趙太平,費如君,趙志宏

(1.中國電力建設集團有限公司,北京 100044;2.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院,湖南 長沙 410014;3.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責任公司,甘肅 蘭州 730000)

0 概 述

水情自動測報系統(tǒng)是利用遙測、通信、計算機和網(wǎng)絡等先進技術,完成流域水文、汛情、工情等參數(shù)的實時采集、傳輸和處理,為水電工程的防洪、興利、優(yōu)化調度提供服務的自動化系統(tǒng).

自20世紀60年代起,日本和美國就率先開始開展水情自動測報系統(tǒng)技術的研究和開發(fā).隨著遙控設備、數(shù)據(jù)傳輸調度自動化技術在全世界的廣泛應用,自20世紀80年代以后,水情測報技術得到了進一步的推廣.我國水電站水情自動測報系統(tǒng)從20世紀80年代初起步建設;在90年代初,葛洲壩、新安江和五強溪等水電站的水情測報系統(tǒng)紛紛投產(chǎn);目前自動化程度和可靠性更高的三峽、溪洛渡、向家壩、龍灘、二灘、拉西瓦等大型水電工程的水情測報系統(tǒng)已建成或正在建設.我國水情自動測報系統(tǒng)前后歷經(jīng)近30年的發(fā)展,目前已經(jīng)完全成熟.全國現(xiàn)已建水情自動測報系統(tǒng)近千個,主要應用于大型水利工程和大中型水電工程中.

1 水電工程水情自動測報系統(tǒng)主要構成

水情自動測報系統(tǒng)要求測報范圍全面、站點布設合理、通信可靠、數(shù)據(jù)處理快捷、水情預報準確.為達到此目的,系統(tǒng)建設主要包括以下4個方面內容:①遙測站建設.實現(xiàn)水位、雨量信息自動采集、固態(tài)存儲、自動傳輸.②數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)建設.確保遙測站至中心站的數(shù)據(jù)傳輸通信暢通,提高傳輸?shù)目煽啃院蜁r效性.③水情數(shù)據(jù)接收處理軟件.實現(xiàn)系統(tǒng)遙測水情信息的自動接收和入庫,以及中心站與相關系統(tǒng)之間可靠的信息交換,為梯級水電站水情預報和信息查詢服務提供基礎信息.④高級應用軟件.為各工程提供及時、準確的水情預報服務,為梯級聯(lián)合防洪和調度提供實時決策支持.

1.1 遙測站網(wǎng)布設

遙測站網(wǎng)的布設應滿足水電工程施工期和運行期對水情預報的要求,達到系統(tǒng)建設的目的.站網(wǎng)布設主要考慮的因素有流域河系情況、降雨洪水特性、梯級電站布設情況以及測站交通環(huán)境條件等.以龍灘水電站水情自動測報系統(tǒng)為例 (見圖1),站網(wǎng)布設主要遵循以下基本原則:

圖1 龍灘水電站流域水情測報系統(tǒng)站網(wǎng)分布

(1)遙測站網(wǎng)應兼顧施工期和運行期洪水預報和電站調度的要求.2002年,龍灘水電站水情測報系統(tǒng)建設初期在確保工程施工防洪度汛安全中發(fā)揮了重要作用.之后,隨著工程施工進展,站點不斷擴建,最后形成永久性的水情測報系統(tǒng),在運行期對洪水預報和電站調度起到了關鍵作用.

(2)雨量站網(wǎng)密度應能較好地控制流域內降水的時空分布情況,并充分考慮山脈、高程等對降雨時空分布的影響.龍灘水電站水情自動測報系統(tǒng)測報范圍初期建設為南盤江天生橋 (二)、北盤江盤江橋以下到天峨以上流域,測報流域面積41 281 km2.系統(tǒng)監(jiān)測雨量的站點共計93個,其中12個水位雨量站、80個雨量站、1個氣象站,通過水情預報軟件的不斷驗證,站點基本能覆蓋龍灘水電站以上全流域,并能準確反映流域的降雨情況.

(3)重要河段應有水文、水位站控制.龍灘水電站水情測報系統(tǒng)在水庫回水末端以上的干支流河道上布設了平板、盤江等11個遙測水位雨量站,對整個上游干支流的來水均起到了有效的控制作用.

