北疆水庫水情自動測報系統改造設計

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

北疆恰海水庫水情自動監測報告系統建于2002年，投入運行后，實現了水、雨數據的實時、快速傳輸，并進行了準確的預測和計算。在蓄水、連續重大洪水和特大洪水過程中，均能及時、準確地預報水情，為水庫防洪調度提供了科學合理的基礎數據，為防洪減災作出貢獻。

1 系統概況

北疆恰海水庫水情自動測報系統數據庫采用SQLServer2000,采用B/S結構實現基于Web方式的應用功能，具有實時數據顯示、歷史數據查詢、系統配置、圖表生成等功能。建設規模為1∶6∶42，即1個中心站、6個中繼站、42個遙測水情站,系統由中心站、中繼站和遙測站組成，通信方式為超短波，無信道冗余。中心站負責接收遙測站傳送來的數據，對數據進行存儲、檢索、處理、顯示和分析，為防洪、調度提供決策依據；中繼站負責信號轉發；遙測站主要完成對水位、雨量、氣溫參數的采集、存儲，并通過超短波電臺通信設備向中繼站、中心站傳送數據。

2 系統的功能和存在的問題

由于當時通信條件和其他技術條件的限制，北疆水庫水情自動測報系統經過連續12年的運行，該系統存在以下問題：

a.通信信道質量下降。隨著區域經濟建設的發展和人類活動的增加，特別是庫克蘇中繼站，超短波通信信道的質量受到一定程度的影響，傳輸數據經常丟失。

b.單數據傳輸通道。由于當時通信技術的影響，不存在冗余信道和備份信道，影響了實時數據采集，降低了系統的通暢率。

c.設備常年在野外使用，設備出現了不同程度的老化，蓄電池饋電、信號突然中斷、遙測儀數據亂碼,系統的穩定性受到一定的影響。

d.系統采用的技術和平臺由于其依賴指定版本的操作系統、數據庫軟件和辦公軟件，系統部分硬件停產，導致系統無法升級。

e.目前運行數據采集、通信、數據庫存儲和預報應用的服務器、系統工作站等設備運行負擔較重。

f.系統軟件功能不完整，如涉及安全的身份認證和報警功能，涉及業務應用的水文預報功能。

g.系統整體的可靠性、數據傳輸暢通率、設備的可維護性、數據的實時性和精度等關鍵性指標不能完全滿足智能水情自動測報系統要求。

3 水情自動測報系統的改造設計

3.1 升級設計總體要求

水情監測預報系統需要準確、及時、可靠的流域水雨情信息。作為局部改造的一部分，通過升級傳感器設備、數據采集設備、數據遠程通信終端設備、系統通信網絡等，對水情監測與報告系統進行升級，數據精度、數據暢通率可以達到更高的精度。該系統支持IEC61850標準通信協議，可以訪問控制中心的高速數據總線，與其他相關系統共享數據，為洪水預報、防洪調度和發電調度提供科學、準確、詳細的基礎數據支持。數據庫表結構符合《水情信息編碼標準》(SL 330—2011)和《實時雨水情數據庫結構和標識符標準》(SL 323—2005)。

3.2 系統總體結構

遙測站網：雙通道通信網絡是當前水文遙測系統的主要通信組網方式，也是當前水文編碼的要求。整個遙測系統網絡應采用GPRS/短消息信道、北斗衛星雙信道通信組網模式，各遙測站采用雙信道建設模式，各站數據通過GPRS/短消息信道和北斗衛星模式發送到控制中心。組網結構見圖1。

圖1 測站組網結構示意圖

數據采集：控制中心部署數據采集軟件和設備，并根據需要配置相應的網絡、通信服務器、數據庫服務器等。遙測站數據通過GPRS/GSM、北斗衛星發送到控制中心的采集服務器，并通過通信服務器傳輸到數據庫服務器。對數據進行處理和分析，進行洪水預報。數據采集部分結構見圖2。

圖2 水情測報系統數據采集部分結構示意圖

3.3 系統工作體制

采用自報式工作體制。

3.4 系統技術指標

3.4.1 集成性

系統中的每個功能模塊應該是相對獨立的，任何功能模塊的失效都不應導致其他功能模塊的失效。各功能模塊應盡可能遵循統一開放的集成標準，以實現各軟件模塊的方便集成。現場遙測站應將數據采集器(RTU)、通信設備、傳感器適配器、太陽能充電裝置等集成到標準底盤中。傳感器、天線和太陽能電池板等外部設備可通過遙測終端上的標準接口(或封閉入口)進行訪問。

