通信技術在黃龍灘水情測報系統的應用發展

郭 易，張 力

（1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.國網湖北黃龍灘電廠，湖北 十堰442011）

黃龍灘電廠水情自動測報系統是我國自行研制的規模較大、功能較全的防洪調度系統，為國家“七五”重點科技攻關項目，由中國水利水電科學研究院和黃龍灘電廠共同承擔建設完成。該系統1983年確定初步方案，經過3年現場測試，于1986年10月投入試運行，1989年通過原能源部技術鑒定，次年正式移交黃龍灘電廠使用。1991年榮獲國家科技進步獎。

該系統順應微電子及通信技術水平的發展分別于1995年、2001年、2007年、2013年、2018年對軟、硬件進行了5次規模較大的技術完善改造。通信方式由超短波、海事衛星、北斗衛星、GSM短信通信，變動到衛星及移動通信的使用，通信組網由自主組網變為使用公共網絡，取消了中繼站，大大降低了系統的維護成本，提高了系統通信穩定性。移動通信的使用，相對衛星通信大幅度降低了設備成本和通信費用。目前主備混合組網保證了系統全天候的運行。

1 起步

由于當時國內的技術條件，最艱巨的工作是通信布網。結合當時設備狀況和前期的試驗成果，技術人員決定采用超短波通信方式進行通信布網。1981年冬季在鄂西北黃龍灘水庫流域內的山區，技術人員為了摸清超短波傳輸特點開展了針對高山復雜地形的超短波通信試驗。艱辛工作得到的試驗結果對通信布網設計起到了十分重要的作用。為了完成流域內所有遙測站的水情信息收集，技術人員在超短波通信布網設計中，通過建立最少的中繼站從整體上選擇最優通信途徑。技術人員通過長期的實地測試，在信道反復計算的基礎上，多次針對中繼站選址，終于在1985年完成全流域的超短波遙測通信網的設計工作。系統規模為中心站1個，分中心站1個，中繼站4個，遙測站22個，電廠調度站作為中心站，九華山分中心通過陶家坡干線中繼站與中心站通信，遙測站分別通過天寶監、紅崖寺、前坪3個中繼站通信。

各遙測站點特性參數參見表1。

通過反復測試，技術人員決定采用日本TAD-M7系列設備，當時是80年代較先進的產品，采用了頻率合成，EPROM寫入頻率法選擇頻率。黃龍灘于1995年對系統進行了升頻改造，從150 MHz升至230 MHz超短波通信系統。系統的可靠性經受住了自然環境的長期考驗，該系統的超短波通信設計方法在水情自動測報系統工程中多次推廣應用。

2 改進

自1986年投入運行，系統長周期時間的運行造成野外遙測站設備出現了疲勞和老化的狀況，超短波通信的穩定性和遙測站的設備安全性都出現問題；部分中繼站和水位站運行環境發生了很大變化，在很大程度上會影響整個水情系統的正常運行，同時也加大了系統維護工作量。

表1 遙測站點特性表

為了適應通信技術的飛速發展和對水情預報、調度決策準確性、實效性的更高要求，2001年對所有超短波的通信、電源、雨量傳感器等主要系統設備進行了全面升級換代，選用了日本日精ND889超短波電臺，又于2007、2013年分別對遙測系統處在位置偏僻、信道不好、需要分中繼遙測站的升級為衛星通信方式，并撤銷了紅崖寺、老碼頭、前坪等3個分中繼站，與其他超短波遙測站組成衛星、超短波混合通信系統，并對竹山、鄂坪等主要雨量水位站采用了衛星、超短波雙線運行通信方式。

衛星通信在水情測報系統里運用，首先應用了Inmarsat海事衛星。Inmarsat海事衛星有不同類型的移動終端，其中Inmarsat-C移動終端支持雙向衛星通信終端，設備輕巧、功耗較低，使用L波段（1.5/1.6 GHz），對雨、霧的衰減非常小，傳輸信息穩定，提供速率為600 bit/s雙向、存儲轉發式數據信息或電文通信，適合水情信道利用率低、信息數據量小的特點。水情自動測報系統采用太陽能供電方式，通過Inmarsat-C移動終端可以實現雙向通信，中心站定時對測站進行巡測和召測，可控制衛星設備電源（僅數據通信時供電）。本系統中采用的INMARSAT衛星系統服務主要和北京船舶通信導航有限公司合作，數據終端設備選用丹麥生產的TT-3026 L型。

