天生橋一級(jí)水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站改造

林廣洪 舒 凱 李 偉

1.天生橋一級(jí)水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)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(jí)水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站由1個(gè)氣象站、3個(gè)水位站、6個(gè)水位雨量站、17個(gè)雨量站，共27個(gè)測(cè)站組成。舊水情遙測(cè)站采用國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織提供Inmarsat-C衛(wèi)星、GSM通信方式進(jìn)行混合組網(wǎng)，工作體制為自報(bào)式。

舊遙測(cè)站雖然基本滿(mǎn)足當(dāng)前業(yè)務(wù)的要求，但隨著設(shè)備老化、新技術(shù)新產(chǎn)品的發(fā)展、原有型號(hào)備品備件停產(chǎn)等因素的影響，舊遙測(cè)站逐漸出現(xiàn)故障率高、可靠性低、暢通率低、維護(hù)難度大等問(wèn)題，具體問(wèn)題如下。

1.1 設(shè)備老化，故障率高

原遙測(cè)站因使用年限過(guò)長(zhǎng)，故障率較高，同時(shí)，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(wú)法直接適配原有遙測(cè)站系統(tǒng)。

1.2 功能較為落后，自動(dòng)化、智能化程度低

新型遙測(cè)站具有遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程查詢(xún)下載、自動(dòng)補(bǔ)傳等功能，極大地簡(jiǎn)化了維護(hù)工作，提高了工作效率。

1.3 設(shè)備笨重，維護(hù)難度大

舊遙測(cè)站采用2米法拉第筒，筒下部需建設(shè)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(guò)深，因此維護(hù)難度偏大。

1.4 安全風(fēng)險(xiǎn)高

由于大量站點(diǎn)建在屋頂、河邊，在法拉第筒基座開(kāi)展維護(hù)時(shí)存在較高的高空墜落和溺水風(fēng)險(xiǎn)。

1.5 通道落后，通信成本高

舊遙測(cè)站采用GSM及海事衛(wèi)星雙信道的傳輸方式，目前2G移動(dòng)基站已逐步老化退役，導(dǎo)致暢通率低；海事衛(wèi)星為20世紀(jì)末主流通信方式，通信成本高。近年來(lái)，隨著通信技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)有4G通信/國(guó)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(qiáng)大、通信費(fèi)用更低。

為了解決遙測(cè)站存在的問(wèn)題，其改造工作顯得十分必要。

2 改造目標(biāo)及內(nèi)容

2.1 改造目標(biāo)

本次系統(tǒng)改造的目標(biāo)旨在通過(guò)對(duì)遙測(cè)站設(shè)備升級(jí)改造，提高水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、遙測(cè)站暢通率、可用度，降低維護(hù)工作量及運(yùn)行成本，為水庫(kù)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(jí)水電站整體安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

2.2 改造內(nèi)容

本次改造將對(duì)天生橋一級(jí)水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的27個(gè)遙測(cè)站全部進(jìn)行升級(jí)改造，站點(diǎn)建設(shè)改為一體化室外機(jī)箱方式，數(shù)據(jù)采集器升級(jí)為ACS500型，通信方式改為4G通信/國(guó)產(chǎn)北斗通信方式，其中2個(gè)雷達(dá)式水位站僅做GPRS備用通道增設(shè)改造，壩上2個(gè)水位雨量站不做機(jī)箱及土建部分改造。

改造后遙測(cè)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(yáng)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(hào)處理成數(shù)據(jù)信號(hào)，原有遙測(cè)站的供電部分(太陽(yáng)能板、蓄電池)、傳感器部分(雨量計(jì)、水位計(jì)等)不做改造，經(jīng)調(diào)整適配后在新遙測(cè)站中繼續(xù)使用。新遙測(cè)站主要功能如下，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)水位、雨量自動(dòng)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(dòng)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(bào)功能。按預(yù)先設(shè)置的定時(shí)間隔，應(yīng)能通過(guò)數(shù)據(jù)流量主信道及短信備用信道向中心站發(fā)送當(dāng)前的水位、雨量及氣象數(shù)據(jù)，還包括測(cè)站站號(hào)、時(shí)間、電池電壓、報(bào)文類(lèi)型等參數(shù)。在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)水位或降雨量變化量超過(guò)設(shè)定值(時(shí)段、變化量可編程)，能自動(dòng)向中心站報(bào)送數(shù)據(jù)。

