信息等。

4 設(shè)備使用效果

2021 年9 月下旬，通信系統(tǒng)設(shè)備安裝調(diào)試完成，并通過業(yè)主的驗收，設(shè)備使用正常，發(fā)送與接收包正常，基本無延時，2022 年4 月，天氣突變，大風(fēng)9 級以上并伴隨冰雹，設(shè)備運行檢測傳輸數(shù)據(jù)收發(fā)正常，數(shù)據(jù)包無丟失，設(shè)備延時20 ms，通信傳輸裕度符合初步設(shè)計要求。

無線通信設(shè)備自投運半年以來，未發(fā)生任何中斷現(xiàn)象，給電站運行提供安全保證，保證了大壩與廠房之間通信正常，及時提供水位水情信息。

5 結(jié)束語

經(jīng)過此次對通信系統(tǒng)的應(yīng)用改造，實現(xiàn)了電站大壩與廠房之間的通信安全，解決了水電站運行過程中的實際問題，取得了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟效益，也避免了停機帶來的安全隱患與經(jīng)濟損失，保障了業(yè)主的切身利益，對類似水電站及建筑工程存在的類似安全問題具有借鑒意義。