天湖電站水情自動測報系統建設

滿運明，賀 強，蔣傳明，劉黎昕

（1.廣西桂水電力股份有限公司天湖發電分公司，廣西 桂林 541500；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

1 概述

天湖水電站位于廣西壯族自治區全州縣才灣鎮境內，水源區地處1 400 m 以上海拔高程，電站水頭高達1 074 m，為我國第一座水頭超過千米的水電站,多年平均降雨量約2 200 mm，地處桂林市主要暴雨形成區域，每逢汛期極易發生局部山地洪水，嚴重影響電站及周邊村鎮人員生命、財務安全。

經調查，天湖水電站運行至今，雖然也積累了一些水文氣象信息數據及洪水預案，還都處于紙制或計算機文本、文字版本，未進行系統化、規范化、標準化和信息化處理，也未形成流域水文數據實時觀測和自動化軟件支持，現階段無法滿足天湖水電站洪水預報、運行期安全、電站發電調度等需求，建設水情自動測報系統有著重要意義。

如何利用現代電子信息技術及時、準確收集流域水雨晴信息是防汛調度的關鍵，水情自動測報系統是實時、可靠、快速了解流域內監測點水雨情、流量、氣象等水文信息重要手段，可為水庫的安全運行提供科學管理的基礎資料及決策依據，有利于掌握洪水規律、科學調度指揮，將自然災害所產生暴雨、洪水造成的損失降到最低，同時有利于增加發電效益。

2 系統總體設計方案

2.1 系統建設總體目標

建設一套水情水調自動化系統，該系統具備對所屬區域內雨水情自動監測、數據存儲、查詢、分析、洪水預報及水庫調度等功能，同時考慮技術先進性、性能可靠性、數據信息傳遞實時性及投資經濟性。

2.2 系統總體設計方案

天湖電站水情自動測報系統由兩部分構成：即遙測站、中心站。系統通信方式為GSM/GPRS。現階段市場主流組網方案主要有超短波、GPRS/GSM移動通信、衛星等3 種，GPRS/GSM 移動通信信道組網相比其它方式的優點包括：①利用公共通信網絡，省去大量的建設和維護工作；②因為使用公網，信道、頻道數量眾多，使用不受限制；不受距離、地形的影響；③通信質量較好，具有極高的抗干擾、保密性；④數據傳輸實時性強，數據傳輸延時微小；⑤建設等級高，通信線路抗雷電、大風等自然災害襲擊能力強，同時不易受到人為或動物破壞；⑥設備耗電小，費用低廉。遙測站數據采集發送工作體制采用混合式，以定時向報為主，具備閥值自報、定時自報的功能，并能響應中心站的召測和查詢。中心站具有數據管理、智能報警、數據查詢、統計分析和預報調度等應用軟件功能。

2. 3 總體建設要求：

系統設計符合國家、行業現行的相關標準；系統具有可靠、實用、先進、兼容性；

系統適應通信環境的要求，具有較高的抗電磁干擾能力；

系統有集水文自動測報、水情分析等功能為一體的接口，可形成一整套適應地區區域水情信息采集的管理系統。

3 遙測站網布設方案

3.1 站網布設原則

天湖電站水情自動測報系統遙測站網布設應服從滿足水電站所屬流域總體防汛規劃和系統建設的目標及發電生產需要，符合設計原則和建設要求，并滿足洪水預報精度的要求，擬建設各遙測站，均地處桂北高寒地區，為桂林市主要暴雨形成區域且山欒疊嶂起伏，支流短小，造成洪水傳播時間短，瞬間水量大等特點。

本系統設計應遵循以下原則：

（1）將系統整體可靠性和實時性作為第一原則。

（2）所有遙測站布設在野外，各設備運行都需適合野外惡劣環境，要求設備低功耗、防雷電、抗電磁干擾；還必須具備防高低溫、高濕度、防水等功能，達到自動監測運行、無需人工參與。

（3）本系統最大程度優化遙測系統規模和節省投資。

3.2 布設方案

本系統的遙測站布設要求能較好地監控區域內各重點水庫的水雨情變化。根據本系統建設的目標任務，確定中心站l 個，位于天湖電站水源管理工區;水位雨量站遙測站4 個，雞公凸四級站、真寶頂水庫放水口、海洋坪放水口、天湖電站尾水渠，水位站 6 個，分別位于天湖水庫、茶坪水庫進水口、放牛坪放水口、雞公凸三級、尾水一級前池、尾水二級前池，天湖前池流量站1 個，位于天湖發電站前池，共布設各類站點11 個，站點布置見圖1。

圖1 天湖電站水情自動測報系統站點布置圖

4 遙測站設計

4.1 結構及主要功能

主要由傳感器、數據采集器、通信終端和供電系統等四部分組成，見圖2。

圖2 遙測站系統結構圖

遙測站具備功耗低，適應多種工作環境，各類型傳感器接入，方便的安裝調試方式，操作靈活。遙測站整體采用不繡鋼柜式結構。

4.2 系統工作流程

系統中所屬各處遙測站，所監視各種水文要素發生變化，RTU 立刻進行數據采集操作、水文要素數據經由遙測站通信設備上送至中心站通信接收設備，并且傳遞至接收計算機中，實時完成資料預處理后存入數據庫。

