青溪水電站水情自動測報系統硬件升級改造經驗淺析

梁洪英,鄭福猛

(1.廣東粵電青溪發電有限責任公司, 廣東 大埔 514299；2.南京南瑞集團公司水利水電技術分公司,江蘇 南京 210000)

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青溪水電站水情自動測報系統硬件升級改造經驗淺析

梁洪英1,鄭福猛2

(1.廣東粵電青溪發電有限責任公司, 廣東 大埔 514299；2.南京南瑞集團公司水利水電技術分公司,江蘇 南京 210000)

介紹了青溪水電站遙測系統改造項目,設備選型、系統安裝,以及系統改造后運行情況,分析了GPRS、CDMA通信方式的優點、使用注意事項,肯定了系統性價比,說明值得推廣應用的理由。

水情遙測系統;采集服務器;通信方式升級改造

青溪水電站是韓江主要支流——汀江干流的第二個梯級水電站,位于大埔縣青溪鎮大水坑村,上距干流福建省棉花灘水電站約13 km,距大埔縣城約40 km。電站總裝機容量為144 MW(4×36 MW),裝機利用為2 590 h,設計年平均發電量為3.73億kW·h。電站屬于日調節徑流電站,是一座以發電為主的中型水電站。

青溪水電站運行20多a來,在發電、防洪度汛等方面發揮了很大作用,大大減輕了下游的防洪壓力。近年來,由于水情遙測系統設備老化、站房外部環境改變等原因遙測站和中繼站通信頻繁中斷,直接影響了整個水情自動測報系統的安全性、可靠性,給水庫防洪度汛、發電調度帶來的安全隱患。

1 系統簡介

水電站水情自動測報系統是現代科技與實際工作相結合的產物,其可以充分的利用現代電子信息技術對水文測站信息進行高頻次地采集、傳輸、處理,監測,幫助水電站及有關工作人員掌握及時有效的水文情況,預防水患災難的產生,推進資源的利用。該系統備受水電站工作人員的推崇,在我國大部分水電站中均有應用。

青溪水情自動測報系統由南京水利水文自動化研究所研制承建,1990年進行施工安裝并投入試運行,1991年1月工程竣工驗收。1995年、2004年、2008年分別對部分模塊和設備進行改造更新。

青溪水情自動測報系統由7個測站組成。系統采用超短波(VHF)信道通信,自報工作方式。青溪壩上、壩下2個測站與中心站采用直接通信(超短波),其余測站均通過黎頭寨中繼站中轉。

2 系統改造原因

1) 設備老化日益嚴重,故障頻發。

2) 部分測站受城區擴建、新建高樓、惡劣天氣、高大樹木等影響,通信異常,數據傳輸信號受到干擾,影響系統的可靠性。

3) 中繼站維護困難。犁頭寨中繼站地處山頂,上山道路崎嶇且路程長,特別近年地方政府封山育林,目前上山管護難度大；維護安全風險高；且受天氣條件制約,無法及時上山維護消缺。

4) 隨著社會的不斷發展進步,電網對水情自動測報數據的準確性、可靠性、實時性要求越來越嚴格,原有的系統設備和技術已經滿足不了當前需要。

5) 隨著廣東中調和粵電集團新的管理體制建立,對水調系統也提出了新的要求,部分指標目前已經納入了公司年度考核指標,因此,水情自動測報系統的可靠運行直接關系到公司經營業績。

綜上所述,需對現有的水情自動測報系統進行改造,以確保上述問題得到有效解決,滿足公司水庫發電調度和防洪度汛的要求。

3 系統改造方案

3.1通信組網

目前，國內已建的水情自動測報系統所采用的通信方式有超短波、短波、PSIN、GSM、CDMA、GPRS等多種通信方式,各種通信方式在設備原理、通信價格,數據傳輸保靠性、運行維護費等有各自的特點[1]。根據青溪水庫流域情況和青溪電站工程具體需求,采用GPRS(主用)和CDMA(備用)雙信道通信。主用通信方式采用移動通信,備用通信方式采用電信通信,確保通信的可靠。