3.4.2 開放性和可擴展性

系統應采用開放式技術和標準。在硬件方面，標準設備應便于交換，并為系統增加新設備；在軟件方面，應便于系統軟件和應用軟件的擴展和升級。

3.4.3 數據實時性

整個水文遙測系統的數據應在5min內采集。在可靠性方面，遙測數據采集、傳輸和接收的完成率不小于95%。遙測系統設備MTBF≥25000h，中央計算機系統設備MTBF≥35000h。在不阻塞率方面，水文遙測系統在規定條件下，在規定時間內采集數據時，每月平均暢通率為不小于98%。就維修性而言，MTTR的平均維修時間通常為20min。設備故障數據收集器應該能夠在本地日志中記錄或遠程提取。硬件上有不相連的點，便于測試和隔離故障。可使用在市場上購買的標準電子、電氣和機械部件，以確保系統的長期可用性。

3.5 系統功能

3.5.1 遙測數據采集

能夠測量和收集以下物理量：降雨量、水位、流量、電池電壓、太陽能充電狀態、視頻數據(靜態或動態圖像)；遙測站的RTU應支持接入符合以下接口或協議的傳感器：4-20MA、格雷碼、SDI-12、RS232、RS485、脈沖信號、頻率信號(1-2kHz)、Modbus協議；對于基本水文數據，系統收集的最小頻率不應超過5min一次。

3.5.2 遙測數據傳輸

遙測站和數據中心站應支持基于以下通信信道的數據傳輸：北斗衛星、GPRS(中國移動通用無線分組業務)、CDMA1X(中國電信寬帶業務)、SMS(短消息)、VHF(超短波)、PSTN(公共電話交換網)。基于上述信道的采集功能必須在一個程序中實現，不能分成多個程序。

3.5.3 中央臺站的數據采集

數據采集軟件應該是基于開放的模塊化設計，這樣可以方便地擴展未來可能使用的其他通信通道或協議，而不需要調整現有的總體結構。配置正確的通信設備和傳輸信道，以接收由遙測站發送到中心站的原始消息。它集成了各種通信信道驅動程序和通信協議，可以與通信設備交互，解碼接收到的原始消息，獲取實際數據。具有與后臺數據庫的接口，實現接收實時數據寫入后臺數據庫。遠程呼叫遙測站具有當前數據、歷史數據傳輸，修改遙測站關鍵運行參數，下載程序等功能。

3.5.4 遙測站的功能要求

考慮到目前的應用和未來的擴展，遙測站軟件應該支持不少于10個傳感器，并且可以設置傳感器的自動采集間隔。所有收集到的數據都應用時間刻度存儲，數據存儲的時間尺度應與收集數據的時間尺度相同。傳感器數據可以在一定的時間間隔內發送到中心站，并且可以設置自報間隔。支持超限消息。遙測站在判斷數據傳輸失敗時，應能將所有未成功傳輸的數據存儲在非易失性介質中，等待通信信道恢復正常。必須能夠提供基于北斗衛星的定時功能。支持RTU參數設置和通過PC、筆記本計算機或其他PDA終端進行程序更新。

3.5.5 數據接收和處理軟件需要具備的功能

可以采集各種通信系統(如衛星、超短波系統等)的雨水信息，檢查數據的合理性，糾正誤差，自動分類存儲在數據庫中。接收到的水文數據實時計算并存儲在數據庫中。數據庫分別建立實時數據庫和歷史數據庫。統計不阻塞率、通信時間、原始數據和各種組合查詢；遙測站設置、故障監測、報警和工作狀態監測、信號減少或中斷報警；數據網絡存儲和安全管理；各種圖形、報表生成、顯示、打印和報表管理；用戶手動修改，輸入數據接口。

3.5.6 數據庫系統軟件要求實現的功能

遙測站點屬性的定義，每個站點的添加、修改、刪除，系統接口的定義和過濾參數的定義；數據庫中的數據被查詢、檢查、手動修改(設置權限)，數據的手動輸入、插值、備份和加載等。繪制雨量條圖、等值線圖、水位流量關系曲線、水位和水庫容量曲線，并與洪水預報和水庫調度系統數據庫進行共享。數據庫數據備份和數據庫數據恢復管理。

3.5.7 數據庫管理需要的功能

進行實時遙測數據庫和雨水數據庫的選擇；進行基于表和關鍵詞的簡單查詢；對數據庫中的數據進行添加、刪除、修改等日常維護；提供圖形人機界面，保存工作狀態數據，刪除工作狀態數據，備份數據庫，清除事務日志。對于人工觀測數據，系統提供了人工觀測數據插值的接口。提供圖形人機界面，提供數據存儲程序，具有識別不合理數據和處理能力。

4 結 語

北疆恰海水庫水情自動測報系統在水庫防汛調度中發揮著不可替代的作用，為充分發揮水庫的防汛抗旱作用，使水庫管理人員科學調度,該測報系統改造在總體設計上本著綜合分析、揚長避短、合理規劃、優化設計的原則,保證系統的穩定可靠、技術先進,并兼顧系統籌建運行的經濟性，能夠及時準確地為防汛和發電調度提供科學的依據。