(3)應(yīng)答與查詢(xún)。應(yīng)能響應(yīng)中心站的查詢(xún)，并按接收到的指令定時(shí)報(bào)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或批量數(shù)據(jù)。

(4)主備信道自動(dòng)切換。當(dāng)主信道發(fā)送失敗時(shí)，可自動(dòng)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(hào)較差的測(cè)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(chǎng)固態(tài)存儲(chǔ)。采集的水位、雨量應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)帶時(shí)標(biāo)按水文資料整編規(guī)范要求存儲(chǔ)，存儲(chǔ)間隔(雨量存儲(chǔ)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(chǎng)或遠(yuǎn)程查詢(xún)、下載。

(6)其他功能。包括將流量數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)水位值通過(guò)人工置數(shù)的方式向中心站報(bào)送，顯示遙測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)時(shí)顯示水位、雨量、電壓等水情數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)地編程(參數(shù)設(shè)置)能在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)地對(duì)遙測(cè)終端設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置或讀取等編程操作，自維護(hù)功能具有定時(shí)工況報(bào)告、低電壓報(bào)警、掉電保護(hù)以及自動(dòng)復(fù)位等自維護(hù)功能。

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

(8)具備遠(yuǎn)程指令功能，可遠(yuǎn)程更新維護(hù)遙測(cè)通信參數(shù)、傳輸方式等，并且可遠(yuǎn)程升級(jí)現(xiàn)場(chǎng)RTU和DTU通信程序版本，確保遙測(cè)系統(tǒng)持續(xù)保持先進(jìn)性。

3 遙測(cè)站改造施工技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集器改造

遙測(cè)終端(RTU)是當(dāng)前廣泛使用的數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，在各種自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中起著重要作用，是連接前端傳感器和后端監(jiān)測(cè)分析軟件的數(shù)據(jù)通道作用，為整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。遙測(cè)站的全部功能幾乎都體現(xiàn)在遙測(cè)終端的功能上，為此本系統(tǒng)應(yīng)選用國(guó)內(nèi)先進(jìn)可靠、功能強(qiáng)大、易操作、易維護(hù)的遙測(cè)終端。

數(shù)據(jù)采集器需通過(guò)水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心的SL651-2014《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》、SL180-2015《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備遙測(cè)終端機(jī)》、SZY206-2016《水資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約》檢測(cè)，并獲得全國(guó)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證。遙測(cè)終端具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力和強(qiáng)大的遠(yuǎn)程通信能力，遙測(cè)終端還具有操作簡(jiǎn)便的顯著特點(diǎn)，自檢功能完善，機(jī)械結(jié)構(gòu)合理。采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件功能模塊和硬件功能模塊均可以組合，適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合。

3.2 通信終端改造

本次遙測(cè)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(jī)制如下：

(1)GPRS用Modem模式先發(fā)送。若收到中心站回復(fù)的ACK回執(zhí)，則說(shuō)明GPRS信道發(fā)送成功；若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到中心站ACK回執(zhí)，則說(shuō)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(fù)的回執(zhí)，則說(shuō)明GSM信道發(fā)送成功；若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到回執(zhí)，則說(shuō)明GSM信道也發(fā)送不成功。

