天湖電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)

滿運(yùn)明，賀 強(qiáng)，蔣傳明，劉黎昕

（1.廣西桂水電力股份有限公司天湖發(fā)電分公司，廣西 桂林 541500；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 概述

天湖水電站位于廣西壯族自治區(qū)全州縣才灣鎮(zhèn)境內(nèi)，水源區(qū)地處1 400 m 以上海拔高程，電站水頭高達(dá)1 074 m，為我國第一座水頭超過千米的水電站,多年平均降雨量約2 200 mm，地處桂林市主要暴雨形成區(qū)域，每逢汛期極易發(fā)生局部山地洪水，嚴(yán)重影響電站及周邊村鎮(zhèn)人員生命、財(cái)務(wù)安全。

經(jīng)調(diào)查，天湖水電站運(yùn)行至今，雖然也積累了一些水文氣象信息數(shù)據(jù)及洪水預(yù)案，還都處于紙制或計(jì)算機(jī)文本、文字版本，未進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和信息化處理，也未形成流域水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測和自動(dòng)化軟件支持，現(xiàn)階段無法滿足天湖水電站洪水預(yù)報(bào)、運(yùn)行期安全、電站發(fā)電調(diào)度等需求，建設(shè)水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)有著重要意義。

如何利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確收集流域水雨晴信息是防汛調(diào)度的關(guān)鍵，水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)、可靠、快速了解流域內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)水雨情、流量、氣象等水文信息重要手段，可為水庫的安全運(yùn)行提供科學(xué)管理的基礎(chǔ)資料及決策依據(jù)，有利于掌握洪水規(guī)律、科學(xué)調(diào)度指揮，將自然災(zāi)害所產(chǎn)生暴雨、洪水造成的損失降到最低，同時(shí)有利于增加發(fā)電效益。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)建設(shè)總體目標(biāo)

建設(shè)一套水情水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備對所屬區(qū)域內(nèi)雨水情自動(dòng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、分析、洪水預(yù)報(bào)及水庫調(diào)度等功能，同時(shí)考慮技術(shù)先進(jìn)性、性能可靠性、數(shù)據(jù)信息傳遞實(shí)時(shí)性及投資經(jīng)濟(jì)性。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

天湖電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：即遙測站、中心站。系統(tǒng)通信方式為GSM/GPRS?，F(xiàn)階段市場主流組網(wǎng)方案主要有超短波、GPRS/GSM移動(dòng)通信、衛(wèi)星等3 種，GPRS/GSM 移動(dòng)通信信道組網(wǎng)相比其它方式的優(yōu)點(diǎn)包括：①利用公共通信網(wǎng)絡(luò)，省去大量的建設(shè)和維護(hù)工作；②因?yàn)槭褂霉W(wǎng)，信道、頻道數(shù)量眾多，使用不受限制；不受距離、地形的影響；③通信質(zhì)量較好，具有極高的抗干擾、保密性；④數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)微小；⑤建設(shè)等級(jí)高，通信線路抗雷電、大風(fēng)等自然災(zāi)害襲擊能力強(qiáng)，同時(shí)不易受到人為或動(dòng)物破壞；⑥設(shè)備耗電小，費(fèi)用低廉。遙測站數(shù)據(jù)采集發(fā)送工作體制采用混合式，以定時(shí)向報(bào)為主，具備閥值自報(bào)、定時(shí)自報(bào)的功能，并能響應(yīng)中心站的召測和查詢。中心站具有數(shù)據(jù)管理、智能報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)報(bào)調(diào)度等應(yīng)用軟件功能。

2. 3 總體建設(shè)要求：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合國家、行業(yè)現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)具有可靠、實(shí)用、先進(jìn)、兼容性；

系統(tǒng)適應(yīng)通信環(huán)境的要求，具有較高的抗電磁干擾能力；

系統(tǒng)有集水文自動(dòng)測報(bào)、水情分析等功能為一體的接口，可形成一整套適應(yīng)地區(qū)區(qū)域水情信息采集的管理系統(tǒng)。

3 遙測站網(wǎng)布設(shè)方案

3.1 站網(wǎng)布設(shè)原則

天湖電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)遙測站網(wǎng)布設(shè)應(yīng)服從滿足水電站所屬流域總體防汛規(guī)劃和系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)及發(fā)電生產(chǎn)需要，符合設(shè)計(jì)原則和建設(shè)要求，并滿足洪水預(yù)報(bào)精度的要求，擬建設(shè)各遙測站，均地處桂北高寒地區(qū)，為桂林市主要暴雨形成區(qū)域且山欒疊嶂起伏，支流短小，造成洪水傳播時(shí)間短，瞬間水量大等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）將系統(tǒng)整體可靠性和實(shí)時(shí)性作為第一原則。

