水情自動測報系統在水電工程中的應用

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有限責任公司,甘肅 蘭州 730000)

0 概 述

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

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技術的研究和開發.隨著遙控設備、數據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紛紛投產;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已建成或正在建設.我國水情自動測報系統前后歷經近30年的發展,目前已經完全成熟.全國現已建水情自動測報系統近千個,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主要構成

水情自動測報系統要求測報范圍全面、站點布設合理、通信可靠、數據處理快捷、水情預報準確.為達到此目的,系統建設主要包括以下4個方面內容:①遙測站建設.實現水位、雨量信息自動采集、固態存儲、自動傳輸.②數據傳輸通信網建設.確保遙測站至中心站的數據傳輸通信暢通,提高傳輸的可靠性和時效性.③水情數據接收處理軟件.實現系統遙測水情信息的自動接收和入庫,以及中心站與相關系統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,為梯級聯合防洪和調度提供實時決策支持.

1.1 遙測站網布設

遙測站網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,達到系統建設的目的.站網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境條件等.以龍灘水電站水情自動測報系統為例 (見圖1),站網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站網分布

(1)遙測站網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建設初期在確保工程施工防洪度汛安全中發揮了重要作用.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,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.系統監測雨量的站點共計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在資料不斷積累的基礎上總結了系統多年來的運行管理經驗,通過采用降雨徑流模型分析法、站網密度分析法、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,系統的預報精度并未受到影響.

(5)便于通信組網.龍灘水電站水情測報系統覆蓋區域地形條件多樣,通信組網復雜.設計之初重點考慮獨立組網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.隨著測報區域公共通信環境的改善,大多數測站采用了穩定可靠的GSM通信網絡.

(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多數測站選擇建在人口較為集中的區域,一方面為運行維護提供了極大的方便,同時各測站均實現了專人看管,設備本身的安全性也得到了保障.

1.2 數據通信

水情自動測報系統常用的數據通信方式有衛星通信、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.

海事衛星C(Inmarsat C)通信系統于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,并容易出現傳輸信道擁擠的問題.

北斗衛星通信系統采用碼分多址 (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的水電工程.如東義河流域、鴨嘴河流域等處多測報系統均采用北斗衛星通信系統.

超短波通信系統是水情自動測報系統中應用最廣泛、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、信道穩定、設備簡單、投資省、建設周期短等優點,但在距離遠或多高山阻擋的區域內,需建多級中繼站方能實現測站與中心站之間的數據傳輸,從而導致系統土建和設備費用的增加、系統可靠性下降,并給設備的維護帶來不便.龍灘水電站水情測報系統建設初期由于受流域地形條件和當地通信發展水平的約束,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境的影響,隨著運行年數的增加出現故障的次數明顯增多.

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

GSM通信系統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,也廣泛用于水情測報系統中,但存在因接收擁塞而加大延時甚至造成信息丟失的情況,尤其是當系統測站數量較多,測報流域內出現大范圍降雨,水位變化頻率較快,數據通信較為頻繁時,容易出現通信阻塞,遙測信息接收相對滯后的情況.

GPRS通信系統是在GSM系統上發展出來的一種新的承載業務,特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸,也可用于偶爾的大數據量傳輸,為水情數據傳輸提供了更為可靠和快速的通信網絡.但由于GPRS移動通信網絡目前尚未能覆蓋所有GSM網絡,特別是偏遠的山區和經濟欠發達地區GPRS網絡覆蓋率還較低,限制了此通信資源的應用.

目前,我國大多數的大中型水利水電工程水情測報系統由于覆蓋范圍廣,地理地形條件復雜,加之通信網絡的限制,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,根據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/北斗衛星,GPRS/超短波、超短波/北斗衛星等多種通信方式組合的形式進行數據的采集和傳輸.三峽電站水情自動測報系統采用了北斗衛星、PSTN、GSM短信通信方式組網.我國西部山區的很多流域,由于地貌崎嶇、群山起伏、重巒疊嶂,且經濟欠發達,手機通信信號無法覆蓋,一般則采用北斗衛星作為主要的通訊方式.

1.3 中心站數據接收與處理

水情測報系統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到中心站后,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,并存入原始數據庫.

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,完成系統遙測數據的接收處理等工作.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,并形成原始數據庫.同時利用計算機網絡功能,進行數據加工和信息提取,建立面向高級應用的實時水文數據庫.

圖2為我國西部某梯級電站的水情測報系統中心站網絡結構,其中,中心站配置內網水情數據接收計算機 (水情通信機),在內網負責水情數據的實時采集、處理及對外系統的通信、傳輸;配置兩臺內網水情數據庫服務器及磁盤陣列,負責所有水情相關應用和數據的存儲和處理;配置外網數據庫服務器,提供外網的數據存取服務;配置Web服務器,在外網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 (安全II區)與外部通信子系統 (安全Ⅲ區)之間的數據交換.通過外部通信子系統,經終端服務器與遙測站交換數據信息,經防火墻實現與水文、防洪抗旱、氣象及其他有關部門的數據通信.與監控系統間的通信采用網絡交換機經過防火墻互聯.水情系統為網絡中安全Ⅱ區,與移動通信、衛星通信商及水文氣象等部門的連接應設立安全隔離系統,以確保水情系統安全運行.

1.4 水情預報方案

水情預報位于系統頂層,是水情測報系統高級應用部分,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.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.在施工期提供未來數小時壩址過境流量、施工區主要控制斷面的水位變化過程,發出水情預報.

圖2 中心站網絡構成

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,擇優選用,為確保預報成果合理、可靠,重要區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)加大協調力度,實現資源共享,充分發揮水情自動測報系統功能.隨著我國流域梯級電站開發的逐步深入,梯級電站的管理部門對水情信息的需求將不斷加大,水情測報系統的覆蓋范圍也隨之擴大.對于一些規模較大的流域,如金沙江、大渡河、黃河流域等,其上分布著為數眾多的電站,上下游電站在水力聯系上十分緊密,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、跨省市的.由于電站開發主體非單一,水情數據信息往往無法共享.很多遙測系統仍然采用自建自管的方式,站點建設的重復現象也很普遍.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,實現資源共享、優勢互補,從全流域角度,最大限度地發揮水情自動測報系統的作用,挖掘梯級電站補償調節、聯合優化調度的經濟和綜合利用潛力.

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

目前,我國從事水情測報系統領域的廠家眾多,多數設備采用自主研發,其中RTU等核心設備基本實現了國產化,但產品質量參差不齊.由于系統需要經歷野外高溫、高寒、高濕等多種惡劣環境的考驗,系統對穩定性具有較高的要求,因此無論從功能實現還是制作工藝上產品的設計和研發均需要加大投入.此外,由于測報系統應用的領域范圍較廣,可以為水電站的運行管理、城市防洪、山洪災害監測預警等多個行業服務,建議國家對該領域具有優勢的本土企業加大扶持力度,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先考慮本土企業,真正實現走向國際市場,擴大企業規模,提升企業的核心競爭力.

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

[2] DL/T 5051-1996 水利水電工程水情自動測報系統設計規定[S].