石埡子水電站水情水調自動化系統建設

楊秀勇，侯 煜，馬 嵐，郭 易，于興晗

（1.國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州省貴陽市 550081；2.中國水利水電科學研究院，北京市 100038）

石埡子水電站水情水調自動化系統建設

楊秀勇1，侯 煜2，馬 嵐2，郭 易2，于興晗2

（1.國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州省貴陽市 550081；2.中國水利水電科學研究院，北京市 100038）

石埡子水電站在水情水調工作中存在自動化程度低、水務計算誤差大、缺乏科學預報調度手段等問題，亟須建立水情水調自動化系統。系統建設通過站網論證、水位流量關系率定等手段，保證了水情系統基礎數據的準確與可靠。水調系統網絡采用開放式與冗余式結構保證系統的兼容性、擴展性與安全性。水調系統軟件功能豐富，界面友好，為電站運行管理提供了便捷的一體化操作平臺。石埡子電站水情水調自動化系統的建設不僅滿足了本電站水情水調工作的需求，同時也為洪渡河流域梯級調度管理提供了統一的技術平臺。

水情水調；梯級電站；站網論證；數據庫設計

0 引言

石埡子水電站位于貴州省遵義市務川縣大坪鎮和柏村鎮交界的梅林峽谷河段，是烏江水系左岸一級支流洪渡河干流水電梯級開發的第六級電站，工程以發電為主，水庫總庫容3.215億m3，調節庫容2.008億m3，具有季調節能力。電站總裝機140MW。石埡子水電站距上游沙壩水電站31km，距下游在建的高生水電站32.4km，三個電站均歸屬于國電投貴州金元集團黔北水電總廠管理。

水情水調自動化系統是綜合采用傳感、通信、計算機及網絡技術，基于對歷史資料的收集整理，及時準確地獲取流域和其他相關系統的水文、氣象和水庫運行信息，利用數據庫管理技術進行在線水文預報、優化調度和水庫調度管理的綜合自動化系統[1]。目前，全國各大中型水電廠（站）大多已建立水情水調自動化系統，在安全度汛、綜合管理、經濟運行、科學調度等方面發揮著重要作用，成為水電廠（站）生產過程中的重要組成部分。石埡子水電站自建成投入運行以來，尚未建設水情水調自動化系統，相關工作主要采用人工觀測、手動計算、經驗預報等手段，存在技術落后、工作效率低、可靠性差、水量利用率低等問題。因此，十分有必要建立石埡子水電站水情水調自動化系統。

1 總體設計

石埡子水電站水情水調自動化系統建設主要內容包括：野外遙測站系統、中心站計算機及網絡系統和中心站軟件平臺系統。系統建設不單要滿足石埡子電站的日常運行管理需求，同時還要充分考慮與上游沙壩電站、下游高生電站的梯級關系。對流域梯級電站實行聯合調度，統一管理，有利于實現水能資源的高效利用，是一種先進的、高效率的管理模式[2]。目前沙壩水電站已建立水情自動測報系統，高生水電站正處于建設期。從總廠綜合管理、洪渡河流域梯級調度角度出發，以石埡子電站為中心，建立一個統一的水情水調平臺，將上下游電站聯系起來，構成一個完整的梯級調度系統，從投資的經濟性、管理的統一性、資源的優化利用等方面都是一個較好的方案。

圖1 系統組網圖Fig.1 System network diagram

系統組網設計如圖1所示。遙測站根據不同的測站類型選擇相應的通信方式，本系統中主要采用了GSM短信、北斗衛星以及光纖等通信方式，實現遙測站到中心站的數據傳輸。沙壩水電站水情系統作為分中心通過光纖與石埡子中心站建立通信，實現數據互訪。高生水電站尚未建好，預留光纖通信端口。基于電力系統DDN專網向電網調度系統上傳數據。石埡子中心站搭建水情水調系統網站，提供流域各電站相關信息的Web瀏覽服務。

2 遙測站系統

遙測站系統共包括12個遙測站，其中雨量站9個、雨量水位站2個、水位站1個。

2.1 站網論證

合理擬定遙測站網是測報系統規劃的重要內容，不但關系到系統建設的規模和投資，而且關系到水文預報、防洪調度及系統的運行和維護[3]。測站布設應遵循科學合理、經濟可行、管理方便的原則，使擬定的遙測站網密度恰當、分布合理，采集到的實時雨、水情信息具有較好的代表性。

