羅閘河一級水電站水情自動測報系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李 匡，郝 建，張 力

（1.中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038；

2.江河機電裝備工程有限公司，北京100070；3.湖北黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰442000）

水情自動測報系統(tǒng)采用先進的現(xiàn)代科技方法對水文信息，如雨量、水位、流量等進行實時采集，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理傳輸至中心站，結合專業(yè)水文知識進行在線洪水預報，為運行人員提供滿足江河流域防洪、水庫安全度汛、水資源利用以及其他綜合利用要求的科學決策方案，在水利部門及水電廠有著廣泛的應用[1]。狹義的水情自動測報系統(tǒng)主要指遙測站的建設和數(shù)據(jù)的采集傳輸，以及用收集到的數(shù)據(jù)進行洪水預報。而廣義的水情自動測報系統(tǒng)不僅包括遙測站的建設，還包括在收集到的數(shù)據(jù)基礎上進行的水務信息計算、洪水調度、發(fā)電計劃制作、與上級調度部門數(shù)據(jù)通信等高級應用功能。目前我國建設的中小水電站較多，其水情自動測報系統(tǒng)多為廣義上的水情自動測報系統(tǒng)。

1 流域及電站簡介

羅閘河流域地處云南省滇西橫斷山脈高山峽谷區(qū)，是瀾滄江上游右側的一條一級支流，發(fā)源于昌寧縣境內，流域集水面積3231km2，干流河長190.2km，多年平均年降水量約1300mm，多年平均年徑流量21.7億m3。

羅閘河一級電站位于羅閘河干流下游峽谷河段，距云縣縣城36km，其壩址以上集水面積3075km2。工 程 區(qū) 地 理 坐 標：北 緯 24°29′37″～24°30′26″，東 經(jīng)100°19′16″～100°24′30″。水庫正常蓄水位 1012.5m，相應正常庫容1150萬m3，死水位1007m，相應死庫容712萬m3，水庫具有日調節(jié)性能。電站裝機容量為2×15MW。

羅閘河流域氣候屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，根據(jù)云縣氣象站提供的氣象資料統(tǒng)計，壩址多年平均年降水量908.5mm，多年平均氣溫18.6℃，極端最高氣溫37.6℃，極端最低氣溫-0.6℃，年最大風速19m/s（為西南風和東北風），多年平均雷暴日數(shù)50天。流域汛枯分明、夏濕冬干，汛期為5月至10月，降水量占全年85%，徑流量占全年的70%以上。太平關站以上洪水主要發(fā)生在汛期的7月和8月份，而以7月下旬和8月上、中旬居多。據(jù)太平關站46年實測洪水資料統(tǒng)計，年最大洪水發(fā)生在7月份和8月份的年數(shù)占75%。

羅閘河一級水電站壩址上游9.4km的太平關水文站控制了近95%的集水面積，羅閘河一級電站設計年徑流直接移用太平關水文站年徑流頻率分析計算成果，但經(jīng)集水面積比例修正。根據(jù)太平關水文站年徑流頻率分析計算的成果，經(jīng)集水面積比例修正后可得到壩址多年平均年徑流量為20.6億m3，多年平均流量65.3m3/s[2]。

2 系統(tǒng)建設目標

羅閘河一級水電站水情自動測報系統(tǒng)建設任務主要包括遙測站建設、中心站網(wǎng)絡建設、中心站軟件建設等三項內容。建設目標是：基于新建的水文站、水位站、雨量站采集的實時信息，從計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集的機組工況、有功、發(fā)電量等信息，從閘門自動控制系統(tǒng)采集的閘門開度信息，以實時水情數(shù)據(jù)庫、歷史水情數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，開發(fā)集水情測報、洪水預報、水務計算、數(shù)據(jù)上傳為一體的水情測報系統(tǒng)，實時掌握流域雨水情信息，實時計算電站的水務運行數(shù)據(jù)并上傳到云南省電網(wǎng)公司，為電站的安全運行，提高電站的水能利用效率提供決策支持。

3 系統(tǒng)遙測站建設

3.1 系統(tǒng)遙測站網(wǎng)布設方案

遙測站網(wǎng)的布設應考慮測量精度、地理位置、交通等各方面條件，使得在經(jīng)濟合理的投資下，所布設的站點能準確地對流域降雨量、水位、流量等進行測量[3]。羅閘河一級水電站以上建設有南河電站，和羅閘河一級水電站是同一個公司開發(fā)的，因此可以共享南河電站的出庫流量，尾水位等信息。本著滿足需要，節(jié)省投資的目的，本次遙測站布設區(qū)間為南河電站到羅閘河一級電站區(qū)間。根據(jù)本系統(tǒng)建設的目標任務，經(jīng)過圖上初步選點、現(xiàn)場勘察、信道測試比較、與用戶設計聯(lián)絡確認等工作環(huán)節(jié)，最終在流域布設小羅扎、小定喜2個雨量站，壩上、壩下2個水位雨量站。其中雨量站用以滿足流域水情監(jiān)視、洪水預報及安全度汛的需要。而壩上、壩下測站不僅可以滿足安全度汛的需求，而且還能滿足運行期水務計算的需要。