（2）所有遙測站布設(shè)在野外，各設(shè)備運(yùn)行都需適合野外惡劣環(huán)境，要求設(shè)備低功耗、防雷電、抗電磁干擾；還必須具備防高低溫、高濕度、防水等功能，達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測運(yùn)行、無需人工參與。

（3）本系統(tǒng)最大程度優(yōu)化遙測系統(tǒng)規(guī)模和節(jié)省投資。

3.2 布設(shè)方案

本系統(tǒng)的遙測站布設(shè)要求能較好地監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各重點(diǎn)水庫的水雨情變化。根據(jù)本系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)任務(wù)，確定中心站l 個(gè)，位于天湖電站水源管理工區(qū);水位雨量站遙測站4 個(gè)，雞公凸四級(jí)站、真寶頂水庫放水口、海洋坪放水口、天湖電站尾水渠，水位站 6 個(gè)，分別位于天湖水庫、茶坪水庫進(jìn)水口、放牛坪放水口、雞公凸三級(jí)、尾水一級(jí)前池、尾水二級(jí)前池，天湖前池流量站1 個(gè)，位于天湖發(fā)電站前池，共布設(shè)各類站點(diǎn)11 個(gè)，站點(diǎn)布置見圖1。

圖1 天湖電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)站點(diǎn)布置圖

4 遙測站設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)及主要功能

主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信終端和供電系統(tǒng)等四部分組成，見圖2。

圖2 遙測站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遙測站具備功耗低，適應(yīng)多種工作環(huán)境，各類型傳感器接入，方便的安裝調(diào)試方式，操作靈活。遙測站整體采用不繡鋼柜式結(jié)構(gòu)。

4.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)中所屬各處遙測站，所監(jiān)視各種水文要素發(fā)生變化，RTU 立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作、水文要素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)由遙測站通信設(shè)備上送至中心站通信接收設(shè)備，并且傳遞至接收計(jì)算機(jī)中，實(shí)時(shí)完成資料預(yù)處理后存入數(shù)據(jù)庫。

圖3 遙測站系統(tǒng)工作流程圖

4.3 設(shè)備選型

根據(jù)招標(biāo)文件和圖紙的要求，參照國內(nèi)類似工程的應(yīng)用實(shí)例，①可靠性和低功耗：本系統(tǒng)所屬各遙測站點(diǎn)均建設(shè)在桂北山區(qū)，自然條件復(fù)雜、汛期高溫高濕、冬季寒冷的無人值守的野外環(huán)境，現(xiàn)場無市電電源或線供電源，因此遙測站的低功耗設(shè)計(jì)尤其重要。遙測設(shè)備的低功耗不但可以減少遙測站整體耗電量，降低電源系統(tǒng)配置，延長工作時(shí)間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。②簡便性和通用性：設(shè)備具有操作簡便、功能齊全，能夠采集多種水文信息通用性。本系統(tǒng)遙測站RTU 全部選用國產(chǎn)HR9000-MB09 型數(shù)據(jù)采集器，雨量傳感器全部選用國產(chǎn)JDZ05-1 型翻斗式雨量計(jì)。

4.4 供電方案

建立單獨(dú)的供電系統(tǒng)，遙測站采用12 V 蓄電池供電，輔以太陽能充電，經(jīng)過綜合計(jì)算后，選用功率為20 W 的太陽能板一套，1 塊輸出電壓為12 V，功率為38 Ah 免維護(hù)蓄電池，內(nèi)置充電控制器。

4.5 遙測站土建方案

如今在市場水位計(jì)類型眾多，原理各不相同，國產(chǎn)投入壓力式水位計(jì)憑借無需測井，安裝便利、利用更換、價(jià)格低廉、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來，大量應(yīng)用在國內(nèi)水利水電工程中，本系統(tǒng)投入壓力式水位遙測站土建的主要工作相對簡單，內(nèi)容由兩大部分構(gòu)成：水位傳感器入水端設(shè)施、電纜護(hù)管等。

壓力式水位站點(diǎn)選址應(yīng)關(guān)注以下3 點(diǎn)：

（1）岸坡的穩(wěn)定性。應(yīng)避開容易發(fā)生滑坡坷塌等地質(zhì)災(zāi)害的地段。

（2）坡度的均勻性。應(yīng)在最大水位和最小水位變化范圍之內(nèi)，選擇坡度較直且比較均勻地段。

（3）水流的平緩性。應(yīng)避開水流強(qiáng)沖擊和泥沙易集中淤積的斷面。

5 中心站設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件功能

5.1 軟件系統(tǒng)建設(shè)要求和任務(wù)

