風(fēng)光互補(bǔ)無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)踐

王亞華 劉釗林 張曉濤

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都615000）

泄洪警報(bào)系統(tǒng)是確保電站安全運(yùn)行、保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全、避免電站泄洪時(shí)由于下游水位變化造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失的重要系統(tǒng)。泄洪警報(bào)系統(tǒng)應(yīng)具有即時(shí)、穩(wěn)定、可靠及覆蓋廣的特點(diǎn)。

我國(guó)在建及規(guī)劃待建水電站大多集中于云貴、川藏地區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜海拔高、易滑坡、多滾石，戶外施工及維護(hù)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，尤其在泄洪警報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行頻率較高的雨天，極易面對(duì)惡劣環(huán)境，因此冗余性高，穩(wěn)定性強(qiáng)的無線警報(bào)系統(tǒng)至關(guān)重要。[1]

本文通過對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，為無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)在地質(zhì)條件惡劣地區(qū)的使用提供有力參考。

1 系統(tǒng)性能要求

警報(bào)系統(tǒng)應(yīng)能播放預(yù)制錄音且具有強(qiáng)切播放人工信息功能，系統(tǒng)具有故障監(jiān)視及報(bào)警功能，冗余子系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)切換、故障切換功能，泄洪系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程、現(xiàn)地兩種控制方式，警報(bào)聲壓不小于80dB，[2-3]系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及存儲(chǔ)，運(yùn)行性能分析功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)按功能不同，將站點(diǎn)分別設(shè)計(jì)為控制站和播放站。控制站接收外部控制指令，并下發(fā)指令至播放站，播放站執(zhí)行播放命令。采用不同的信號(hào)傳輸方式，各站點(diǎn)組網(wǎng)不同，系統(tǒng)架構(gòu)不同，控制方式也有差異，信號(hào)傳輸架構(gòu)如圖1，2。[4]

圖1 FM 電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸圖

2.2 各功能組件設(shè)計(jì)[1，5]

2.2.1 能量收儲(chǔ)子系統(tǒng)

圖2 GSM 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸圖

播放站采用水泥采用風(fēng)電+太陽能雙系統(tǒng)進(jìn)行能量收集，采用大容量單體鉛酸閥控蓄電池進(jìn)行電能儲(chǔ)存，配備充電控制器進(jìn)行蓄電池充電控制及電壓轉(zhuǎn)換。蓄電池容量12V100Ah，風(fēng)力發(fā)電機(jī)300W/12V，太陽能板100W/18.1V，結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 能量收儲(chǔ)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 信號(hào)收發(fā)子系統(tǒng)

信號(hào)收發(fā)子系統(tǒng)在各類站點(diǎn)內(nèi)設(shè)置不同，控制站、中轉(zhuǎn)播放站、播放站信號(hào)收發(fā)功能不同，分別設(shè)計(jì)。

a.控制站

控制站采用GSM天線進(jìn)行GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)，通過同軸電纜傳輸至主控裝置。FM信號(hào)通過FM天線進(jìn)行發(fā)送，采用專門FM發(fā)射機(jī)連接至主控裝置，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為設(shè)定頻率的FM電臺(tái)信號(hào)。

b.中轉(zhuǎn)播放站

中轉(zhuǎn)播放站采用GSM天線進(jìn)行GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)，通過獨(dú)立同軸電纜將控制信號(hào)傳輸至主控裝置。FM天線進(jìn)行FM電臺(tái)信號(hào)接收，通過同軸電纜將信號(hào)送至FM收發(fā)機(jī)，轉(zhuǎn)換后將控制信號(hào)傳輸至主控裝置。主控裝置將控制信號(hào)通過FM收發(fā)機(jī)更換頻段后發(fā)送給該中轉(zhuǎn)站負(fù)責(zé)的播放站。設(shè)置一個(gè)對(duì)講天線連接至主控制器，在控制站整體故障或外部信號(hào)傳輸故障時(shí)，可以采用對(duì)講機(jī)進(jìn)行單站點(diǎn)啟、停，結(jié)構(gòu)如圖3。

圖4 中轉(zhuǎn)播放站系統(tǒng)組成圖

c.播放站

播放站在中轉(zhuǎn)播放站基礎(chǔ)上移除FM收發(fā)機(jī)，刪除FM電臺(tái)信號(hào)發(fā)送功能，保留其他功能。

2.2.3 站點(diǎn)主控制器

站點(diǎn)主控制器采用定制的無線預(yù)警設(shè)備及配件組成，可進(jìn)行信號(hào)收、發(fā)及轉(zhuǎn)換，站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信息的輸出，儲(chǔ)存錄音的讀取、轉(zhuǎn)碼及播放，輸出報(bào)警信號(hào)至戶外警報(bào)裝置。