為保證本系統建設的科學性、合理性、實用性，系統建設前期針對洪渡河流域進行了充分的調查研究。在流域水文模擬中，采用“流域-產匯流分區-單元塊”的空間離散形式，將流域按一定的規則劃分成若干個預報單元面積，在單元面積上建立集總式的預報模型和方法。劃分后各單元面積內各種地理特征相對均勻，以利于考慮流域各單元塊之間降雨分布不均勻的影響及上、下不同單元塊間洪水傳播時間的影響。建立基本模型后，選派專業技術人員到現場進行實地查勘，確定具體地點及安裝方式。

沙壩電站以上流域已建立水情遙測站點，本次建設補充新增3處雨量站。沙壩～石埡子區間流域是本次遙測站系統建設重點，布設遙測站點9處。由于高生電站尚未建成，石埡子～高生區間流域暫不建設遙測站。具體站點布設如表1所示。

2.2 遙測站結構及功能

遙測站是水情測報系統中最基礎單元，集測、報、控功能于一體。遙測數據是后期預報調度的基礎數據來源，在很大程度上影響著后續工作的準確性與科學性。

2.2.1 遙測站結構

本系統中遙測站由傳感器（雨量計、水位計）、數據采集器、通信設備終端（GSM、北斗衛星、光纖）和供電設備（蓄電池、太陽能光板），以及遙測站房組成。一個完整的遙測站單元結構如圖2所示。

表1 石埡子水電站水情水調系統測站分布表Tab.1 Telemetry Station list of Hydrologic Data and Reservoir System

圖2 遙測站結構圖Fig.2 Structure block of telemetry station

2.2.2 遙測站功能

遙測站具有數據采集與存儲、數據傳輸、參數設置、自動校時等主要功能。

1.數據采集與存儲

本系統中遙測站采集要素主要為：雨量、水位、測站運行工況（電壓）。雨量為觸發式采集方式，實時采集降雨量并累計存儲。水位、電壓為定時采集方式，按設定的采樣間隔采集數據并存儲。

2.數據發送

數據發送包括數據自報和召測響應兩種類型。數據自報主要包括定時自報和增量自報兩種。定時自報指按照設定的定時間隔將數據打包發送到中心站。增量自報是指當連續兩次測量差值超過事先設定閥值后，即刻將數據發送回中心站，起到預警提示的作用。召測響應是指遙測站接收到中心站遠程發送的指令后，根據指令要求向中心站回傳相應數據。

3.參數設置

遙測站參數按類型可分為：基本參數、水位參數、雨量參數、GSM信道參數、北斗衛星信道參數等類型。參數設置可分為兩種方式，一種為現場通過人工置數器設置，另一種為中心站遠程設置。

4.自動校時

為保證數據的時效性，必須保證遙測站時間為標準時間。遙測站每天可通過GSM網絡或北斗衛星自動進行校時，保證系統具有統一的時間標準。

2.3 水位流量關系率定

流域內布設各遙測站點的一個主要目的是為獲得較為精準的入庫流量，以便開展后續的防洪調度工作。對于電站水庫的主要支流，有必要建設流量控制站來較為精確的實時監測來水量。洋崗河是洪渡河在沙壩電站～石埡子電站區間的最主要支流，掌握洋崗河的來水情況對石埡子電站的預報調度工作具有重要意義。

通常采用測量斷面水位，查詢斷面“水位～流量關系曲線”的方式得到河道流量數據。洋崗河此前未建設水文站點，無歷史資料積累。為保證整套系統的準確性、科學性，本次工程建設的一個重點就是洋崗河水文站的建設以及其所在位置河道斷面“水位～流量關系曲線”率定。本次系統建設前期派專業人員赴現場進行實地查勘，選擇洋崗河在小坪村一處水流穩定、河道順直處為斷面，建設小坪水文站，開展測流工作。

“水位～流量關系曲線”的率定是一個復雜過程，需要大量的數據積累以及反復的測試演算。為得到滿足定線的流量測次，本次建設期內擬在一年內測流8～10次。其中低水位時采用流速儀測流2～3次（按不同水位級布設測點），中水位時采用ADCP 測流3～4次（按不同水位級布設測點），高水位用浮標測流3～5次。本次系統建設由于投資所限，采取的技術手段及措施有限，加之測驗時間較短，得出的最終結果在精度上還存在一定誤差，還需通過后期的不斷測驗來修正完善，最終得到較為準確的一個結果。