軟件系統(tǒng)建設(shè)的要求是：由于工程涉及水庫較多，關(guān)系極及復(fù)雜。建立一套實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)雨水情自動(dòng)測報(bào)、快速匯集、洪水預(yù)報(bào)及水庫調(diào)度之功能，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理、雨水情信息查詢、預(yù)報(bào)軟件、調(diào)度軟件等所有功能集成為一個(gè)軟件系統(tǒng)。軟件功能如圖4。

圖4 軟件功能圖

5.2 系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體由三個(gè)主要部分組成，從底層到上層分別為數(shù)據(jù)庫、后臺(tái)服務(wù)端、前臺(tái)應(yīng)用端。后臺(tái)服務(wù)由多個(gè)獨(dú)立的服務(wù)程序組成，一方面從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，另一方面將數(shù)據(jù)整編處理后以接口方式提供給客戶端調(diào)用。前臺(tái)客戶端是由多個(gè)功能模塊組成一個(gè)交互程序，提供水調(diào)運(yùn)維人員全部的操作及界面。

系統(tǒng)在中心站及分中心各部署一臺(tái)服務(wù)器、一臺(tái)工作站，安裝同一套水情自動(dòng)測報(bào)軟件系統(tǒng)，兩地具備獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境及接收數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)的功能。中心站與分中心站之間連通網(wǎng)絡(luò)，兩套系統(tǒng)互為備份，軟件系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)同步功能，一地缺失數(shù)據(jù)可以從另一地自動(dòng)補(bǔ)錄。

5.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

按數(shù)據(jù)類型及時(shí)段進(jìn)行分類存儲(chǔ)。分類如下：

（1）遙測站采集的原始數(shù)據(jù)

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

（3）小時(shí)數(shù)據(jù)

（4）日數(shù)據(jù)

（5）旬月年數(shù)據(jù)

（6）預(yù)報(bào)未來水位流量數(shù)據(jù)

（7）不同方案調(diào)度的調(diào)度過程數(shù)據(jù)

（8）考核成果數(shù)據(jù)

（9）系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，包括用戶、權(quán)限、系統(tǒng)配置，計(jì)算參數(shù)等數(shù)據(jù)

5.4 應(yīng)用軟件功能開發(fā)

中心站應(yīng)用軟件主要功能是對所屬各遙測站，所發(fā)送的各型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)機(jī)、處理、存庫、分析、展示。包含以下應(yīng)用模塊:

（1）遙測數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)接收各遙測站所發(fā)送的各類水文數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)整編。將遙測站所發(fā)送的初始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)查詢。可使用表格、曲線圖及地圖等方式完成遙測數(shù)據(jù)查詢操作。

（4）數(shù)據(jù)報(bào)表。數(shù)據(jù)報(bào)表是數(shù)據(jù)的二次加工，將不同類型、不同時(shí)段的數(shù)據(jù)按一定的格式或按一定的專題組合成報(bào)表。供用戶查詢及上報(bào)。

（5）洪水預(yù)報(bào)。主要功能有初始數(shù)據(jù)處理、制作洪水預(yù)報(bào)成果、調(diào)整參數(shù)、方案管理等。

（6）水庫調(diào)度。把水文預(yù)報(bào)結(jié)果作為數(shù)據(jù)來源，自動(dòng)制作和計(jì)算水庫調(diào)度方案成果。

6 結(jié)語

系統(tǒng)于2021 年10 月完成至2022 年3 月，采用水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中常用的暢通率分析方法，對流域內(nèi)各站定時(shí)、閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取最近5個(gè)月定時(shí)報(bào)和閾值報(bào)應(yīng)收數(shù)據(jù)與實(shí)收數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果如圖5、圖6：實(shí)時(shí)與應(yīng)收數(shù)據(jù)曲線吻合，系統(tǒng)各站暢通率均達(dá)到97%以上，滿足系統(tǒng)建設(shè)要求。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確，達(dá)到了系統(tǒng)建設(shè)的預(yù)期目標(biāo)，也證明其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，方案和方法可行。該方案的應(yīng)用，為國內(nèi)水電廠類似水情水調(diào)系統(tǒng)建設(shè)提供了示范案例，具有積極的參考意義。

圖5 系統(tǒng)暢通率統(tǒng)計(jì)

圖6 各站定時(shí)報(bào)統(tǒng)計(jì)

期望用戶加強(qiáng)管理與維護(hù)，在今后實(shí)際運(yùn)行工作中不斷的分析和探索，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再進(jìn)行創(chuàng)新和挖掘，能更好的發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)有的功效。