赵太平,费如君,赵志宏

(1.中国电力建设集团有限公司,北京 100044;2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,湖南 长沙 410014;3.甘肃电投九甸峡水电开发有限责任公司,甘肃 兰州 730000)

0 概 述

水情自动测报系统是利用遥测、通信、计算机和网络等先进技术,完成流域水文、汛情、工情等参数的实时采集、传输和处理,为水电工程的防洪、兴利、优化调度提供服务的自动化系统.

自20世纪60年代起,日本和美国就率先开始开展水情自动测报系统技术的研究和开发.随着遥控设备、数据传输调度自动化技术在全世界的广泛应用,自20世纪80年代以后,水情测报技术得到了进一步的推广.我国水电站水情自动测报系统从20世纪80年代初起步建设;在90年代初,葛洲坝、新安江和五强溪等水电站的水情测报系统纷纷投产;目前自动化程度和可靠性更高的三峡、溪洛渡、向家坝、龙滩、二滩、拉西瓦等大型水电工程的水情测报系统已建成或正在建设.我国水情自动测报系统前后历经近30年的发展,目前已经完全成熟.全国现已建水情自动测报系统近千个,主要应用于大型水利工程和大中型水电工程中.

1 水电工程水情自动测报系统主要构成

水情自动测报系统要求测报范围全面、站点布设合理、通信可靠、数据处理快捷、水情预报准确.为达到此目的,系统建设主要包括以下4个方面内容:①遥测站建设.实现水位、雨量信息自动采集、固态存储、自动传输.②数据传输通信网建设.确保遥测站至中心站的数据传输通信畅通,提高传输的可靠性和时效性.③水情数据接收处理软件.实现系统遥测水情信息的自动接收和入库,以及中心站与相关系统之间可靠的信息交换,为梯级水电站水情预报和信息查询服务提供基础信息.④高级应用软件.为各工程提供及时、准确的水情预报服务,为梯级联合防洪和调度提供实时决策支持.

1.1 遥测站网布设

遥测站网的布设应满足水电工程施工期和运行期对水情预报的要求,达到系统建设的目的.站网布设主要考虑的因素有流域河系情况、降雨洪水特性、梯级电站布设情况以及测站交通环境条件等.以龙滩水电站水情自动测报系统为例 (见图1),站网布设主要遵循以下基本原则:

图1 龙滩水电站流域水情测报系统站网分布

(1)遥测站网应兼顾施工期和运行期洪水预报和电站调度的要求.2002年,龙滩水电站水情测报系统建设初期在确保工程施工防洪度汛安全中发挥了重要作用.之后,随着工程施工进展,站点不断扩建,最后形成永久性的水情测报系统,在运行期对洪水预报和电站调度起到了关键作用.

(2)雨量站网密度应能较好地控制流域内降水的时空分布情况,并充分考虑山脉、高程等对降雨时空分布的影响.龙滩水电站水情自动测报系统测报范围初期建设为南盘江天生桥 (二)、北盘江盘江桥以下到天峨以上流域,测报流域面积41 281 km2.系统监测雨量的站点共计93个,其中12个水位雨量站、80个雨量站、1个气象站,通过水情预报软件的不断验证,站点基本能覆盖龙滩水电站以上全流域,并能准确反映流域的降雨情况.

(3)重要河段应有水文、水位站控制.龙滩水电站水情测报系统在水库回水末端以上的干支流河道上布设了平板、盘江等11个遥测水位雨量站,对整个上游干支流的来水均起到了有效的控制作用.

(4)尽量选用现有测站,并在满足水情预报要求的前提下精简遥测站.龙滩水电站水情测报系统在资料不断积累的基础上总结了系统多年来的运行管理经验,通过采用降雨径流模型分析法、站网密度分析法、相关分析法、抽站分析法等论证分析雨量站的布设,对测站也进行了相应的精简,撤销了8个遥测雨量站,系统的预报精度并未受到影响.

(5)便于通信组网.龙滩水电站水情测报系统覆盖区域地形条件多样,通信组网复杂.设计之初重点考虑独立组网和运行维护费用低的要求,采用超短波通信方式,测站选址在地形条件平整,便于超短波通信的地点.随着测报区域公共通信环境的改善,大多数测站采用了稳定可靠的GSM通信网络.