3.2系統工作機制

水情自動測報系統的工作機制為自報和查詢—應答混合方式。根據不同時段、氣象條件、設備運行工況,自動完成定時測報、異常測報、增減測報、問詢測報、平安報等方式。實現數據采集事件啟動、定時采樣和指令查詢、校時等多種功能。并將各種水文要素及設備運行參數存入現場固態存儲器并發送至水情自動測報中心站[2],自動完成水情自動測報數據的采集全過程,可遠程查詢實時信息和歷史信息。

3.3系統設備選型

3.3.1數據采集器

數據采集器我們選用南瑞ACS 500,它是南瑞ACS系列數據采集器最新產品。是一款基于微功耗的、集數據和音視頻處理為一體的、并由同一信道傳輸的設備,具有寬工作溫度范圍、極低的靜態功耗、強大的遠程通信功能、方便的傳感器接入、豐富的可本地/遠程設置的參數與運行模式等特點；并配置了SD卡接口、內嵌了TCP/IP協議棧、提供了遠程/本地程序下載功能。

3.3.2GPRS通信模塊

方案選用南瑞研發的工業級低功耗無線裝置NARI DT 4100 GPRS DTU作為GPRS/GSM通信終端。該產品可以在遠程遙測終端和數據中心之間建立透明傳輸通道,實現二者之間的數據交換。產品具有極低的在線空閑功耗(<2 MA),工作溫度范圍寬(-40 ℃～85 ℃),可在極其惡劣的環境條件下應用。同時低功耗的特性也可明顯降低遙測設備的電源容量,從而帶來設備體積以及運輸成本的減小。

3.3.3CDMA通信模塊

方案選用深圳宏電H 7710 CDMA DTU,它是基于CDMA數據通信網絡的終端產品,為各行業用戶提供穩定可靠、經濟實用的專用數據網絡。它符合工業級標準,優化電磁兼容性設計,具有超強的可靠性。H 7710 CDMA DTU內嵌PPP、TCP/IP、DDP等多種協議,可實現用戶設備到數據中心遠程透明數據通信；提供專業工業級產品接口,與用戶設備即插即用,安裝簡單、使用方便。產品廣泛應用于電力、環保監測、車載、水利、金融、路燈監控、熱力管網、煤礦、油田等行業。

3.4電源系統及裝配結構

3.4.1電源系統

為了保證設備能在無日照的情況下連續工作45 d以上,根據所有設備的靜態電流、工作電流及工作時間計算出本系統需要使用的蓄電池容量及太陽能板功率,我們選用沈陽松下12 V/24 Ah免維護蓄電池。并增加了南瑞NARI ACS-SR充電保護器,整套電源系統具有自身功耗小,充電控制效率高,有防反充、防過充功能,能滿足最大充電電流需要。

3.4.2裝配結構

除傳感器、太陽能電池板、通訊天線等必須置于機箱外,其余如遙測終端機、通訊模塊、蓄電池、充電控制器等設備與模塊連同自身包裝一起安裝于機箱內,這些設備與模塊在機箱內的安裝符合規范,布局緊湊合理,在滿足安裝檢修方便的前提下,可以平裝,也可以分層安裝。進入機箱的電纜統一從箱體下部進出(防灌水),進出口有防護措施(防割傷電纜、防蟲進入)。箱體內的電纜分類排列和布設,避免產生電氣干擾。

4 遙測站設備安裝方案

4.1機箱

本系統采用機箱的安裝方式,用膨脹螺絲將機箱固定在墻上,或者將機箱平躺在穩定的桌子上,如果機箱安裝在室外需要做好相應的防雨防水防蟲措施。

通信模塊、RTU、穩壓充電控制器以及蓄電池全部放在機箱內,通信天線通過機箱預留接口放在機箱外面。

4.2傳感器

雨量計安裝在四周無高大遮擋物的地面、房頂或者穩定的支架上。

水位計安裝在水位井上方,固定牢固保持水平。

4.3電源系統

太陽能板安裝時應面朝南偏西15°,仰角30°,這樣能達到充電效率最大,并且保證周圍無高大遮擋物。

5 改造后遙測站情況

5.1節約成本

本次改造我們結合現有的實際情況遵循以下原則：

1) 改造成本最小。合理利用已有的設備,進行必要的更新改造。對原有7個自動測報點的通信終端、太陽能充電模塊、蓄電池、連接線及轉接頭、設備箱等進行更換,保留原有的站房、水位計、雨量計、太陽能板等。

