烏溪江水電廠水情自動測報系統改造

曹坤

摘要：烏溪江水電廠水情自動測報系統在電廠日常運行調度中地位舉足輕重，保證其可靠穩定運行更顯得尤為重要。通過對GPRS和超短波中繼站的改造，降低能量消耗，提高數據精度，運行更加經濟，充分發揮水情自動測報系統防汛調度作用。

關鍵詞：GPRS；超短波；中繼站；水情自動測報系統

引言

我國的水情自動測報系統從70年代末起步，并在1986年引入烏溪江水電廠（下簡稱烏電），從半人工發報到現在的無人自動測報系統的建立，已經伴隨烏電走過了30年的風雨歷程。在目前流行的超短波通信、PSTN、衛星通信、GPRS、GSM等中，烏電使用的是超短波通信和GPRS兩種。由于超短波通信是一個獨立的通信網絡，不借助全球定位系統和通信衛星，不受外部條件的制約，因而使用最為廣泛，同時也成為烏電水情自動測報系統的主要通信方式，而GPRS作為超短波通信的一種備用通信。通過對水情自動測報系統改造，保證中繼站的可靠穩定運行，降低系統運行費用，充分發揮水情自動測報系統的防汛作用。

一、改造背景

黃壇口壩址以上控制流域面積2388平方公里，流域多年平均降雨量為1770毫米，水情自動測報系統根據水情需要分別設有11個雨量站，3個水文站，6個水位站，3個中繼站。各測站每天發送定時數6個，水位變化每5厘米發一次，雨量變化每1毫米發一次。系統采用傳統GSM短信模式和超短波中繼雙電臺模式，短信和超短波每站每年各發送兩千次左右，每個中繼站需要轉發達到四萬多次，能量消耗大，數據準確度卻并不高，并且系統運行維護成本高。

二、超短波中繼站改造

超短波傳播具有視距傳播特性，即電磁波沿直線傳播，而地球表面是個曲面，因此若在通信兩地直接通信，且天線架高有限，當通信距離超過一定數值時，電磁波傳播將受到地面的阻擋，要想傳播得更遠，就必須依靠中繼站轉發，因而中繼站是水情自動測報系統的最關鍵環節。所以提高中繼站的可靠性尤為重要。

超短波通信系統由終端站和中繼站組成。終端站裝有一部電臺和天線。中繼站則有通達兩個方向的電臺，以及相應的天線。烏電中繼站共3個，中心站1個，分別是大風嶺中繼站、茶園中繼站、湖南鎮中繼站和基地中心站。中繼站承擔了轉發各個測站的所有數據轉發任務，每年轉發幾萬數據，能耗大，讓蓄電池經受了嚴峻的考驗。到了汛期，連續數月的陰雨天，為保證安全度汛都要提前更換電池，更換難度大，同時費用高。在環境無法改變的情況下，通過降低設備能量消耗，延長電池使用時間，從而提高中繼站的可靠性。

過去設備超短波電臺頻率設定，普通測站設為1頻道，大風嶺中繼站設為4頻道接收和2頻道發送，湖南鎮中繼站5頻道接收和3頻道發送，中心站設置為6頻道接收。

烏電中繼站使用的蓄電池容量為100安時，電壓12V。電臺發數功率為50W，上電延時 100毫秒，待機電流100毫安，保持正常工作電池電壓必須大于11V。

通過計算由此可以得出：P=12V*100A=1200W=1.2KW

按照使用兩部電臺，并且同時提供GPRS電量的情況下，中繼站蓄電池可以保持3個月左右的穩定電量。經過研究將3頻道接收頻率由原來的163.65改為2頻道163.6成功解決了雙電臺的問題，普通測站用2頻道發，小中繼用3頻道，大風嶺中繼用5頻道，中心站用6頻道，用1頻道與4頻道通話。測站通過2頻道發送數據到大風嶺5頻道，再通過5頻道發送至小中繼3頻道，最后發往中心站，由于不成對，所以無法進行通話只能單向傳送數據。這樣一來中繼站只需要一部電臺就可以完成數據轉發，減少接近一半的能源損耗，完全能夠保證中繼站在沒有太陽能的條件下正常工作6個月，增強了水情自動測報系統的可靠性，同時節省了大量的人力物力。

三、GSM模塊改造

GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊電路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。GSM模塊根據其提供的數據傳輸速率又可以分為GPRS模塊、EDGE模塊和純短信模塊。

改造前，烏電水情系統使用純短信模塊，短信模塊只支持語音和短信服務，訪問速率也僅有9.6kbps，再加上工作于原始森林深處，存在傳輸數據速度慢，短信費用相對較高。在考慮到經濟性，水位站只能設置為相對較高的5公分變化，這就給水位變化的時效性、準確性相對滯后。GPRS的傳輸速率從56K到114Kbps不等，理論速度最高達171k。GPRS模塊區別于傳統的純短信模塊，相對于短信模塊的訪問速度而言，GPRS擁有更快的訪問數據通信速度，GPRS技術還具有在任何時間、任何地點都能實現連接，永遠在線、按流量計費等特點。GPRS模塊就是一個精簡版的手機，集成GSM通信的主要功能于一塊電路板上，具有發送短消息、通話、數據傳輸等功能。GPRS模塊相當于手機的核心部分，如果增加鍵盤和屏幕就是一個完整的手機。普通電腦或者單片機可以通過RS232串口與GPRS模塊相連，通過AT指令控制GPRS模塊實現各種基于GSM的通信功能。提高了數據傳輸的時效性，同時大大降低了系統的運行費用，更準確和穩定，水位變化可以調整到每變化1公分發數一次。

同時增加了藍牙模塊，調試只需要攜帶手機即可，擺脫了必須通過電腦來調試設置的問題，減輕了負重。

在能耗方面，GPRS模式等待電流特別小，小于10微安。增加了GPRS上線檢測功能，一旦檢測到數傳儀的GPRS穩定在線，即進行數據傳送，進一步減少運行的時間，降低功耗。

采用GPRS模式，僅用6V電池供電，購買太陽能電池板的瓦數減少一半，蓄電池的體積減少一半，大大減少購買太陽能電池板與蓄電池的成本。數傳儀的外殼里裝有10安時的鋰電池，該電池充滿電，用于水位、雨量站每五分鐘發一個數可運行半個月，因此須接太陽能電池板，實際上遙測數傳儀可以不用太陽能電池板，以免安裝的煩惱與破壞景觀。可只用蓄電池，1個100安時的6V蓄電池測站五分鐘發數一次可運行一年。

四、結語

烏溪江流域面積廣，系統維護難度大，通過對系統關鍵環節的改造，降低能量消耗和系統運行費用，同時提高數據準確可靠性，充分發揮了超短波通信和GPRS通信的優勢，使得系統在現有的技術條件下可持續性大大提高，成功肩負起水情自動測報系統在水電廠運營過程中的重要使命。

參考文獻：

[1]漆凌云.提高超短波中繼站可靠性的經驗和體會.水電自動化與大壩監測，第28卷第1期.

[2]黃勇峰.介紹幾種超短波中繼站信號干擾分析及解決方法.水利水文文化，2007年第四期.endprint