新型串口視頻轉換終端在水情測報中的應用

楊金標，舒 凱，張后來，鄭福猛，賀 鵬

[南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

近年來，國際國內大力發(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行管理中水情自動測報系統(tǒng)（以下簡稱水情系統(tǒng)）屬于薄弱環(huán)節(jié)，因建設條件、維護要求及建設成本制約，水情系統(tǒng)中心站主要建設在大中型電站，水情遙測信息直接發(fā)往中心站，在抽水蓄能電站、中小水電站或測站現(xiàn)場無法直接獲得水情信息，一定程度上影響發(fā)電調度。

為此，需探索新的水情系統(tǒng)建設模式，以較低的建設成本和簡單的部署方式，將水情信息在抽水蓄能電站、中小水電站或測站現(xiàn)地進行展示和分析，指導現(xiàn)場調度工作。

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

1 抽水蓄能電站及中小水電站水情測報系統(tǒng)現(xiàn)狀及不足

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

水情自動測報系統(tǒng)（簡稱水情系統(tǒng)）是集通信、計算機、水文和遙測等先進科學于一體的多學科系統(tǒng)工程[3]，是電站調度自動化的基礎。我國水情自動測報系統(tǒng)建設從20世紀80年代起步，經(jīng)過不斷發(fā)展，目前全國大型電站已基本建立水情測報系統(tǒng)，并成為生產運行中的重要支撐系統(tǒng)，為電站安全度汛和經(jīng)濟運行發(fā)揮巨大作用。

1.2 主要不足

因建設條件、維護要求及建設成本制約，目前水情系統(tǒng)中心站主要建設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)建設方面相對薄弱，主要體現(xiàn)在兩個方面：

（1）大部分抽水蓄能電站及中小水電站無水情系統(tǒng)建設，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站，但水情數(shù)據(jù)均直接發(fā)往流域集控中心，測站現(xiàn)場無法直接獲得水情信息，導致現(xiàn)場無法精細化調度。

（2）少量抽水蓄能電站及中小水電站雖建有水情分中心，但須部署服務器以及遙測采集平臺、水調平臺、數(shù)據(jù)庫等一整套系統(tǒng)。這種模式建設成本高，且日常運行維護工作量大，對維護人員計算機水平要求高，不利于推廣應用。

1.3 改進方向

為改進抽水蓄能電站及中小水電站水情系統(tǒng)建設的不足，需探索新的建設模式，以較低的建設成本、簡單的部署方式，將水情信息在測站現(xiàn)地進行展示、處理和直觀分析，指導現(xiàn)場調度工作，同時，降低日常維護工作量和維護難度，便于推廣應用。

2 新型串口視頻轉換終端功能設計

2.1 功能介紹

新型串口視頻轉換終端是專為水文站、水庫站、閘泵站等設計的一款實時信息展示轉換模塊。它采用ARM+FPGA架構，能夠實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的實時顯示。利用RS232串口接收遙測采集終端設備中的雨量、水位、溫濕度等實時數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)存儲和處理，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。該終端自帶內部FLASH，能存儲字庫和圖片信息，包括水位過程線和整點水位值等，并具備基本數(shù)據(jù)處理功能，進行累加計算或差值計算，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卡存儲設備。

2.2 設計方案

2.2.1 硬件結構設計

串口視頻終端主要硬件結構有ARM處理器、FPGA現(xiàn)場可編程門陣列、TF卡、內部flash、實時時鐘、串口、VGA接口等，其示設計示意圖如圖1所示。

2.2.2 軟件流程設計

圖1 硬件結構設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware structure design

圖2 軟件結構設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of software structure design

串口視頻終端軟件數(shù)據(jù)處理流程主要設計思路為：通過串口接收數(shù)據(jù)源，并對數(shù)據(jù)進行解碼處理和存儲；然后圖形繪制軟件調用數(shù)據(jù)和圖形庫，進行圖形顯示；同時，利用界面刷新程序定時刷新數(shù)據(jù)和圖形。主要數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

3 新型遙測集成方式

3.1 新型遙測集成方式

串口視頻終端設備的集成十分靈活、簡便，可以通過有線/無線的方式將傳感器或者RTU的數(shù)據(jù)接入串口視頻轉換終端。在終端上有2個RS232串口，可以RS232的方式接入，也可通過無源RS232-485轉換器經(jīng)長距離布線接入，或通過無線電臺、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，在一些特殊應用場合，也可定制開發(fā)多路數(shù)據(jù)接入。在集成時，可通過定制開發(fā)對設計不同的界面風格或展示模式。集成示意圖如圖3所示。