(4)盡量選用現(xiàn)有測站,并在滿足水情預報要求的前提下精簡遙測站.龍灘水電站水情測報系統(tǒng)在資料不斷積累的基礎上總結了系統(tǒng)多年來的運行管理經(jīng)驗,通過采用降雨徑流模型分析法、站網(wǎng)密度分析法、相關分析法、抽站分析法等論證分析雨量站的布設,對測站也進行了相應的精簡,撤銷了8個遙測雨量站,系統(tǒng)的預報精度并未受到影響.

(5)便于通信組網(wǎng).龍灘水電站水情測報系統(tǒng)覆蓋區(qū)域地形條件多樣,通信組網(wǎng)復雜.設計之初重點考慮獨立組網(wǎng)和運行維護費用低的要求,采用超短波通信方式,測站選址在地形條件平整,便于超短波通信的地點.隨著測報區(qū)域公共通信環(huán)境的改善,大多數(shù)測站采用了穩(wěn)定可靠的GSM通信網(wǎng)絡.

(6)測站應盡可能設在交通、生活方便的地方,便于建設和維護管理.龍灘水電站水情測報系統(tǒng)多數(shù)測站選擇建在人口較為集中的區(qū)域,一方面為運行維護提供了極大的方便,同時各測站均實現(xiàn)了專人看管,設備本身的安全性也得到了保障.

1.2 數(shù)據(jù)通信

水情自動測報系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)通信方式有衛(wèi)星通信、超短波通信、PSTN通信、GSM通信、GPRS通信等,各種通信方式在通信機理、設備性能和價格、運行費用、運行功耗等方面有其各自的特點.

海事衛(wèi)星C(Inmarsat C)通信系統(tǒng)于20世紀90年代初開始應用,具有終端體積小、安裝簡單方便、全向天線對選址無特殊要求和安裝土建費用低等特點.但運行費用較高、傳輸時延較長,并容易出現(xiàn)傳輸信道擁擠的問題.

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用碼分多址 (CDMA)直序擴頻雙向通信體制,具有較強的抗干擾能力,具有終端設備集成度高、安全穩(wěn)定、設備體積小、安裝簡單、便于維護等特點,廣泛應用于我國西部偏遠山區(qū)的水電工程.如東義河流域、鴨嘴河流域等處多測報系統(tǒng)均采用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng).

超短波通信系統(tǒng)是水情自動測報系統(tǒng)中應用最廣泛、最成功的一種通信方式.它的傳輸質量介于短波和微波通信之間,具有通信質量好、信道穩(wěn)定、設備簡單、投資省、建設周期短等優(yōu)點,但在距離遠或多高山阻擋的區(qū)域內,需建多級中繼站方能實現(xiàn)測站與中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸,從而導致系統(tǒng)土建和設備費用的增加、系統(tǒng)可靠性下降,并給設備的維護帶來不便.龍灘水電站水情測報系統(tǒng)建設初期由于受流域地形條件和當?shù)赝ㄐ虐l(fā)展水平的約束,采用超短波通信,建有中繼站11個,其中1級2個,2級6個,3級3個,但由于中繼站設備處于高山之巔,維護有很大的困難,且受到各種惡劣自然環(huán)境的影響,隨著運行年數(shù)的增加出現(xiàn)故障的次數(shù)明顯增多.

PSTN通信系統(tǒng)具有適用范圍廣、設備簡單、價格低廉的特點,傳輸質量較高,通信覆蓋面廣,入網(wǎng)費用低.但遇有災害性天氣發(fā)生時,通信線路不易保證.

GSM通信系統(tǒng)是目前基于時分多址技術的移動通信體制中最成熟、最完善、應用最廣的一種系統(tǒng),也廣泛用于水情測報系統(tǒng)中,但存在因接收擁塞而加大延時甚至造成信息丟失的情況,尤其是當系統(tǒng)測站數(shù)量較多,測報流域內出現(xiàn)大范圍降雨,水位變化頻率較快,數(shù)據(jù)通信較為頻繁時,容易出現(xiàn)通信阻塞,遙測信息接收相對滯后的情況.