3 實(shí)踐案例

某水電站位于雅礱江上，大壩庫容4.3 億立方米，泄洪警報(bào)范圍為大壩至下游16.2km 路段，設(shè)置1 面控制柜、20 個(gè)沿線泄洪廣播站點(diǎn)。20 個(gè)播放站采用桿塔式站點(diǎn)，泄洪廣播單點(diǎn)響度覆蓋范圍為半徑1 公里，相鄰兩個(gè)廣播占地間響度最小值不低于80 分貝，警報(bào)聲持續(xù)時(shí)間不小于30 分鐘。根據(jù)該電站實(shí)際情況，日照充足，播放站采用太陽能+蓄電池供電方式，中轉(zhuǎn)播放站采用風(fēng)光+蓄電池供電方式，控制站采用廠用交流供電方式。[1,5]

圖5 C 型播放站現(xiàn)場(chǎng)圖

在FM 電臺(tái)信號(hào)傳輸方式下，A 型站（#1 站點(diǎn)）通過硬接線接收到中控室啟動(dòng)泄洪警報(bào)后，無線警報(bào)設(shè)備開始播放內(nèi)置警報(bào)音樂，號(hào)角揚(yáng)聲器開始播放，同時(shí)，控制站FM 收發(fā)機(jī)持續(xù)發(fā)出高頻信號(hào)給B 型站（#6 站點(diǎn)）。#6B 型站收到高頻信號(hào)后，持續(xù)給#11B 型站發(fā)送高頻信號(hào)、#7-10C 型站發(fā)出低頻信號(hào)，C 型站接受到信號(hào)后，各站點(diǎn)開始警報(bào)。當(dāng)停止泄洪警報(bào)時(shí)，A 站點(diǎn)FM收發(fā)機(jī)停止發(fā)送信號(hào)，站點(diǎn)停止警報(bào)。

采用GSM通信啟停方式，在每一個(gè)站點(diǎn)設(shè)置GSM 卡，可進(jìn)行短信及移動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸。將站點(diǎn)及中控室衛(wèi)星電話號(hào)碼寫入每個(gè)站點(diǎn)白名單，接收到短信指令后，各站點(diǎn)會(huì)根據(jù)指令播放站點(diǎn)內(nèi)主控制器按順序存儲(chǔ)的錄音，聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警，成功執(zhí)行警報(bào)，并將播放信息通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸回控制系統(tǒng)。需要停止警報(bào)時(shí)，通過短信指令，所有站點(diǎn)停止警報(bào)，并將停止播放信息回復(fù)至中控室。

表1 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

GSM通信方式報(bào)警失敗原因?yàn)橥獠恳苿?dòng)通信服務(wù)商信號(hào)塔故障，導(dǎo)致河道整體區(qū)域無通信信號(hào)。FM電臺(tái)通信方式站點(diǎn)收發(fā)失敗原因?yàn)楦浇鼧淠久苷趽酢＝?jīng)過3 年長(zhǎng)期運(yùn)行觀察，無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，警報(bào)可靠，聲壓級(jí)滿足要求。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)系統(tǒng)電壓欠壓、控制箱開箱、喇叭無聲時(shí)，通過GSM 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回控制站，并顯示在無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)，錄入服務(wù)器。

4 性能優(yōu)化

4.1 在FM電臺(tái)通信方式下，對(duì)周圍環(huán)境有一定要求。當(dāng)周圍環(huán)境數(shù)目茂密，河道彎曲較多時(shí)，信號(hào)容易衰減，建議采用多波段玻璃鋼天線，經(jīng)驗(yàn)證有利于提升信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

4.2 GSM通信方式信息傳輸能力強(qiáng)，功耗低，但對(duì)外部移動(dòng)服務(wù)商信號(hào)穩(wěn)定要求高，可作為主用信息傳輸方式，電臺(tái)通信方式作為備用信息傳輸方式。

5 結(jié)論

風(fēng)光互補(bǔ)無線泄洪警報(bào)系統(tǒng)的避免了傳統(tǒng)有線泄洪警報(bào)系統(tǒng)建設(shè)難度大、工程成本高及設(shè)備可靠性低的缺陷。該系統(tǒng)的開發(fā)充分考慮高海拔地區(qū)滇川藏地區(qū)光照時(shí)間長(zhǎng)，陰雨天風(fēng)力充沛的條件，各子系統(tǒng)冗余配置，安全可靠，為滇川藏水電基地泄洪警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)提供一個(gè)可借鑒案例。