3 中心站系統

中心站設置在石埡子電站辦公樓內，包括計算機及網絡系統和軟件系統兩大部分。

3.1 中心站網絡結構

根據規劃，石埡子水情水調系統將作為整個洪渡河流域的梯級調度中心，將與各級系統相連接。因此本次建設中心站網絡采用開放式結構，提供冗余的、支持分布式處理環境的網絡結構。

中心站配置高性能的計算機及網絡設備，具備強大的網絡通信功能，并基于多階層的設計理念，提供強大的可擴展性。采用分布式結構，考慮軟件系統各功能模塊運行方式與資源占用情況不同，在均衡負載情況下，將各功能模塊部署在不同的服務器或工作站上，提高系統穩定性。同時，為提高系統的健壯性，系統中心站II區按照雙網冗余設計，數據庫服務器采用雙機熱備設計。在跨安全分區的連接處布設隔離設備或防火墻，提高系統安全性。中心站網絡拓撲結構如圖3所示。

按照系統規劃，沙壩電站水情測報系統作為分中心要接入石埡子水情水調系統中心站。兩站之間此前無數據鏈路，架設專用光纖通道投資較大。因此本次系統建設采用租賃中國電信2M SDH電路解決方案，利用運營商的已建成網絡搭建一條兩電站之間的點對點的專屬通道，此通道較一般的VPN（虛擬專用網）網絡具有更高的安全性與可靠性。

3.2 中心站軟件系統

3.2.1 軟件系統結構

中心站軟件系統結構設計基于組態化的理念，將整個水調系統軟件功能劃分為幾大塊。各大系統實現一類基本功能，同時系統間通過各組件實現數據的流通與共享。結構化的設計便于實現靈活的配置以及后續功能的不斷擴展，也是多階層、分布式結構設計原則的具體體現。軟件系統結構及數據流程如圖4所示。

3.2.2 數據庫系統

數據庫系統是整個系統底層的核心部分，是實現水調系統所有功能的基礎，數據庫系統的設計與構建關系到整個系統運行的效率與可靠性。電站日常運行積累的數據量不斷增加，同時還涉及與眾多其他系統的數據交互以及后期新建系統的不斷接入，巨大的數據量以及相互關系的復雜性，都有可能成為影響系統穩定、高效運行的因素。因此，在數據庫系統設計時要按照以下原則進行：

圖3 中心站網絡拓撲圖Fig.3 Network topology of center station

圖4 軟件系統結構及數據流程Fig.4 Structure of software system and data flow

（1）主備雙數據庫。主數據庫與備數據庫分別運行在主、備數據庫服務器，通過同步程序實時同步數據，保持數據的一致性。

（2）減少數據的冗余度，數據盡可能不重復、減少冗余、維護數據的一致性。

（3）采用數據庫群設計方式，將數據分散到多個數據庫，減少數據檢索時間。

（4）保持數據的獨立性。數據的獨立性包括數據庫中數據的邏輯結構同應用程序相互獨立，數據物理結構的變化不影響數據的邏輯結構。

（5）數據的可控性。安全性控制：包括防止數據丟失、錯誤更新和防止越權使用。完整性控制：包括確保數據的正確性、有效性和相容性。并發控制：包括在同一時間內允許對數據實現多路存取，同時又能避免用戶間的非正常交互使用。

3.2.3 數據上傳與發布系統

數據上傳與發布系統主要包括：數據上傳系統、短信發布系統以及網頁發布系統。

1.數據上傳系統

根據電網調度系統要求，沙壩電站及石埡子電站需將水位、雨量、出入庫流量、機組出力等數據上傳至遵義地調系統。目前，只有石埡子電站至遵義地調建立了DDN業務數據網，石埡子水調系統采集沙壩數據后，按照dl476-92規約打包統一上傳至地調系統。

2.短信發布系統

短信發布系統可以通過中心站配置的GSM模塊定時發送或應答查詢各類水情報警信息、水調信息及機組運行信息等，使生產管理人員隨時隨地了解水電生產運行狀況，為遠程監視、決策、指揮提供靈活方便的手段。報警觸發條件及內容均可靈活配置。

