水情自動測報系統(tǒng)在沙畈水庫的應(yīng)用

吳軍華，李 櫻

（金華市沙畈水庫管理處，浙江 金華 321062）

1 系統(tǒng)綜述

1.1 流域概況

金華市沙畈水庫位于錢塘江水系的金華江白沙溪上，距離金華城區(qū)50 km，是以灌溉、供水為主，結(jié)合發(fā)電、防洪等綜合利用的水利工程。水庫壩址以上控制流域面積131 km2，流域多年平均降水量為1 781 mm，最大單站24 h站降水量376 mm，多年平均徑流量1.51億m3，平均入庫流量4.76 m3/s。水庫正常蓄水位270.06 m，相應(yīng)庫容7 696萬m3，總庫容8 555萬m3。發(fā)電引水系統(tǒng)全長954.55 m，裝機(jī)2×5 000 kW，年均發(fā)電2 200多萬kWh。

1.2 建設(shè)水情自動測報系統(tǒng)的必要性

沙畈水庫建成以后，對金華市的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等綜合效益十分明顯，同時，與下游水庫聯(lián)合調(diào)洪，基本能控制白沙溪流域的洪災(zāi)損失。但流域內(nèi)現(xiàn)有水文觀測設(shè)備仍較落后，觀測誤差大，信息傳遞不及時，已不能滿足洪水預(yù)報和水庫現(xiàn)代化管理的需要。為保證水庫安全防汛，合理利用水資源，提高灌溉、發(fā)電的效益和工程的運(yùn)行管理水平，有必要采用現(xiàn)代化水文測報、洪水預(yù)報和水庫調(diào)度技術(shù)，建設(shè)水情自動測報系統(tǒng)，為水庫運(yùn)行管理和防洪、指揮提供實(shí)時的水文信息。

1.3 建設(shè)可行性

水情自動測報系統(tǒng)是在計算機(jī)的監(jiān)控下，利用有線或無線設(shè)備，配備傳感器和數(shù)據(jù)采集終端，自動采集、傳輸和處理水文參數(shù)，并實(shí)時進(jìn)行洪水預(yù)報及水庫優(yōu)化調(diào)度的自動化系統(tǒng)。

根據(jù)水庫防汛工作的需要，結(jié)合流域內(nèi)地形地貌和流域隆雨分布的特點(diǎn)，考慮組建通信網(wǎng)的實(shí)際，建設(shè)該系統(tǒng)既要滿足防汛安全調(diào)度的需要，又要求無線網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理、遙測站分布均勻，便于管理，節(jié)省投資，并且應(yīng)可靠、實(shí)用、具有先進(jìn)性。

2 遙測通信網(wǎng)

2.1 遙測站的選址與布置

系統(tǒng)采用1∶1∶6的組網(wǎng)方式，即1個中心站、1個中繼站、6個遙測站 （壩上站、壩下站、進(jìn)庫站、銀坑站、門陣站、小源口站），其中中繼站是在銀坑站、門陣站、小源口站、進(jìn)庫站信道無法與中心站直接連通的情況下設(shè)置的，位于離進(jìn)庫站約300 m的白楊尖上。6個遙測站中，壩下站為水位站，壩上站、進(jìn)庫站為水位雨量站，銀坑站、門陣站、小源口站為雨量站，銀坑站、門陣站、小源口站、壩上站4個雨量站建庫之前就已存在，進(jìn)庫流量站為水庫建成后設(shè)立。系統(tǒng)站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 系統(tǒng)站點(diǎn)分布圖

2.2 通信網(wǎng)的技術(shù)要求

（1）超短波通信信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率應(yīng)小于10-4。

（2）信道通暢率大于99%。

（3）電路設(shè)計除要留出足夠的衰減余量和外噪聲惡化量之外，還必須留有余量，以保證通信的可靠性。一般情況下，中繼線路的信道余量取M≥10 dB，遙測站的信道余量取M≥5 dB。

（4）在系統(tǒng)組網(wǎng)測試選點(diǎn)時，既要考慮遙測站的代表性，又要盡量把站點(diǎn)設(shè)在交通方便、有人看管的地方。經(jīng)信道測試選定的站點(diǎn)位置，施工時不能隨意改動，以免影響通信質(zhì)量。

