淺談水電站最小下泄流量在線監控系統建設

羅建平 周 杰 余任重

淺談水電站最小下泄流量在線監控系統建設

羅建平 周 杰 余任重

三明市環境信息中心

在河流上建設水電站，對經濟建設和社會發展發揮了重大作用，但也出現了河流變湖庫、支流斷流的環境問題，為解決這個問題，福建省要求水電站必須全天候有一個最小下泄水流量，并對這個最小下泄流量進行在線監控，以保護流域的生態環境安全。該文較全面地介紹了水電站最小下泄流量自動監控系統的設計方案、組成結構、系統功能，以及水流量的測流方式。

水電站 最小下泄流量 自動在線監控

多年來，在河流上建設水電站，并結合農業灌溉，城市供水，防洪養殖，達到了調蓄洪水、防災減災、蓄能發電等綜合開發利用目的，對經濟建設和社會發展發揮了重大作用。但是，由于缺乏對各個水電站下泄流量的有效調節與監管，河流變成湖庫趨勢、支流出現斷流的現象日益顯現，環境問題日益顯現。為此，福建省政府決定，水電站必須安裝下泄流量在線監控裝置，對水電站最小下泄流量進行全天候在線監控，以推進各流域水環境綜合整治，保護流域的生態環境安全。

1 監控中心系統方案

根據全省方案，對水電站最小下泄流量在線監控采取兩級監控體系，即地市級監控和省級監控。各水電站按規范和要求，建設流量在線監控裝置（系統），各地市環保局分別建立市級在線監控中心，水電站將在線監控數據實時上傳到市級監控中心，市級監控中心對本轄區各水電站的最小下泄流量進行在線監控，并將在線監控數據實時上傳至省級監控中心，實現對全省各流域水電站最小下泄流量的在線監控。

1.1 市級監控中心結構

1.1.1 市級監控平臺硬件配置

市級監控平臺（以三明市為例）主要由數據庫服務器、應用服務器、通信服務器和視頻服務器，網關路由器和千兆三層交換機，以及防火墻等設備組成（見圖1）。千兆三層交換機用于連接監控系統各服務器。

網關路由器提供兩個接口：一個外網接口，通過100M光纖線路接入電信PE端設備，在PE設備上定義并創建與各接入節點相同的VPN實例，并將VPN實例綁定到相應的VRF中。屬于同一個VPN實例中的節點可以實現相互間的通信（監控平臺與監控節點相互通信，監控節點之間無法通信），這樣，各監控節點可以將監控數據傳回監控平臺的數據服務器。另一個接口用于連接服務器交換機。服務器交換機連接監控系統的應用服務器、通訊服務器以及數據服務器等。此外，服務器交換機還提供一個千兆接口用于向上接入上級（地市到省級）MPLS VPN專網，實現與省數據中心的通信。

圖1 三明市水電站最小下泄流量在線監控平臺硬件拓撲圖

1.1.2 水電站監控節點接入設計

水電站（監控節點）接入方式采用2M ADSL 撥號接入，固定IP方式接入電信PE端設備，在PE設備上定義并創建與數據中心相同的VPN實例，并將VPN實例綁定到相應VRF中，實現前端采集設備與監控平臺數據服務器的通信。該種組網方式，保證了前端數據采集系統的7×24小時實時在線、省級和市級監控中心平臺隨時可訪可控的需求。該方案情況下，無需對前端數據采集機及網絡接入設備做任何改動（圖2）。

圖2 監控點接入方式示意圖

1.1.3 市級監控中心節點接入設計

市級監控中心節點接入省級數據中心的專網設計，采用依托于中國電信城域網以及CN2的MPLS VPN網絡，中國電信為省、市兩級監控中心節點提供100M的MPLS VPN接入帶寬。

市級監控中心節點采集到的水電站（監控節點）數據首先保存在市本級數據庫服務器上，然后，通過中國電信專網線路上傳匯總到省級監控中心數據庫服務器上，實現對全省水電站下泄流量的在線監控（見圖3）。

圖3 市級監控中心接入示意圖

1.2 省級監控中心結構

省級監控中心平臺的拓撲結構與市級監控平臺相似，也主要由數據庫服務器、應用服務器、通信服務器和視頻服務器、網關路由器和千兆三層交換機、以及防火墻等設備組成（見圖4）。

圖4 省級監控中心接入示意圖

2 水電站下泄流量監控方案

福建省各流域水系建有眾多各種類型的水電站，以三明市為例，轄區內有屬閩江上游的沙溪、金溪和尤溪三大流域，在這三個流域的河流上，建有各類水電站94座（不含最小下泄流量小于0.5m3/s和擬建電站）。

2.1 測流監測斷面設置

對水電站下泄流量的監控，可在電站各泄水口設立監控點，安裝測流裝置，也可在電站下游附近選擇河道斷面作為監控斷面，安裝測流裝置，監測下泄流量。對于河床式水電站，監測斷面應設置在發電廠房尾水下游；對于壩后式水電站，監測斷面也應設置在發電廠房尾水下游；而對于引水式電站，監測斷面應分別設置在發電廠房尾水下游和水庫大壩下游。

