微波設備用于水電站通信系統升級改造過程探討與應用

張 帥，梁明華

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 項目概述

尼泊爾上博迪克西水電站位于加德滿都東北方向約110 km 處，水電站為低壩長引水式，主要建筑物包括：混凝土重力壩、溢洪道、沉砂池、引水隧洞、調壓井、地面廠房等。電站裝機容量為2×22.5 MW、單機發電流量為18.4 m3/s，水電站于2001 年正式投產發電。2015 年經尼泊爾大地震后引水管道破損，2016年經歷了特大洪水事件，致使大壩主體工程損毀，廠房淹沒1 m，安裝間以下全部泡在水中長達6 個月。廠房所有系統基本全部損毀，通信系統中斷，修復困難。

2 改造背景

2015 年和2016 年本工程經歷了兩次比較嚴重的自然災害事件。兩次事件分別造成了廠房、明裝壓力鋼管等設施不同程度的損壞。因此，業主決定停機并對損壞部位進行修復，同時借此機會將廠房與大壩之間的通信系統進行升級改造，以提升電站的運行效益，降低電站運行安全風險。

電站原來的通信系統為架設架空線，敷設光纜和電話線，受自然災害影響，雨季期間尼泊爾脆弱的通信系統不能保證全天候通信無中斷，基站隨時有可能停電、停網，架空線也經常被泥石流沖壞，通信系統不能得到保證，不能隨時掌握大壩水位水情，給電站帶來了極大的安全隱患，隨時面臨停機檢修。根據業主訴求，此次改造將電話系統、監控CCTV 系統以及大壩現地控制單元LCU 同時接入廠房中控室，保證隨時監控大壩水位和設備安全。因此，基于業主的技術要求、安全要求及成本預算、現場現有條件等幾方面因素考慮，確定此次通信系統升級改造的技術研究方向及目標。

3 通信系統升級改造過程探討

3.1 現場條件分析

廠房在大壩下游側3.4 km 處，經度85.926 92°e，緯度27.913 19°n，海拔高度1 377 m；大壩經度85.944 08°e，緯度27.939 43°n，海拔高度1 462 m，處于喜馬拉雅山脈，地質差，經常發生泥石流、地震等自然災害，所以對于選址和設計要求極高。廠房與大壩之間不能直接目視看到，中間山體遮擋，不能選用直線的微波傳輸，且樹木林立，對信號傳輸影響很大，需對有影響的樹木進行砍伐，避免干擾信號傳輸，當地社會環境復雜，征地困難，故不能選用以前架空線，且架空線容易斷，維護費用昂貴且維護困難，自然災害頻發，不能保證在雨季期間的安全，電站機組停機會造成巨大的經濟損失。經現場勘測，在距離廠房上游1 km 的河岸對側山肩處適合設置中繼站，經度85.929 57°e，緯度27.921 92°n，海拔高度1 500 m，通過天線傳至大壩，中繼站位于山肩，電力系統不穩定，若采用有源中繼站，需穩定電力，山肩的光照時間不足，如采用光伏發電需配備很大的電池組，增加后期運行維護難度，經過與業主、廠家以及設計溝通，確定采用無源中繼站，無源中繼站運行維護成本低，安裝方便，通信傳輸效果不亞于普通中繼站，能保證電站使用裕度充足，如圖1 所示。

圖1 現場勘測地形圖

3.2 通信系統升級改造內容

目前國內通信系統大多選用光纜等，信號穩定，架設方便，便于維修，國內有龐大的市場，安裝費用低，維護容易。但是尼泊爾由于國家地理條件因素，經濟落后，當地環境因素和社會因素導致無法使用較方便的光纜傳輸，通過對比，采用微波傳輸的方式。中繼站由于沒有電源供應，采用無源天線，通過波導電纜連接，大壩與廠房之間互相傳輸數據方向如圖2 所示。經設計初步計算，在大壩側與廠房側，選用1.8 m 拋物面天線，在中繼站選用1.2 m 拋物面天線。中繼站為無源中繼站，只需要安裝中間的波導電纜即可，大壩與廠房側，通過天線連接ODU，將傳輸來的微波信號轉換為電信號，后連接IDU 將電信號轉換為光信號傳輸給廠房和大壩的中控室，實現對側數據互相傳輸，盤柜內設UPS 不間斷電源，確保停電情況下無線通信正常運行。

圖2 信號傳輸方向

微波通信系統原理為：在工作時，如大壩數據傳輸至廠房，由大壩CCTV 監控系統、電話系統、現地控制單元發出數據至大壩側VPN 服務器，服務器將光信號傳輸至IDU1,經IDU1 處理為電信號傳輸至ODU1，通過天線發送8 GHz 頻率的無線電信號，轉換為微波信號傳輸至無源中繼站，中繼站傳至對側天線，對側天線接收微波信號至ODU2，轉換為電信號傳至IDU2，經IDU2 轉換成光信號傳輸至廠房，數據傳輸為實時數據，數據延時30 ms 以內，廠房至大壩同理反向傳輸，以此實現大壩和廠房之間的通信傳輸，原理圖如圖3 所示。

圖3 數據傳輸原理圖

VPN 服務器原理：廠房側VPN（B）網關在接收到大壩側VPN（A）發出的訪問數據包時對其目標地址進行檢查，如果目標地址屬于大壩側的地址，即可判定為VPN 數據包，并對該數據包進行解包處理。解包的過程主要是先將VPN 數據包的包頭剝離，再將數據包反向處理還原成原始的數據包。從廠房側VPN(B)返回大壩側VPN(A)的數據包處理過程和上述過程一樣，這樣兩個網絡內的終端就可以相互通信了。通過上述說明可以發現，在VPN 網關對數據包進行處理時，有個參數對于VPN 通信十分重要，即原始數據包的目標地址（VPN 目標地址），它在通信中建立了鏈接通道，所以需要對整個電站的通信設備進行IP 分配。