GPRS通信系統(tǒng)是在GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務,特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也可用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸,為水情數(shù)據(jù)傳輸提供了更為可靠和快速的通信網(wǎng)絡.但由于GPRS移動通信網(wǎng)絡目前尚未能覆蓋所有GSM網(wǎng)絡,特別是偏遠的山區(qū)和經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)GPRS網(wǎng)絡覆蓋率還較低,限制了此通信資源的應用.

目前,我國大多數(shù)的大中型水利水電工程水情測報系統(tǒng)由于覆蓋范圍廣,地理地形條件復雜,加之通信網(wǎng)絡的限制,一般采用多種信道組合的方式.如龍灘水電站水情自動測報系統(tǒng),根據(jù)測站的分布情況和重要性等因素劃分,在通信結構上便采用了GPRS/北斗衛(wèi)星,GPRS/超短波、超短波/北斗衛(wèi)星等多種通信方式組合的形式進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸.三峽電站水情自動測報系統(tǒng)采用了北斗衛(wèi)星、PSTN、GSM短信通信方式組網(wǎng).我國西部山區(qū)的很多流域,由于地貌崎嶇、群山起伏、重巒疊嶂,且經(jīng)濟欠發(fā)達,手機通信信號無法覆蓋,一般則采用北斗衛(wèi)星作為主要的通訊方式.

1.3 中心站數(shù)據(jù)接收與處理

水情測報系統(tǒng)中心站的基本功能是自動處理遙測站傳入的水、雨情信息.中心站信息接收處理單元由通信設備、計算機、電源以及通信模塊安裝設施組成.各遙測站點的水情信息通過通信傳輸信道傳輸?shù)街行恼竞?進入通信服務器,通過信息接收軟件實時完成遙測站水雨情信息的接收處理,并存入原始數(shù)據(jù)庫.

通信服務器配備多種通信終端通過標準串口直接連接,安裝信息接收處理軟件,完成系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)的接收處理等工作.中心站的供電方式一般采用在線式UPS供電方式,通信終端設備采用交流電浮充蓄電池直流供電方式.

通過服務器對來自遙測站終端各水位站的實時水位、整點水位,每個雨量站的實時降雨量,重要站點圖像信息等進行接收、譯碼、甄別、合理性檢查、處理,得到各遙測站的實時遙測信息,并形成原始數(shù)據(jù)庫.同時利用計算機網(wǎng)絡功能,進行數(shù)據(jù)加工和信息提取,建立面向高級應用的實時水文數(shù)據(jù)庫.

圖2為我國西部某梯級電站的水情測報系統(tǒng)中心站網(wǎng)絡結構,其中,中心站配置內網(wǎng)水情數(shù)據(jù)接收計算機 (水情通信機),在內網(wǎng)負責水情數(shù)據(jù)的實時采集、處理及對外系統(tǒng)的通信、傳輸;配置兩臺內網(wǎng)水情數(shù)據(jù)庫服務器及磁盤陣列,負責所有水情相關應用和數(shù)據(jù)的存儲和處理;配置外網(wǎng)數(shù)據(jù)庫服務器,提供外網(wǎng)的數(shù)據(jù)存取服務;配置Web服務器,在外網(wǎng)負責提供水調信息的Web瀏覽服務;同時,通過部署安全隔離,負責中心系統(tǒng) (安全II區(qū))與外部通信子系統(tǒng) (安全Ⅲ區(qū))之間的數(shù)據(jù)交換.通過外部通信子系統(tǒng),經(jīng)終端服務器與遙測站交換數(shù)據(jù)信息,經(jīng)防火墻實現(xiàn)與水文、防洪抗旱、氣象及其他有關部門的數(shù)據(jù)通信.與監(jiān)控系統(tǒng)間的通信采用網(wǎng)絡交換機經(jīng)過防火墻互聯(lián).水情系統(tǒng)為網(wǎng)絡中安全Ⅱ區(qū),與移動通信、衛(wèi)星通信商及水文氣象等部門的連接應設立安全隔離系統(tǒng),以確保水情系統(tǒng)安全運行.