(6)测站应尽可能设在交通、生活方便的地方,便于建设和维护管理.龙滩水电站水情测报系统多数测站选择建在人口较为集中的区域,一方面为运行维护提供了极大的方便,同时各测站均实现了专人看管,设备本身的安全性也得到了保障.

1.2 数据通信

水情自动测报系统常用的数据通信方式有卫星通信、超短波通信、PSTN通信、GSM通信、GPRS通信等,各种通信方式在通信机理、设备性能和价格、运行费用、运行功耗等方面有其各自的特点.

海事卫星C(Inmarsat C)通信系统于20世纪90年代初开始应用,具有终端体积小、安装简单方便、全向天线对选址无特殊要求和安装土建费用低等特点.但运行费用较高、传输时延较长,并容易出现传输信道拥挤的问题.

北斗卫星通信系统采用码分多址 (CDMA)直序扩频双向通信体制,具有较强的抗干扰能力,具有终端设备集成度高、安全稳定、设备体积小、安装简单、便于维护等特点,广泛应用于我国西部偏远山区的水电工程.如东义河流域、鸭嘴河流域等处多测报系统均采用北斗卫星通信系统.

超短波通信系统是水情自动测报系统中应用最广泛、最成功的一种通信方式.它的传输质量介于短波和微波通信之间,具有通信质量好、信道稳定、设备简单、投资省、建设周期短等优点,但在距离远或多高山阻挡的区域内,需建多级中继站方能实现测站与中心站之间的数据传输,从而导致系统土建和设备费用的增加、系统可靠性下降,并给设备的维护带来不便.龙滩水电站水情测报系统建设初期由于受流域地形条件和当地通信发展水平的约束,采用超短波通信,建有中继站11个,其中1级2个,2级6个,3级3个,但由于中继站设备处于高山之巅,维护有很大的困难,且受到各种恶劣自然环境的影响,随着运行年数的增加出现故障的次数明显增多.

PSTN通信系统具有适用范围广、设备简单、价格低廉的特点,传输质量较高,通信覆盖面广,入网费用低.但遇有灾害性天气发生时,通信线路不易保证.

GSM通信系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统,也广泛用于水情测报系统中,但存在因接收拥塞而加大延时甚至造成信息丢失的情况,尤其是当系统测站数量较多,测报流域内出现大范围降雨,水位变化频率较快,数据通信较为频繁时,容易出现通信阻塞,遥测信息接收相对滞后的情况.

GPRS通信系统是在GSM系统上发展出来的一种新的承载业务,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也可用于偶尔的大数据量传输,为水情数据传输提供了更为可靠和快速的通信网络.但由于GPRS移动通信网络目前尚未能覆盖所有GSM网络,特别是偏远的山区和经济欠发达地区GPRS网络覆盖率还较低,限制了此通信资源的应用.

目前,我国大多数的大中型水利水电工程水情测报系统由于覆盖范围广,地理地形条件复杂,加之通信网络的限制,一般采用多种信道组合的方式.如龙滩水电站水情自动测报系统,根据测站的分布情况和重要性等因素划分,在通信结构上便采用了GPRS/北斗卫星,GPRS/超短波、超短波/北斗卫星等多种通信方式组合的形式进行数据的采集和传输.三峡电站水情自动测报系统采用了北斗卫星、PSTN、GSM短信通信方式组网.我国西部山区的很多流域,由于地貌崎岖、群山起伏、重峦叠嶂,且经济欠发达,手机通信信号无法覆盖,一般则采用北斗卫星作为主要的通讯方式.

1.3 中心站数据接收与处理

水情测报系统中心站的基本功能是自动处理遥测站传入的水、雨情信息.中心站信息接收处理单元由通信设备、计算机、电源以及通信模块安装设施组成.各遥测站点的水情信息通过通信传输信道传输到中心站后,进入通信服务器,通过信息接收软件实时完成遥测站水雨情信息的接收处理,并存入原始数据库.

通信服务器配备多种通信终端通过标准串口直接连接,安装信息接收处理软件,完成系统遥测数据的接收处理等工作.中心站的供电方式一般采用在线式UPS供电方式,通信终端设备采用交流电浮充蓄电池直流供电方式.

通过服务器对来自遥测站终端各水位站的实时水位、整点水位,每个雨量站的实时降雨量,重要站点图像信息等进行接收、译码、甄别、合理性检查、处理,得到各遥测站的实时遥测信息,并形成原始数据库.同时利用计算机网络功能,进行数据加工和信息提取,建立面向高级应用的实时水文数据库.