3.網頁發布系統

本系統建設開發了石埡子水情水調自動化系統網站，為流域三個電站搭建了一個集生產管理、消息發布、交流學習等功能于一體的信息共享平臺。Web網站基于ASP.NET框架構建，允許所有通過網絡與本系統相連的計算機或移動終端設備，按照一定的授權權限，通過Browser/Server方式，在客戶端無需任何專用軟件的條件下，實現對本系統圖形、報表及文件信息的用戶瀏覽以及信息發布、資料共享等功能。石埡子水情水調自動化系統網站如圖5所示。

圖5 石埡子水情水調自動化系統網站Fig.5 Website of ShiYazi System

3.2.4 水情水調綜合管理系統

水情水調綜合管理系統處于整個系統的最上層，由許多功能模塊構成，提供一個集成化的顯示與操作界面，集綜合監視預警、故障查詢、值班管理、數據查詢顯示、資料整編、報表管理、洪水預報調度、發電計劃等諸多功能于一體，是生產管理人員日常操作的最基礎平臺。

4 結束語

石埡子水電站水情水調自動化系統建設所包含內容較多，涉及的網絡結構也較為復雜，通過合理規劃、科學設計在投資與性能兩方面達到最佳平衡狀態，為黔北水電總廠洪渡河流域三個電站提供了一個統一的水情監測及優化調度平臺。系統投運一年以來，運行狀況良好，在洪渡河流域雨水情自動監測、水資源合理利用、優化調度提高效益等方面發揮了重要作用。

[1] 左振魯，曹年紅，曹翊軍，等.水情水調自動化技術回顧與展望 [J].水電自動化與大壩監測，2009，33（6）：22-26.ZUO Zhenlu，CAO Nianhong，CAO Yijun，etc.Review and Prospects for Automation Techniques of Hydrological Forecast and Waterpower Scheduling[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2009，33（6）：22-26.

[2] 朱艷軍，馬光文，江拴丑，等.中小流域梯級水電站聯合調度管理模式研究 [J].華東電力，2010，38（4）：577-579.ZHU Yanjun，MA Guangwen，JIANG Shuangchou，etc.Study on Joint Dispatch Management Mode of Cascade Hydropower Stations in Medium and SmallBasins[J].East China Electric Power，2010，38（4）：577-579.

[3] 張恭肅，朱星明.關于水文自動測報系統建設中站網布設的分析論證 [J].水文，1993，2 ：13-20.ZHANG Gongxiao，ZHU Xingming.Analysis and Demonstration of Network Arrangement in Hydrological Forecasting System Construction[J].Hydrology，1993，2 ：13-20.

2016-10-14

2017-06-15

楊秀勇（1971—），男，工程師，主要研究方向：水力電力經營管理。Email：569688447@qq.com

侯 煜（1981—），男，高級工程師，主要研究方向：水情水調自動化系統技術研究。Email：iwhrhy@126.com

馬 嵐（1975—），男，工程師，主要研究方向：水情自動測報技術研究。Email：6080746@qq.com

郭 易（1973—），男，高級工程師，主要研究方向：水情自動測報技術研究。Email：13501212926@163.com

于興晗（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：水情自動測報技術研究。Email：13601009217@126.com

Construction of ShiYazi Automatic System of Hydrologic Data and Reservoir Dispatching

YANG Xiuyong1，HOU Yu2，MA Lan2，GUO Yi2，YU Xinghan2
（1.State Power Investment Corporation，Guizhou Jinyuan Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

ShiYazi hydropower station has problems in hydrologic data and reservoir dispatching such as ： low degree of automation，deviation of water calculation，lack of scientific flood forecasting and scheduling.It needs to establish a automatic system of hydrologic data and reservoir dispatching.The hydrologic data are accurate and reliable by using station network demonstration and calibration of stage-discharge relation curve.The open and redundant structure used in network ensure the compatibility，expansibility and security of system.Software of reservoir dispatching has rich functionality and friendly interface，provides a convenient integration plant for management.ShiYazi automatic system of hydrologic data and reservoir dispatching is not only meet the needs of the hydropower station，as well as provides a unified technology platform for cascade scheduling in Hong Du river’s basin.

hydrologic data and reservoir dispatching；cascade hydropower station；station network demonstration；database design

TV

A學科代碼：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.024