需要注意的是，整個系統需要具備在惡劣天氣下工作的能力，因為惡劣天氣容易發生自然災害，更加需要實時監測大壩的水情動態以及設備情況，及時發出指令，控制大壩閘門以及啟閉機，同時將廠房側的機組發電數據傳輸至大壩，以便調整水位，因此需要將天線數據傳輸裕度調整至最大，保證在惡劣天氣以及大風天氣下，上傳與下載數據傳輸正常。

3.3 改造安裝實施過程

3.3.1 1.8 m 拋物面天線安裝

首先根據圖紙要求，在選址處澆筑1.5 m×1.5 m×1.5 m 的底座鎮墩平臺，并且預埋天線支架地腳螺栓，天線安裝抱桿直徑為Φ114 mm，有效長度大于1 100 mm 的抱桿垂直、牢固地固定在天線安裝位置。在抱桿相同的高度上，應有合適的支撐點用于固定天線微調拉桿，防止在極端天氣天線方位角發生偏轉，造成信號丟失。

天線安裝時，應根據安裝手冊按步驟逐步安裝天線，需要注意的是，在天線吊裝時，注意天線極化方向，大致方位角等，安裝完成后，為了提高天線的抗風能力，及時安裝側向拉桿，并調整天線位置與對側站方位，如圖4 所示。

圖4 1.8 m 天線

3.3.2 1.2 m 拋物面天線安裝

兩臺1.2 m 天線設在中繼站，一面對向大壩方位，另一面對向廠房方位，安裝方法與1.8 m 天線相同，粗略確定方位，根據電路設計，用目測或指北針粗略確定天線的方位，安裝完成后做好接地防雷措施，如圖5 所示。

圖5 1.2 m 天線

4 臺天線全部安裝完成后，采用全站儀對每組（對應的兩個）天線進行方位和仰角定位，通過全站儀模擬天線上下左右4 個邊的實際位置，計算對側應調整的距離，將每組天線粗略定位，簡化后續頻譜儀調整的步驟，節約安裝調試時間。

3.3.3 饋源安裝與波導線安裝

饋源安裝前首先要向當地政府、軍隊及電信部門報備確定天線極化方向，避免與政府通信沖突，并告知當地政府通信頻率以及設備參數，若采用垂直極化，則所有天線都采用垂直（H）極化，反之則采用水平（V)極化，不可采用其他極化方向，通過饋源壓塊固定，如圖6 所示。

圖6 天線極化調整

波導線安裝時，注意安裝極化響應，用螺栓固定，室外安裝接頭部分縫隙全部填滿硅膠，防止進水，波導線安裝時需將其固定在支架上，防止大風、地震等災害。

3.3.4 通信設備安裝

由于中繼站為無源中繼站，不需要安裝設備，僅做方位調整，大壩與廠房側饋源安裝后使用低損耗電纜連接饋源與ODU，同樣需要在接頭處灌硅膠，ODU 與IDU 采用中頻電纜連接，中頻電纜長度應符合要求，由IDU 輸出至VPN 服務器，由服務器對其數據包進行解碼，通過檢查IP 地址，分別發送到對應的設備。

在通信盤柜內安裝48 V 不間斷電源，保證在停電期間通信設備正常運行，48 V 電源電池組需保證至少5 h 的容量。

3.3.5 設備調試與試運行

天線調整在大壩與廠房設備安裝完成之后，能發送數據時，且在中繼站波導線安裝之前，使用頻譜儀確定天線信號強度，通過調整螺栓調整天線方位并固定，分別將中繼站對廠房和大壩側信號調整至最大，安裝波導電纜，全部安裝完成后，電測兩側信號，無線電信號電壓在3 V 以上，滿足通信信號強度，通過廠家對兩側IDU 設備進行內部數據設定，保證數據收發正常。

全部安裝完成后，將無線通信連接至廠房電腦，輸入win+r →CMD →pin+對側IP 地址，測試數據收發包有無丟失，并檢測信號強度與延時信息，根據信息提示判斷通信正常，連接設備，測試電話接打正常，CCTV 監控系統畫面正常，無延時，同時運行后，檢查系統連續7 d 的性能數據，以及最近3 d 每15 min 的性能數據。這些數據有利于分析微波鏈路性能的穩定性。

設備在運行期間要定期維護保養，每3 個月要對電池組進行一次充放電測試。室外的通信接頭定期檢查密封性，保證通信饋源、電纜內部干燥，定期檢查通信盤柜內部設備運行狀態，定期檢查收信電平數值，檢查報警信息等。

4 設備使用效果

2021 年9 月下旬，通信系統設備安裝調試完成，并通過業主的驗收，設備使用正常，發送與接收包正常，基本無延時，2022 年4 月，天氣突變，大風9 級以上并伴隨冰雹，設備運行檢測傳輸數據收發正常，數據包無丟失，設備延時20 ms，通信傳輸裕度符合初步設計要求。

無線通信設備自投運半年以來，未發生任何中斷現象，給電站運行提供安全保證，保證了大壩與廠房之間通信正常，及時提供水位水情信息。

5 結束語

經過此次對通信系統的應用改造，實現了電站大壩與廠房之間的通信安全，解決了水電站運行過程中的實際問題，取得了相當的經濟效益，也避免了停機帶來的安全隱患與經濟損失，保障了業主的切身利益，對類似水電站及建筑工程存在的類似安全問題具有借鑒意義。