1.4 水情預報方案

水情預報位于系統(tǒng)頂層,是水情測報系統(tǒng)高級應用部分,其主要任務是處理收集的水情信息,為防汛和運行調度提供決策依據(jù).水情預報方案是否能充分反映流域的洪水特性,預報精度和有效預見期是否能滿足防洪決策的要求,是影響系統(tǒng)建設質量的關鍵.

水情預報方案編制的原則:一是要符合流域水文氣象特性和降雨洪水特性,結合流域的產(chǎn)匯流特性對預報方案進行合理配置;二是要兼顧施工期和運行期預報要求;三是要力求方案簡單、實用,并具有較高的預報精度.

水情預報方案的有效預見期和預報精度應根據(jù)圍堰、大壩、廠房工程以及其他附屬工程的工程施工和防洪度汛安全要求和水庫調度運行要求確定.

施工期水情預報方案應包括不同施工時段、不同預報預見期和不同水文階段 (洪水期、枯水期)的預報方案,對圍堰水庫及大壩臨時擋水水庫的調洪提供決策性依據(jù).在施工期提供未來數(shù)小時壩址過境流量、施工區(qū)主要控制斷面的水位變化過程,發(fā)出水情預報.

圖2 中心站網(wǎng)絡構成

水情預報方案配置應長短結合、層層設防、提高精度.預報方案編制應采用多種方法,綜合比較,擇優(yōu)選用,為確保預報成果合理、可靠,重要區(qū)段配置應有備用方案.在實時預報中,結合最新采集的信息與歷史洪水進行對比分析等,提高預報精度.

2 存在的主要問題及建議

(1)加大協(xié)調力度,實現(xiàn)資源共享,充分發(fā)揮水情自動測報系統(tǒng)功能.隨著我國流域梯級電站開發(fā)的逐步深入,梯級電站的管理部門對水情信息的需求將不斷加大,水情測報系統(tǒng)的覆蓋范圍也隨之擴大.對于一些規(guī)模較大的流域,如金沙江、大渡河、黃河流域等,其上分布著為數(shù)眾多的電站,上下游電站在水力聯(lián)系上十分緊密,圍繞這些梯級電站所建設的水情測報站點分布往往也是跨地區(qū)、跨省市的.由于電站開發(fā)主體非單一,水情數(shù)據(jù)信息往往無法共享.很多遙測系統(tǒng)仍然采用自建自管的方式,站點建設的重復現(xiàn)象也很普遍.建議對流域資源進行整合,并加強與相關流域的水文部門合作,實現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補,從全流域角度,最大限度地發(fā)揮水情自動測報系統(tǒng)的作用,挖掘梯級電站補償調節(jié)、聯(lián)合優(yōu)化調度的經(jīng)濟和綜合利用潛力.

(2)加強國際合作與交流,積極扶持本土企業(yè),提高我國水情測報系統(tǒng)設備自主研發(fā)水平.

目前,我國從事水情測報系統(tǒng)領域的廠家眾多,多數(shù)設備采用自主研發(fā),其中RTU等核心設備基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化,但產(chǎn)品質量參差不齊.由于系統(tǒng)需要經(jīng)歷野外高溫、高寒、高濕等多種惡劣環(huán)境的考驗,系統(tǒng)對穩(wěn)定性具有較高的要求,因此無論從功能實現(xiàn)還是制作工藝上產(chǎn)品的設計和研發(fā)均需要加大投入.此外,由于測報系統(tǒng)應用的領域范圍較廣,可以為水電站的運行管理、城市防洪、山洪災害監(jiān)測預警等多個行業(yè)服務,建議國家對該領域具有優(yōu)勢的本土企業(yè)加大扶持力度,積極引薦參與國際合作和交流,同時國家有關部門在援外建設方面可優(yōu)先考慮本土企業(yè),真正實現(xiàn)走向國際市場,擴大企業(yè)規(guī)模,提升企業(yè)的核心競爭力.

[1] 晏忠林.水情自動測報系統(tǒng)在龍灘水電工程中的應用[J].水力發(fā)電,2003(10):98-101.

[2] DL/T 5051-1996 水利水電工程水情自動測報系統(tǒng)設計規(guī)定[S].