2) 改造設備最優。針對系統出現的問題,我們在設備選型時充分利用現代信息采集技術、通信技術、數據庫技術等方面成熟的新成果,服務器選用南瑞ACS500服務器,通信終端采用GPRS+(主用)和CDMA(備用)雙信道通信。

3) 后期系統擴展、維護管理費用最低。設備選型時已充分考慮中心站后期系統擴充、升級和優化要求；在通信系統方面只需要一個模塊就可以將采集的水情數據發送出去,數據的傳輸和傳輸質量全由移動和電信營運商來保證,既可以節約建設成本和建設周期,也不需要組建專門的通信網絡,更不需要建設中繼站。由于與廠房組成以太網,可以提高系統可靠性,更可以靈活訪問、遠程維護水情自動測報系統,縮短處理故障時間、交通成本。節約維護和維修成本[3]。

4) 通信費用最低。雖然利用(GPRS)移動終端和電信(CDMA)終端來實現水情自動測報系統的數據傳輸需要通信費用,但我們按月租、流量套餐計算,相對來說,其所需要的通信費用確實低廉的,尤其是比衛星終端實惠很多。

5.2系統優化方面

水情自動測報系統改造之后與老系統相比,系統的功能、運行使用、維護管理都得到了優化。

1) 遙測站能夠及時、準確地采集和報送雨量、水位、電壓、溫度原始數據。其中電壓、充放電狀態、溫度是本次改造增加的參數,這樣能夠監測到測站室內環境,電池運行工況。

2) 測站內置固態存儲功能,現場能自動實時采集、儲存雨量及水位數據,儲存周期大雨730d,并可人工置數,具備增量自報、定時自報等功能。中心站接收軟件具備自動發現所有遙測站數據傳輸失敗的功能,并能及時自動召回未成功傳回的歷史數據(遙測站故障除外),確保各遙測站全部水文和工況數據完整準確地傳輸到中心站。

3) 具備現場或遠地編程的功能,可在現場或遠地對設備進行各項參數設置或讀取操作,也可用便攜式計算機提取儲存的數據。

4) 具備自維護功能,測站具有定時工況報告,低電壓報警、掉電保護以及自動復位等自維功能。中心站數據接收軟件具備監控遙測站工況和報警的功能,其報警依據的參數至少包括：各站定時數據是否成功收齊,異常的水文數據,電池電壓,遙測站備用信道設備是否完好,至GSM短信中心GPRS專線是否正常,中心站其它接收設備是否正常等,報警信息以便于查閱的方式提供,包括顏色變化,閃爍等形式。

5) 具有數據固化及軟件故障自恢復功能。所有重要的數據、設備具有軟件故障自恢復功能,即使在偶發事件中造成設備的軟件不能正常運行,2秒鐘以后能夠自行排出故障,自動恢復正常運行,而且數據不會發生任何錯誤,更不會丟失。恢復之后設備的功能和數據完全與發生故障前一樣。

6) 具備遠程校時功能,能通過GPRS/CDMA接收中心站指令自動校時,確保中心站與測站時間一致。

7) 信道切換。水情自動測報張當主信道出現故障時,可以自動、手動切換到備用信道進行自報。故障排除后可自動恢復到主信道。

中心站自動采集、儲存、傳輸、處理的數據誤差率低；通信系統具有信息接收的確認、重發、校驗機制,確保信息接收的可靠性。

8) 所有水情自動測報站均按微功耗要求設計,并配以合適容量的太陽能電池板浮充蓄電池,保證連續45天陰雨天氣條件下,設備能連續正常工作；并在陰雨天氣后,能在10～20 d時間內,將蓄電池充足。整個系統設備結構簡單、維護方便、具有很好的防雷擊、抗暴風和防濕等能力,能在惡劣的天氣環境下和無人值守情況下正常運行。