(3)這時(shí)再啟用BD信道發(fā)送，BD無(wú)回執(zhí)，發(fā)送完就默認(rèn)成功，結(jié)束本次通信。

(4)如果BD仍然未發(fā)送成功(測(cè)站不知情)，那中心站就會(huì)缺數(shù)，但測(cè)站RTU固態(tài)存儲(chǔ)中仍然存有相關(guān)數(shù)據(jù)，可以在通信恢復(fù)后，人工從中心站遙測(cè)采集平臺(tái)下發(fā)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳指令，將RTU固態(tài)存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)補(bǔ)傳至中心站。

具體通信機(jī)制流程如圖2所示：

圖2 通信機(jī)制流程圖

GSM通信終端技術(shù)性能指標(biāo)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(shí)設(shè)備仍和GSM基站保持信號(hào)連接，可以接收短信或GPRS數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流量終端技術(shù)性能指標(biāo)包括以下方面：支持GPRS，供電電源范圍在DC5～12V，尋址方式的動(dòng)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(shí)平均電流≤48mA@+12VDC。

北斗衛(wèi)星終端相關(guān)技術(shù)指標(biāo)包括以下方面：支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令系統(tǒng)，接收信號(hào)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(shí)”功能，雨霧衰減小于0.3db，傳輸時(shí)延小于5s，接收機(jī)靈敏度小于-157.6dbW；供電電源：9～32V DC，待機(jī)功耗≤6W，發(fā)射功耗≤120W，設(shè)備平均無(wú)故障工作時(shí)間為MTBF≥25000h。

3.3 充電控制器改造

充電控制器改造技術(shù)性能指標(biāo)包括以下方面：太陽(yáng)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(diǎn)，有防反充、防過(guò)充功能，能滿(mǎn)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(guò)放保護(hù)值11.1V(SOC=30%)，過(guò)放恢復(fù)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(jī)箱改造

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

3.5 土建工程

為便于建設(shè)與維護(hù)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(shù)木、建筑物和煙塵影響的地點(diǎn)，保證在降水傾斜時(shí)，四周地形或物體不至于影響降水落入觀測(cè)儀器內(nèi)。本次遙測(cè)站土建采用一體化室外裝置，將自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)備全部集成于機(jī)箱內(nèi)安放于樓頂，適應(yīng)于野外長(zhǎng)期工作，雨量筒底座基礎(chǔ)找平夯實(shí)后采用C15混凝土澆筑1m×0.4m×0.4m(長(zhǎng)×寬×高)，澆筑時(shí)一體化機(jī)箱安裝預(yù)埋件同時(shí)澆筑，保持基礎(chǔ)預(yù)埋件頂面水平并保護(hù)好地腳螺栓，基礎(chǔ)回填土應(yīng)分層夯實(shí)，可將天線(xiàn)與太陽(yáng)能板固定于機(jī)箱上方的鋁合金筒上。

4 改造后情況

(1)遙測(cè)站改造完畢后，水情遙測(cè)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(dòng)化系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)良好適配，各功能均可正常使用。試運(yùn)行期間，設(shè)備運(yùn)行良好，特別是在主汛期強(qiáng)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(shí)、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(guò)程，江邊街14：00—16：00時(shí)小時(shí)強(qiáng)降雨達(dá)60多毫米，查詢(xún)平臺(tái)數(shù)據(jù)接收情況，沒(méi)有發(fā)生遲報(bào)、漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象。

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

圖3 天一電廠水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)改造前后逐月暢通率對(duì)比

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

5 結(jié)論與改造意義

水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站改造后能更加準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)地采集、傳輸水雨情信息，同時(shí)也能將遙測(cè)站的運(yùn)行信息及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞至控制中心，便于運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握遙測(cè)站的運(yùn)行狀態(tài)。新遙測(cè)站易于維護(hù)，明顯降低了高空墜落、溺水風(fēng)險(xiǎn)，能充分滿(mǎn)足水庫(kù)調(diào)度及生產(chǎn)管理的有關(guān)要求，在需要時(shí)可與上級(jí)主管部門(mén)的調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

本次水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站改造的技術(shù)也為同類(lèi)型水電站水情遙測(cè)站改造提供了一定的借鑒作用及參考意義。