2010年后，海用產品C/MINIC的新一代終端TT-3027型設備已經無法提供水情系統使用的點對點通信方式服務，北京地面站的服務也停留在維護以前使用的用戶范圍，隨著用戶的減少，服務力度逐步減小，也就是說已經沒有新的硬件替代產品，軟件服務也逐步萎縮。

近年衛星通信技術的國產化勢在必行，并且我國衛星技術飛躍式的發展，技術人員決定選用北斗衛星系統，衛星服務與北京神州天鴻科技有限公司合作。北京神州天鴻科技有限公司是北斗系統民用運營商和設備生產制造銷售商，建立了民用用戶服務支撐平臺，包括北斗空間衛星、北斗地面總站及民用網管中心以及北斗民用協議終端三大部分。通過對不同型號北斗通信設備的反復比較，技術人員選用了YDD-3-01型北斗衛星分體通信型用戶機，該通信設備集成度高、體積小、功耗低可滿足雙向通信，且通信費用低廉，比較適合水情測報系統水情數據量小、信道使用率低的通信特點。

3 現狀

經過多年運行，通過合理優化站網結構，現正在使用的堵河流域內黃龍灘水庫壩址以上測站共計28個測站（表2），其中水位/雨量站6個，雨量站20個，水位站2個，站網密度約424.7 km2/站。

表2 黃龍灘電廠遙測站表

表2中的遙測站能基本滿足黃龍灘水庫壩址及其以上流域的洪水預報和水庫調度要求，站網布設較合理，站點位置圖1所示。

圖1 黃龍灘電廠遙測站點圖

目前，移動通信技術在水情自動測報系統中開始成為主要的通信手段，不需要組建專用網絡和維護網絡，安全保密性高，且覆蓋面廣，與傳統的超短波等通信方式相比，有著明顯的優勢。手機短信服務（簡稱SMS）在蜂窩移動通信系統中被廣泛應用的通信功能，通過全球移動通信系統（簡稱GSM）網絡來傳輸。

黃龍灘水電廠水情測報系統也隨之進行了技術更新，采用了雙通道工作模式即以手機短信服務為主通道，北斗衛星為備用通道。在水情自動測報系統中測站至中心站的數據接入方式可以采用點對點直接接入方式或專線接入方式，針對水情測報系統數據量絕對值不大的情況，采用專線的意義不大，并且專線需經過Internet，有安全方面的風險。因此，在本系統中采用了點對點接入方式。在遙測站、中心站分別配置GSM短信模塊等配套設備，當定時報或需加報時，遙測站RTU自動啟動GSM模塊，將信息經移動短信中心傳輸至中心站。

圖2 采用GSM短信（點對點）方式通信組網結構

4 總結展望

黃龍灘電廠水情自動測報系統先后選用了超短波、衛星通信、移動通信（GSM），我們通過多年系統運行，比較各種通信方式，總結如表3。

表3 通信方式總結

通信技術在黃龍灘電廠水情自動測報系統中的應用發展，不斷提高了系統通信的可靠性，并且降低了通信費用，減少了人工維護的強度。

當今，5G技術的發展成為各個行業的焦點，萬物互聯、智慧電廠概念風起云涌，水情感知要素的準確及時采集和傳輸是全面提升電廠信息化水平的基礎，將傳感器、無人機、電子遙感、工控設備監控等先進的物聯網技術運用到智慧電廠感知要素的信息采集和傳輸中，利用物聯網技術的實時性和先進性，推進電廠信息化建設，以帶動電廠現代化，并實現國家大數據戰略。我們需要融合多源信息，綜合判斷水情，水情感知手段目前以地面站點觀測為主，未來將結合衛星遙感技術、視頻監控、智能識別技術、大數據分析等新技術。黃龍灘水情自動測報系統的幾次改造還是停留在地面站點觀測的基礎上，相信未來將實現自動化、無人化、立體化、一體化的監測體系。

黃龍灘系統作為首套國產的、擁有自主知識產權的水情自動測報系統；具有優于國外同類產品的工作體制、軟硬件設備，填補了該專業領域的國內空白。該系統伴隨著不同通信手段在水情測報系統中的應用，緊跟水情技術發展潮流，保證了系統的先進性和實用性。系統多年以來運行可靠、數據傳輸準確，年平均通暢率達到95%以上，為黃龍灘電廠防洪、度汛、水庫調度提供了可靠的決策依據，為洪水削峰、錯峰，保護下游安全起到了重要的作用。