2.3 無線電通信頻率的選擇

（1）系統(tǒng)采用超短波通信，使用國家無線電管理委員會批準(zhǔn)的用于防汛水情自動測報系統(tǒng)專用通信頻率230 MHz。

（2）系統(tǒng)具有通話功能。通信電臺除用于數(shù)據(jù)傳輸外，還保留無線話路功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是單向的，即從測站到中繼站再到中心站，而話路必須為雙向、異頻單工方式。遙測站、中心站配置異頻單工車載電臺，中繼站配置雙工電臺。

（3）系統(tǒng)采用一對頻率點(diǎn)，具體頻率點(diǎn)需無線電管理委員會審批，同意后方可正式使用。

3 設(shè)備的配置、主要功能

3.1 中心站

中心站是全系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著整個系統(tǒng)水文數(shù)據(jù)收集、處理、存貯、顯示和打印各類水情報告等任務(wù)，因此中心站設(shè)備的可靠性十分重要。計算機(jī)可以配置成單機(jī)運(yùn)行或雙機(jī)運(yùn)行等網(wǎng)方式運(yùn)行，也可以在網(wǎng)絡(luò)的客戶機(jī)/服務(wù)器方式下運(yùn)行。中心站一般采用前臺機(jī)與后臺機(jī)等網(wǎng)方式運(yùn)行，兩者互為備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)采用雙機(jī)運(yùn)行。設(shè)備配置為：T2010通信電臺，YSK-1型中心控制儀，SD1731W2直流電源，C1KVA在線式UPS，計算機(jī)、打印機(jī)、穩(wěn)壓器，天線、饋線、同軸避雷器，如圖2所示。

圖2 中心站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

中心站的主要功能是：

（1）能夠接收有線和無線方式傳來的數(shù)據(jù)，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)及合理判斷，確保數(shù)據(jù)的正確性和完整性。

（2）數(shù)據(jù)顯示功能可以將當(dāng)前和歷史的水情、雨情及系統(tǒng)的站點(diǎn)信息、狀態(tài)信息等以表格、圖形（各種曲線）、地圖分布等方式顯示在屏幕上，并可進(jìn)行切換。

（3）數(shù)據(jù)打印預(yù)覽及打印功能。

（4）數(shù)據(jù)管理功能，可以對數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行查詢、修改、增刪，并負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)庫共享時的安全。

（5）站點(diǎn)設(shè)置及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可以動態(tài)設(shè)置站點(diǎn)的信息，如站名、站號、位置、類型、雨量參數(shù)、水位參數(shù)等，也可以動態(tài)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如遙測端口地址、端口是否開啟、是否上網(wǎng)運(yùn)行等。

（6）洪水預(yù)報模型，可以根據(jù)不同的預(yù)報模型，輸出定時預(yù)報的圖形、表格及預(yù)報調(diào)度的圖形與表格。

（7）具有故障告警、越限告警功能。

3.2 遙測站

遙測站是水情自動測報系統(tǒng)中的基本單元，能按照系統(tǒng)設(shè)計的要求，及時準(zhǔn)確地自動采集、編碼和處理水文參數(shù)，并發(fā)送到數(shù)據(jù)收集中心，再發(fā)送至中繼站。設(shè)備配置選型為：DY1090A遙測雨量傳感器，WFH-2型細(xì)井式水位計，YS3360型遙測終端機(jī)，T2010電臺，天線、饋線、同軸避雷器，太陽能電源、蓄電池，如圖3所示。

圖3 遙測站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 中繼站

根據(jù)系統(tǒng)組網(wǎng)的要求，需設(shè)定白楊尖中繼站，庫區(qū)的4個遙測站都需要經(jīng)過中繼轉(zhuǎn)接才能與中心站溝通。

中繼站可分為模擬中繼和再生中繼，模擬中繼設(shè)備配置簡單，可以轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)信號和話音信號，缺點(diǎn)是會產(chǎn)生噪聲積累，抗干擾能力差。

系統(tǒng)中繼站采用再生數(shù)據(jù)中繼方式，對數(shù)據(jù)信號經(jīng)糾檢錯處理后再生重發(fā)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)在需要通話時，還可以使中繼站從再生中繼方式轉(zhuǎn)換到模擬中繼方式。

設(shè)備的配置選型為：LM230D全雙工電臺，ZSZJ-1型中繼儀，饋線、天線、同軸避雷器，太陽能電池板、蓄電池。

4 影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行的主要因素

4.1 供電問題

中心站要備有不間斷的直流穩(wěn)壓電源，在交流電失電的情況下，保證中心站系統(tǒng)設(shè)備能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。