圖3 遙測站系統工作流程圖

4.3 設備選型

根據招標文件和圖紙的要求，參照國內類似工程的應用實例，①可靠性和低功耗：本系統所屬各遙測站點均建設在桂北山區，自然條件復雜、汛期高溫高濕、冬季寒冷的無人值守的野外環境，現場無市電電源或線供電源，因此遙測站的低功耗設計尤其重要。遙測設備的低功耗不但可以減少遙測站整體耗電量，降低電源系統配置，延長工作時間，提高系統的穩定性和可靠性。②簡便性和通用性：設備具有操作簡便、功能齊全，能夠采集多種水文信息通用性。本系統遙測站RTU 全部選用國產HR9000-MB09 型數據采集器，雨量傳感器全部選用國產JDZ05-1 型翻斗式雨量計。

4.4 供電方案

建立單獨的供電系統，遙測站采用12 V 蓄電池供電，輔以太陽能充電，經過綜合計算后，選用功率為20 W 的太陽能板一套，1 塊輸出電壓為12 V，功率為38 Ah 免維護蓄電池，內置充電控制器。

4.5 遙測站土建方案

如今在市場水位計類型眾多，原理各不相同，國產投入壓力式水位計憑借無需測井，安裝便利、利用更換、價格低廉、維修方便等優點，近年來，大量應用在國內水利水電工程中，本系統投入壓力式水位遙測站土建的主要工作相對簡單，內容由兩大部分構成：水位傳感器入水端設施、電纜護管等。

壓力式水位站點選址應關注以下3 點：

（1）岸坡的穩定性。應避開容易發生滑坡坷塌等地質災害的地段。

（2）坡度的均勻性。應在最大水位和最小水位變化范圍之內，選擇坡度較直且比較均勻地段。

（3）水流的平緩性。應避開水流強沖擊和泥沙易集中淤積的斷面。

5 中心站設計及應用軟件功能

5.1 軟件系統建設要求和任務

軟件系統建設的要求是：由于工程涉及水庫較多，關系極及復雜。建立一套實現對區域內雨水情自動測報、快速匯集、洪水預報及水庫調度之功能，將數據采集、數據統計管理、雨水情信息查詢、預報軟件、調度軟件等所有功能集成為一個軟件系統。軟件功能如圖4。

圖4 軟件功能圖

5.2 系統架構及網絡結構

系統總體由三個主要部分組成，從底層到上層分別為數據庫、后臺服務端、前臺應用端。后臺服務由多個獨立的服務程序組成，一方面從數據庫提取數據，另一方面將數據整編處理后以接口方式提供給客戶端調用。前臺客戶端是由多個功能模塊組成一個交互程序，提供水調運維人員全部的操作及界面。

系統在中心站及分中心各部署一臺服務器、一臺工作站，安裝同一套水情自動測報軟件系統，兩地具備獨立的運行環境及接收數據、查詢數據的功能。中心站與分中心站之間連通網絡，兩套系統互為備份，軟件系統具有數據同步功能，一地缺失數據可以從另一地自動補錄。

5.3 數據庫設計

按數據類型及時段進行分類存儲。分類如下：

（1）遙測站采集的原始數據

（2）實時數據

（3）小時數據

（4）日數據

（5）旬月年數據

（6）預報未來水位流量數據

（7）不同方案調度的調度過程數據

（8）考核成果數據

（9）系統管理數據，包括用戶、權限、系統配置，計算參數等數據

5.4 應用軟件功能開發

中心站應用軟件主要功能是對所屬各遙測站，所發送的各型實時數據進行進機、處理、存庫、分析、展示。包含以下應用模塊:

（1）遙測數據采集。實時接收各遙測站所發送的各類水文數據。

（2）數據整編。將遙測站所發送的初始數據轉變成實時數據。

（3）數據查詢。可使用表格、曲線圖及地圖等方式完成遙測數據查詢操作。

（4）數據報表。數據報表是數據的二次加工，將不同類型、不同時段的數據按一定的格式或按一定的專題組合成報表。供用戶查詢及上報。

（5）洪水預報。主要功能有初始數據處理、制作洪水預報成果、調整參數、方案管理等。

（6）水庫調度。把水文預報結果作為數據來源，自動制作和計算水庫調度方案成果。

6 結語

系統于2021 年10 月完成至2022 年3 月，采用水情自動測報系統中常用的暢通率分析方法，對流域內各站定時、閾值數據進行統計分析，選取最近5個月定時報和閾值報應收數據與實收數據進行對比。結果如圖5、圖6：實時與應收數據曲線吻合，系統各站暢通率均達到97%以上，滿足系統建設要求。系統運行穩定可靠、數據及時準確，達到了系統建設的預期目標，也證明其系統結構合理，方案和方法可行。該方案的應用，為國內水電廠類似水情水調系統建設提供了示范案例，具有積極的參考意義。

圖5 系統暢通率統計

圖6 各站定時報統計

期望用戶加強管理與維護，在今后實際運行工作中不斷的分析和探索，總結經驗，再進行創新和挖掘，能更好的發揮系統應有的功效。