9) 在系統運行過程中,我們每月每年都有對系統運行指標進行統計分析(見表1),從表1可知系統穩定性有所提高。

表1 青溪水情遙測系統運行指標統計

2.水情數據合格率是南方電網評價水電優化調度和經濟運行統計指標。

綜上所述,雖然青溪水電站遙測系統本次升級改造投資約27萬,但是,整個工程無論是從設備選型、通信價格方面,還是現場施工、運行維護費、遠期擴展等各方面綜合考慮節約了很多生產成本。系統的穩定性、靈活性、可靠性比以往明顯提高；設備運行管理、維護檢修更加靈活便利,節省了物質資源和人工勞力。

5.3系統局限性及使用注意事項

1) 由于通信方式是GPRS(主用)和CDMA(備用)雙信道通信,當GPRS和CDMA信號意外中斷或不穩定則采用短信補發,產生了通信費用。所以在使用過程中查清數據中斷原因,如果是移動或電信原因中斷,則要及時聯系相關方做信號檢測,盡快維修設備。此外,辦理經濟實惠的消費套餐。

2) 服務器安裝在青溪廠區,通過青湖光纖連接,利用互聯網傳送給防汛調度決策系統外網通信服務器,一旦光纖、網絡意外中斷或維護改造,所有水情原始數據全部中斷(故障消除后可以補傳),如果故障發生在洪水期間,則會給水庫調度值班員帶來極大麻煩,這就要確保光纖、網絡通道完好,同時外網通信服務器要選用容量大,性能強,一旦出現故障則要及時搶修。

3) 網絡安全風險增大。日常管理中需要做好網絡安全加固,檢測工作,以防止非法訪問、病毒入侵。

6 結語

本次系統升級改造,本著價格適中、設備優良,技術水平先進,系統兼容性強、網絡結構簡單,系統可靠實用、易于維修等原則。完善原水情自動測報系統的各項功能,提高了系統整體暢通率和準確率,降低系統維護工作量,降低各測站維護時的安全風險,降低維修營運成本,提高系統運行的可靠性、準確性,滿足電站高效經濟運行和安全生產對水情自動測報系統的要求。雖然受移動、電信、公網通信影響的局限性,但是與超短波、海事衛星或其它通信方式比,在保證可靠性和性價比的前提下,改造項目設計更合理、功能更實用、系統更穩定,維護更方便。完全滿足水電站水庫調度、水務管理、電網對系統運行考核要求,值得在同行中推廣、應用。

[1] 南京南瑞集團水利水電技術分公司.廣東粵電青溪發電有限責任公司水情自動測報系統改造技術協議書[R].南京：南京南瑞集團水利水電技術分公司,2014．

[2] 浦亞,水情自動測報系統通信方式簡介[J].科技風,2009(13)：234．

[3] 程時宏,陽新峰.二灘水電站水情自動測報系統通信方式改造[J].四川水利發電,2007,26(3)：78-80.

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Hardware Upgrading of Automatic Hydrological Forecast System for Qingxi Hydropower Station

LIANG Hongying, ZHENG Fumeng

(1.QingXi Hydropower Station of Guangdong Yudean Group CO. LTD, Dapu 514299, China;2.Water resources & Hydropower Technology Company of NARI Group Corporation, Nanjing 210000, China)

Reconstruction project, types selection, system installation and operation condition of remote supervision system at Qingxi Hydropower Station are introduced. The advantages of GPRS &CDMA communication method are analyzed, so done the matters needing attentions. Well cost performance shows reasonable wide application.

hydrological telemetry system；collection server； communication method； upgrading

2016-04-26;

2016-06-13

梁洪英(1972),女,助理工程師,主要從事水文預報及水庫調度、水庫資源保護工作。

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