各個遙測站建在偏遠(yuǎn)山區(qū)，一般都無法保證交流電的供電時間和電壓質(zhì)量，較可行的是采用太陽能電池板對蓄電池進(jìn)行浮充的供電方式。自報式遙測雨量站只發(fā)送雨量信號，功耗很低，可采用12 W的太陽能電池板和1只12V38AH的免維護(hù)蓄電池組成浮充供電裝置。因?yàn)橥ㄐ沤邮諜C(jī)一直處于開機(jī)值守狀態(tài)，3個遙測雨量站和1個進(jìn)庫水位雨量站的信號都需要經(jīng)過其中轉(zhuǎn)，使中繼站功耗較大，可采用90 W的太陽能電池板和2只12V100AH的免維護(hù)蓄電池供電。

山區(qū)日照時間一般比平原地區(qū)少，所以平時應(yīng)加強(qiáng)巡查，及時清理太陽能板上的灰塵和污物，保持太陽能板的清潔，對于遮擋采光的樹木要及時清理，以便收集光源，保證有足夠的充電電壓和時間。免維護(hù)蓄電池的使用年限一般是3～4年，在到達(dá)使用年限時要及時更換，以保證各測站設(shè)備的正常運(yùn)行。

4.2 防雷問題

雷擊的主要途徑是天線系統(tǒng)、電力線路和信號傳輸線，可采用以下措施減少雷擊的損害：

（1）在天線、饋線系統(tǒng)安裝同軸避雷器，要可靠接地，雷擊時向大地泄放通信采樣線路頻率帶寬以外的其它信號電流，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

（2）在中心站的UPS前，安裝電源避雷器和電源隔離變壓器，旁路從交流電網(wǎng)感應(yīng)來的雷擊信號和干擾信號。

（3）在雨量信號線和水位信號線的輸入端分別加入瞬時電壓吸收器件和光電隔離，吸收外來干擾。

（4）新建站房時應(yīng)鋪設(shè)環(huán)形均衡接地網(wǎng)，接地電阻要求小于10 Ω，對不能鋪設(shè)環(huán)形均衡接地網(wǎng)的，接地電阻要求小于5 Ω，每兩年應(yīng)檢測1次接地電阻。

（5）在鋪設(shè)接地網(wǎng)時，盡可能選在土質(zhì)松軟的地方，接地體周圍的土壤應(yīng)夯實(shí)，使之密切結(jié)合，溝內(nèi)不可填入砂石磚頭等雜物。為了增加其導(dǎo)電性，也可在接地樁和偏鐵周圍鋪入木炭和食鹽。

（6）各站均應(yīng)安裝避雷針，天線、雨量計、太陽能電池板、站房應(yīng)在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。避雷針要可靠接地，地網(wǎng)垂直導(dǎo)體之間的距離要大于垂直導(dǎo)體的長度（深度），否則接地網(wǎng)無效。

系統(tǒng)從2001年投入運(yùn)行至今，經(jīng)歷多次強(qiáng)雷電、臺風(fēng)的襲擊，除中心站電腦曾受到雷擊損壞外，其余設(shè)備都運(yùn)行穩(wěn)定，遙測站不使用交流電至今沒有受到雷擊，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。引起電腦損壞的主要原因是交流線路受到雷擊，有強(qiáng)電流瞬時流入。因此，為了防止設(shè)備受到雷擊而損壞，可以在雷電來臨時關(guān)閉交流電源，啟用備用直流電源，以保證設(shè)備安全正常的運(yùn)行。

4.3 信道問題

（1）經(jīng)信道測試選定的站點(diǎn)位置，施工時不能隨意改動，以免影響通信質(zhì)量。

（2）安裝調(diào)試完畢后，在天線架和天線的同一位置做上記號，在天線偏離信道而需維護(hù)時方便尋找原有信道。

（3）天線進(jìn)水會造成短路，引起信號不好，檢查時應(yīng)拆開各個連接處。而整根天線進(jìn)水時，可在天線最低處將外皮剪一小口排空水分。天線在安裝時各個連接處一定要牢固，不得有松動，并要做好防水措施。

5 結(jié)語

水情自動測報系統(tǒng)自2001年安裝、調(diào)試、驗(yàn)收合格，至今已經(jīng)歷了多次臺風(fēng)暴雨的考驗(yàn)，系統(tǒng)一直穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，為水庫防洪調(diào)度、合 理利用水資源提供了安全有效的保障，并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。