图2为我国西部某梯级电站的水情测报系统中心站网络结构,其中,中心站配置内网水情数据接收计算机 (水情通信机),在内网负责水情数据的实时采集、处理及对外系统的通信、传输;配置两台内网水情数据库服务器及磁盘阵列,负责所有水情相关应用和数据的存储和处理;配置外网数据库服务器,提供外网的数据存取服务;配置Web服务器,在外网负责提供水调信息的Web浏览服务;同时,通过部署安全隔离,负责中心系统 (安全II区)与外部通信子系统 (安全Ⅲ区)之间的数据交换.通过外部通信子系统,经终端服务器与遥测站交换数据信息,经防火墙实现与水文、防洪抗旱、气象及其他有关部门的数据通信.与监控系统间的通信采用网络交换机经过防火墙互联.水情系统为网络中安全Ⅱ区,与移动通信、卫星通信商及水文气象等部门的连接应设立安全隔离系统,以确保水情系统安全运行.

1.4 水情预报方案

水情预报位于系统顶层,是水情测报系统高级应用部分,其主要任务是处理收集的水情信息,为防汛和运行调度提供决策依据.水情预报方案是否能充分反映流域的洪水特性,预报精度和有效预见期是否能满足防洪决策的要求,是影响系统建设质量的关键.

水情预报方案编制的原则:一是要符合流域水文气象特性和降雨洪水特性,结合流域的产汇流特性对预报方案进行合理配置;二是要兼顾施工期和运行期预报要求;三是要力求方案简单、实用,并具有较高的预报精度.

水情预报方案的有效预见期和预报精度应根据围堰、大坝、厂房工程以及其他附属工程的工程施工和防洪度汛安全要求和水库调度运行要求确定.

施工期水情预报方案应包括不同施工时段、不同预报预见期和不同水文阶段 (洪水期、枯水期)的预报方案,对围堰水库及大坝临时挡水水库的调洪提供决策性依据.在施工期提供未来数小时坝址过境流量、施工区主要控制断面的水位变化过程,发出水情预报.

图2 中心站网络构成

水情预报方案配置应长短结合、层层设防、提高精度.预报方案编制应采用多种方法,综合比较,择优选用,为确保预报成果合理、可靠,重要区段配置应有备用方案.在实时预报中,结合最新采集的信息与历史洪水进行对比分析等,提高预报精度.

2 存在的主要问题及建议

(1)加大协调力度,实现资源共享,充分发挥水情自动测报系统功能.随着我国流域梯级电站开发的逐步深入,梯级电站的管理部门对水情信息的需求将不断加大,水情测报系统的覆盖范围也随之扩大.对于一些规模较大的流域,如金沙江、大渡河、黄河流域等,其上分布着为数众多的电站,上下游电站在水力联系上十分紧密,围绕这些梯级电站所建设的水情测报站点分布往往也是跨地区、跨省市的.由于电站开发主体非单一,水情数据信息往往无法共享.很多遥测系统仍然采用自建自管的方式,站点建设的重复现象也很普遍.建议对流域资源进行整合,并加强与相关流域的水文部门合作,实现资源共享、优势互补,从全流域角度,最大限度地发挥水情自动测报系统的作用,挖掘梯级电站补偿调节、联合优化调度的经济和综合利用潜力.

(2)加强国际合作与交流,积极扶持本土企业,提高我国水情测报系统设备自主研发水平.

目前,我国从事水情测报系统领域的厂家众多,多数设备采用自主研发,其中RTU等核心设备基本实现了国产化,但产品质量参差不齐.由于系统需要经历野外高温、高寒、高湿等多种恶劣环境的考验,系统对稳定性具有较高的要求,因此无论从功能实现还是制作工艺上产品的设计和研发均需要加大投入.此外,由于测报系统应用的领域范围较广,可以为水电站的运行管理、城市防洪、山洪灾害监测预警等多个行业服务,建议国家对该领域具有优势的本土企业加大扶持力度,积极引荐参与国际合作和交流,同时国家有关部门在援外建设方面可优先考虑本土企业,真正实现走向国际市场,扩大企业规模,提升企业的核心竞争力.

[1] 晏忠林.水情自动测报系统在龙滩水电工程中的应用[J].水力发电,2003(10):98-101.

[2] DL/T 5051-1996 水利水电工程水情自动测报系统设计规定[S].