3.2 遙測站結構及功能

遙測站由傳感器、采集終端（RTU）、供電系統(tǒng)、通信模塊、防雷設備等組成，其中RTU是遙測站的核心，實現(xiàn)將傳感器測量的數(shù)據(jù)處理并將其發(fā)送到中心站的功能。遙測站的相關參數(shù)，例如報送閾值、定時發(fā)送間隔等可以通過遠程設置。遙測站結構圖見圖1。

3.3 遙測站傳感器選型、通信信道選型及供電設計

圖1 遙測站結構示意圖

本系統(tǒng)雨量傳感器選用1mm測量精度的翻斗式雨量計。壩上水位站選用雷達式水位計、壩下水位站選用壓力式水位計；經(jīng)過對各遙測站點現(xiàn)場勘察，羅閘河一級電站GSM通信信道良好，因此系統(tǒng)采用GSM信道通信方式；通過系統(tǒng)遙測設備功耗分析計算，本系統(tǒng)雨量站電源配置為20W太陽能光板，38AH蓄電池；水位站電源配置為40W太陽能光板，76AH蓄電池，能滿足連續(xù)45d陰雨氣象條件下的測站供電需求。

4 中心站設計及關鍵功能開發(fā)

中心站負責遙測站信息接收與處理、機組監(jiān)控信息采集、數(shù)據(jù)庫管理、水務數(shù)據(jù)計算、水情信息上傳等，包括中心站網(wǎng)絡平臺和中心站軟件2部分。

4.1 中心站網(wǎng)絡平臺設計

羅閘河一級水電站水情自動測報系統(tǒng)設立一個中心站，中心站是系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要功能在此集成，通過計算機系統(tǒng)的方式實現(xiàn)。中心站主要由網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)庫，中心站軟件系統(tǒng)等部分組成。中心站包括數(shù)據(jù)庫服務器、通信服務器、工作站、打印機、交換機、防火墻、GSM接收模塊、機柜等。

其中數(shù)據(jù)庫服務器負責接收遙測雨水情信息，各種報表數(shù)據(jù)，中心站軟件數(shù)據(jù)等，操作系統(tǒng)采用Windows Server 2012，數(shù)據(jù)庫軟件采用Microsoft SQL Server 2012；通信服務器負責與計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信，操作系統(tǒng)采用Windows Server 2012，由于監(jiān)控系統(tǒng)位于安全I區(qū)，水情自動測報系統(tǒng)位于安全II區(qū)，因此需要用防火墻對其隔離；工作站上安裝水情自動測報系統(tǒng)中心站軟件，值班人員進行中心站軟件操作在此機器上進行，操作系統(tǒng)采用Windows XP。

羅閘河一級電站上傳到云南省電網(wǎng)數(shù)據(jù)通道與羅閘河二級電站共用，因此需要先將羅閘河一級電站相關水情信息數(shù)據(jù)傳送到羅閘河二級的服務器上，然后再從羅閘河二級上傳到省電網(wǎng)公司。羅閘河一級電站和羅閘河二級電站之間的通道采用光纖傳輸。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 羅閘河一級水電站水情自動測報系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

4.2 中心站軟件總體設計

中心站軟件的功能是實現(xiàn)對遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、展示，實現(xiàn)對機組監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)水務報表的計算、水情及水務信息的上傳等。

4.3 中心站軟件主要功能

中心站軟件供值班人員操作使用，值班人員可以利用此軟件查看實時的雨水情信息，報表信息，遙測站信息等，并可以通過此軟件遠程修改野外遙測站的參數(shù)等。主要功能有數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、監(jiān)視預警子系統(tǒng)、查詢分析子系統(tǒng)、水務計算子系統(tǒng)、值班管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、洪水預報子系統(tǒng)、水庫調度子系統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、資料整編子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)等。

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括雨水情數(shù)據(jù)采集、機組信息采集、閘門開度信息采集：雨水情數(shù)據(jù)采集遙測站發(fā)送的水位、雨量等信息，并對接收的水位、雨量等信息進行校檢、糾錯、插補、整理、儲存等功能。并可對遙測站實施在線管理（如參數(shù)設置、召測數(shù)據(jù)等）；機組數(shù)據(jù)采集計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的機組信息，包括工況，出力等信息，供報表計算使用；閘門開度信息從閘門自動控制系統(tǒng)中采集，用于計算下泄流量。