2.2 測流方式

2.2.1 常規流速儀法

在監控斷面安裝水位自動監測設施設備，如水位自記井、水位計、電子水尺等。用常規流速儀法測流，測定該監控斷面的水位流量關系，通過水位推求出流量。

2.2.2 多普勒（ADCP）測流法

多普勒超聲波流量計是應用聲學多普勒技術原理，將儀器固定于水面、河底或水面以下某一位置，實時測出對應水流斷面的對應流速和實時水流斷面面積，推求出河道斷面實時流量。

2.2.3 尾水流量關系計算法

尾水流量關系計算法是通過尾水流量關系曲線進行換算推求出流量。在一定的周期內，對河道進行測流得到流量關系曲線，建立尾水自動測報站，通過接收實時的尾水位值自動換算出流量。

2.2.4 水調水務計算法

目前，大型水電站一般都建立了水調系統，水調系統對水電站上游下游水位，機組，閥門開度等參數均建有自動監控，電站的相關設計曲線（如水位庫容）也較全面，所以，根據下泄流量監控參數（如數據上傳頻次）要求，建立下泄流量動態配置計算方法，設置計算函數，數據庫表結構，推求出下泄流量。

3 系統功能

水電站下泄流量監控系統主要由6個功能模塊組成：基本配置信息模塊（包括水電站基本信息、通信程序配置信息、采樣因子配置信息、流域管理和計量單位管理）、綜合數據模塊（包括水電站分布圖、實時監控數據、下泄流量統計報表和告警信息）、工單管理模塊、GIS模塊、應用字典模塊和日志審計模塊，如圖5所示。

圖5 水電站下泄流量監控系統的主要功能

3.1 數據采集與處理

水電站下泄流量的監控系統對監控對象采集和處理的主要數據、信息有五大類：在線監控儀器數據、水流量數據、流量監控設施運行記錄數據、儀器自診斷數據和報警信息。監控系統對采集到的各類數據進行分析處理，根據信息源、監控數據等信息種類按時間順序存儲，并按通信協議將數據和信息轉發給市級監控中心。

3.2 實時、歷史數據監控

系統提供對各水電站的日常監控功能, 各水電站定時向市級監控中心平臺上傳一次數據，相關人員可隨時調閱查看各水電站監控點的實時和歷史監控數據及設施運行情況,也可以查看某個電站監控點指定時間段里的監控數據,可以查看分鐘數據、小時數據和日數據（見圖6）。

監控主要功能包括基本信息、各指標曲線圖、數據查詢、視頻監控等。

圖6 水電站下泄流量的監控系統實時、歷史監控數據

3.3 告警管理

在對各水電站監控點配置時，均直接或間接給定了其各項指標限值（水庫水位指標限值、最小下泄流量限值），當各監測點實時采集的數據超過該監測點預先設置的限值時，系統視其為異常，并將發生告警事件因子、告警值、以及發生此告警事件的時間通過異常告警功能進行發布和記錄、以便監控和相關人員快速響應并做出應急響應和處理。

3.4 統計報表

水電站最小下泄流量監控系統中心平臺提供了豐富的定期報表功能，方便相關管理部門及負責人員查閱和統計，以便快速掌握轄區內各流域各電站下泄水流量的狀況以及對生態環境的影響。

根據報表產生的周期，系統將報表劃分為以下幾類：日報（按天統計）；周報（按周統計）；月報（按月統計）；季報（按季度統計）；年報（按年份統計）。

3.5 基本信息設置

水電站基本信息：水電站名稱、所屬區域、所屬流域、地理位置（經緯度）和詳細地址等。通信程序信息：水電站下端系統的IP地址和通信端口等。采樣因子信息：閘門流量、機組流量、水位、瞬時流量等。流域管理：流域納入監控電站的信息。計量單位管理：對采樣因子對應的計量單位的管理。

3.6 視頻監控融合

結合數據監控，系統融合視頻監控功能，主要是對重點水電站庫區、采樣因子等對象進行監控，視頻監控采用中國電信“全球眼”系統。主要功能有視頻瀏覽（遠程實時視頻的瀏覽）、視頻疊加（監控數值與視頻疊加，效果直觀生動）、語音監聽（在視頻實時瀏覽的同時，可聽到監控現場的聲音）、視頻回放（通過視頻服務器調閱歷史視頻）、視頻存儲和云臺控制等。

4 結語

福建省水電站數量多，大小各異，類型不同，分布地形復雜，且國內還沒有對水電站下泄流量在線監控工作經驗可循，對水電站下泄流量監控系統的建設工程量和難度都較大。經過兩年多來的努力建設和不斷完善，現所有納入監控的水電站均能按要求上傳數據，系統運行穩定，實現了對水電站最小下泄流量的自動監控要求，確保了流域生態環境的安全。