3.2 與現(xiàn)有集成模式對比

3.2.1 幾種模式各自特點

現(xiàn)有遙測站普遍采用數(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，其主要特點如下：

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

（2）分中心落地模式為：測站現(xiàn)場部署服務器，直接通過遙測采集平臺從遙測站接收數(shù)據(jù)，利用水情人機界面系統(tǒng)展示分析水情信息。此模式雖然功能強大，但建設成本高，且對現(xiàn)場環(huán)境要求較高，需具備機房條件用于服務器工作站的正常運行，后期維護工作量較大，需測站值班人員具有相當?shù)挠嬎銠C系統(tǒng)維護能力。因此，僅在部分特別重要站點才以此種方式集成。

（3）利用串口視頻終端進行集成模式主要有以下特點：設備的安裝方式簡單，僅需增加一臺顯示器、一個串口視頻終端即可；設備運行對環(huán)境要求較低，只需提供220V交流電即可正常運行；無需人工干預，接通即可顯示，系統(tǒng)維護簡便；由于該設備可定制配置，因此顯示的信息可足夠測站分中心的日常調度生產需求，即使遭遇極端惡劣天氣導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做出調度決策。

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 幾種模式對比分析

三種測站集成模式對比如圖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，從設備清單、功能特點、部署要求、建設成本、維護難度、抗災能力等六個方面進行對比，對比分析情況如表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)有測站集成模式相比具有功能強大、部署要求低、建設成本較低（串口視頻終端集成模式比數(shù)據(jù)直傳中心站僅多一個串口視頻終端和顯示屏，增加成本在1萬元以內；而分中心落地模式需購置服務器及采集、展示軟件，成本在5萬元以上）、維護難度低、抗災能力強等顯著優(yōu)點，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、水文測站等應用場合建設。

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

4 應用實例

貴州某流域建有兩庫7級梯級水電站，擔負著流域防洪度汛、電網(wǎng)調峰調頻、城市供水以及旅游景觀等重要任務。該流域建有水情測報系統(tǒng)，中心站部署于集控中心，各梯級電站壩址有發(fā)電廠房及運行值班室，壩上下均建有水位雨量測站。原水情測報系統(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，各電站運行值班室無法自動獲取水情信息，汛期只能采用人工觀測水尺或電話集控中心方式獲取實時水雨情，給生產調度帶來極大不便。

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)。在各梯級生產值班室安裝串口視頻終端和顯示器，單站建設成本僅8千元，從各自壩上下測站鋪設四芯屏蔽電纜至值班室接入串口視頻轉換終端，通過轉換終端的存儲、計算和處理，將實時水位雨量信息展示在顯示屏上，并進行水位過程線、日累計雨量、壓差、毛水頭等信息的展示，水情信息一目了然，極大地方便了梯級電站日常生產調度工作的開展。其展示畫面如圖5所示。

圖5 應用實例展示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前時間，左側為最新實測數(shù)據(jù)，右側為近24小時的庫水位和尾水位過程線。壓差根據(jù)庫水位和攔污柵后水位（未展示）相減得到，毛水頭根據(jù)庫水位和尾水位相減得到。

本次改造的壩上下測站數(shù)據(jù)視頻展示方式自2016年4月建設完成后，穩(wěn)定運行，7個梯級電站均未出現(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、移動通信網(wǎng)絡受阻、部分遙測站通信不暢，電站現(xiàn)場值班人員夜間無法人工觀測水尺。得益于串口視頻終端的應用，其現(xiàn)地水情展示未受惡劣天氣影響，使得電站現(xiàn)場值班人員在值班室內仍可實時監(jiān)控庫水位，從容調度，安全抗洪度汛。

5 結束語

根據(jù)前文分析，串口視頻轉換終端方式集成的水情測報系統(tǒng)可在抽水蓄能電站推廣應用，從上下庫水位站接入實時水位數(shù)據(jù)，在調度值班室監(jiān)視上下庫水位變動過程，指導調度運行。

為方便推廣應用，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)導入導出接口工具，利于工程實施。同時，為進一步提升水情信息監(jiān)測的直觀便利性，建議未來該視頻串口轉換終端和遙測采集終端同時升級，接入視頻監(jiān)控信息。