（2）監(jiān)視預警子系統(tǒng)

監(jiān)視預警子系統(tǒng)對系統(tǒng)的水雨情信息、設備故障信息、設備電壓信息等進行監(jiān)測及報警；支持以屏幕顯示，或以語音等方式輸出報警事件；報警內容、報警限值、報警方式以及報警對象均可設置。

（3）查詢分析子系統(tǒng)

系統(tǒng)采用豐富專業(yè)的圖形和表格等形式展示水情水調實時動態(tài)數(shù)據(jù)；可進行各類相關數(shù)據(jù)的對比分析等；在GIS地圖上實現(xiàn)流域監(jiān)視和查詢功能。

（4）水務計算子系統(tǒng)

包括水庫調度時段報表計算，計算出庫、入庫、發(fā)電、下泄等流量信息；水庫調度日、周、旬、月、季、年統(tǒng)計報表；專項統(tǒng)計報表；流量過程線繪制及洪水要素和特征值統(tǒng)計功能。

（5）值班管理子系統(tǒng)

值班管理子系統(tǒng)是為了滿足系統(tǒng)管理人員的日常工作需求的軟件系統(tǒng)。功能包括：交接班管理；靜態(tài)曲線管理；手工編輯數(shù)據(jù)，包括水位、閘門啟閉信息、機組出力工況信息等的插補，修改等；設備運行維護信息管理等。

（6）數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

提供對整個數(shù)據(jù)庫進行管理的工具，可對所有數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)進行維護，包括數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)導入導出、數(shù)據(jù)庫操作日志查詢、數(shù)據(jù)庫備份、數(shù)據(jù)庫恢復等、分配不同級別用戶權限等。

（7）洪水預報子系統(tǒng)

包括洪水期水情預報方案，枯期水情預報方案，中長期水情預報方案等；多種預報模型選擇；預報模型庫及參數(shù)管理；預報方案管理；預報模型參數(shù)自動率定；自動洪水預報，實時滾動預報；人工洪水預報；模擬降雨預報；預報成果查詢，發(fā)布等；歷史洪水查詢，分析，選取等；數(shù)據(jù)預處理等。

（8）水庫調度子系統(tǒng)

水庫調度子系統(tǒng)包括防洪調度和發(fā)電調度。防洪調度包括調洪演算、泄洪決策、洪水統(tǒng)計；按照水庫調度方式與規(guī)則自動生成調度方案；根據(jù)實時雨水情人工交互生成調度方案；按照上級下達的決策生成調度方案；對多種調度方案自動優(yōu)選；調度成果查詢等。發(fā)電調度包括制定水電站及水庫運用計劃、實時發(fā)電計劃、短期發(fā)電調度計劃以及中長期發(fā)電計劃等。

（9）用戶管理子系統(tǒng)

對系統(tǒng)用戶進行管理，包括對用戶權限、角色進行分級，新增、刪除用戶，修改用戶密碼等。

（10）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)

主要包括：系統(tǒng)菜單設置；用戶管理；系統(tǒng)統(tǒng)計分析，統(tǒng)計任意時段系統(tǒng)通信情況、設備運行情況等信息；系統(tǒng)參數(shù)設置，設置關鍵進程及功能模塊運行參數(shù)；系統(tǒng)診斷測試，通過在線、離線測試，診斷系統(tǒng)遙測及網(wǎng)絡設備故障等。

（11）資料整編子系統(tǒng)

對流域的雨水情信息進行整編，包括小時、日、旬、月、年等時段的水位、流量、雨量等資料以及洪水要素摘錄資料。

（12）數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)

負責上傳云南省電網(wǎng)公司要求的水情信息，包括電站的時段及日入庫流量、出庫流量、發(fā)電流量、棄水流量、流域平均降雨，實時、時段水位信息，時段雨量信息，實時閘門開度信息等。

5 系統(tǒng)建設實施與運行

系統(tǒng)建設經(jīng)歷了現(xiàn)場查勘、方案設計、設備生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝調試等階段，安裝調試工作于2018年7月25日順利結束，于7月31日完成系統(tǒng)初步驗收，投入試運行。

系統(tǒng)實現(xiàn)了羅閘河一級水電站流域的雨量、水位等信息的自動采集；實現(xiàn)了電站入庫流量的預報；實現(xiàn)了電站水務信息，包括入庫流量、出庫流量、發(fā)電流量、下泄流量的自動計算；將計算的水務信息實時傳送到云南省電網(wǎng)公司。系統(tǒng)的建成為電站的安全運行提供了決策支持作用，有效地減輕了值班人員的工作量。