羅閘河一級(jí)水電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 匡，郝 建，張 力

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038；

2.江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京100070；3.湖北黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰442000）

水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)采用先進(jìn)的現(xiàn)代科技方法對(duì)水文信息，如雨量、水位、流量等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理傳輸至中心站，結(jié)合專業(yè)水文知識(shí)進(jìn)行在線洪水預(yù)報(bào)，為運(yùn)行人員提供滿足江河流域防洪、水庫安全度汛、水資源利用以及其他綜合利用要求的科學(xué)決策方案，在水利部門及水電廠有著廣泛的應(yīng)用[1]。狹義的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)主要指遙測站的建設(shè)和數(shù)據(jù)的采集傳輸，以及用收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。而廣義的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)不僅包括遙測站的建設(shè)，還包括在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的水務(wù)信息計(jì)算、洪水調(diào)度、發(fā)電計(jì)劃制作、與上級(jí)調(diào)度部門數(shù)據(jù)通信等高級(jí)應(yīng)用功能。目前我國建設(shè)的中小水電站較多，其水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)多為廣義上的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)。

1 流域及電站簡介

羅閘河流域地處云南省滇西橫斷山脈高山峽谷區(qū)，是瀾滄江上游右側(cè)的一條一級(jí)支流，發(fā)源于昌寧縣境內(nèi)，流域集水面積3231km2，干流河長190.2km，多年平均年降水量約1300mm，多年平均年徑流量21.7億m3。

羅閘河一級(jí)電站位于羅閘河干流下游峽谷河段，距云縣縣城36km，其壩址以上集水面積3075km2。工 程 區(qū) 地 理 坐 標(biāo)：北 緯 24°29′37″～24°30′26″，東 經(jīng)100°19′16″～100°24′30″。水庫正常蓄水位 1012.5m，相應(yīng)正常庫容1150萬m3，死水位1007m，相應(yīng)死庫容712萬m3，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量為2×15MW。

羅閘河流域氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)云縣氣象站提供的氣象資料統(tǒng)計(jì)，壩址多年平均年降水量908.5mm，多年平均氣溫18.6℃，極端最高氣溫37.6℃，極端最低氣溫-0.6℃，年最大風(fēng)速19m/s（為西南風(fēng)和東北風(fēng)），多年平均雷暴日數(shù)50天。流域汛枯分明、夏濕冬干，汛期為5月至10月，降水量占全年85%，徑流量占全年的70%以上。太平關(guān)站以上洪水主要發(fā)生在汛期的7月和8月份，而以7月下旬和8月上、中旬居多。據(jù)太平關(guān)站46年實(shí)測洪水資料統(tǒng)計(jì)，年最大洪水發(fā)生在7月份和8月份的年數(shù)占75%。

羅閘河一級(jí)水電站壩址上游9.4km的太平關(guān)水文站控制了近95%的集水面積，羅閘河一級(jí)電站設(shè)計(jì)年徑流直接移用太平關(guān)水文站年徑流頻率分析計(jì)算成果，但經(jīng)集水面積比例修正。根據(jù)太平關(guān)水文站年徑流頻率分析計(jì)算的成果，經(jīng)集水面積比例修正后可得到壩址多年平均年徑流量為20.6億m3，多年平均流量65.3m3/s[2]。

2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

羅閘河一級(jí)水電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)主要包括遙測站建設(shè)、中心站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、中心站軟件建設(shè)等三項(xiàng)內(nèi)容。建設(shè)目標(biāo)是：基于新建的水文站、水位站、雨量站采集的實(shí)時(shí)信息，從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的機(jī)組工況、有功、發(fā)電量等信息，從閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)采集的閘門開度信息，以實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)庫、歷史水情數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，開發(fā)集水情測報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、水務(wù)計(jì)算、數(shù)據(jù)上傳為一體的水情測報(bào)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握流域雨水情信息，實(shí)時(shí)計(jì)算電站的水務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)并上傳到云南省電網(wǎng)公司，為電站的安全運(yùn)行，提高電站的水能利用效率提供決策支持。

3 系統(tǒng)遙測站建設(shè)

3.1 系統(tǒng)遙測站網(wǎng)布設(shè)方案

遙測站網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)考慮測量精度、地理位置、交通等各方面條件，使得在經(jīng)濟(jì)合理的投資下，所布設(shè)的站點(diǎn)能準(zhǔn)確地對(duì)流域降雨量、水位、流量等進(jìn)行測量[3]。羅閘河一級(jí)水電站以上建設(shè)有南河電站，和羅閘河一級(jí)水電站是同一個(gè)公司開發(fā)的，因此可以共享南河電站的出庫流量，尾水位等信息。本著滿足需要，節(jié)省投資的目的，本次遙測站布設(shè)區(qū)間為南河電站到羅閘河一級(jí)電站區(qū)間。根據(jù)本系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)任務(wù)，經(jīng)過圖上初步選點(diǎn)、現(xiàn)場勘察、信道測試比較、與用戶設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)確認(rèn)等工作環(huán)節(jié)，最終在流域布設(shè)小羅扎、小定喜2個(gè)雨量站，壩上、壩下2個(gè)水位雨量站。其中雨量站用以滿足流域水情監(jiān)視、洪水預(yù)報(bào)及安全度汛的需要。而壩上、壩下測站不僅可以滿足安全度汛的需求，而且還能滿足運(yùn)行期水務(wù)計(jì)算的需要。

3.2 遙測站結(jié)構(gòu)及功能

遙測站由傳感器、采集終端（RTU）、供電系統(tǒng)、通信模塊、防雷設(shè)備等組成，其中RTU是遙測站的核心，實(shí)現(xiàn)將傳感器測量的數(shù)據(jù)處理并將其發(fā)送到中心站的功能。遙測站的相關(guān)參數(shù)，例如報(bào)送閾值、定時(shí)發(fā)送間隔等可以通過遠(yuǎn)程設(shè)置。遙測站結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3.3 遙測站傳感器選型、通信信道選型及供電設(shè)計(jì)

圖1 遙測站結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)雨量傳感器選用1mm測量精度的翻斗式雨量計(jì)。壩上水位站選用雷達(dá)式水位計(jì)、壩下水位站選用壓力式水位計(jì)；經(jīng)過對(duì)各遙測站點(diǎn)現(xiàn)場勘察，羅閘河一級(jí)電站GSM通信信道良好，因此系統(tǒng)采用GSM信道通信方式；通過系統(tǒng)遙測設(shè)備功耗分析計(jì)算，本系統(tǒng)雨量站電源配置為20W太陽能光板，38AH蓄電池；水位站電源配置為40W太陽能光板，76AH蓄電池，能滿足連續(xù)45d陰雨氣象條件下的測站供電需求。

4 中心站設(shè)計(jì)及關(guān)鍵功能開發(fā)

中心站負(fù)責(zé)遙測站信息接收與處理、機(jī)組監(jiān)控信息采集、數(shù)據(jù)庫管理、水務(wù)數(shù)據(jù)計(jì)算、水情信息上傳等，包括中心站網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和中心站軟件2部分。

4.1 中心站網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

羅閘河一級(jí)水電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)設(shè)立一個(gè)中心站，中心站是系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要功能在此集成，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)。中心站主要由網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫，中心站軟件系統(tǒng)等部分組成。中心站包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器、工作站、打印機(jī)、交換機(jī)、防火墻、GSM接收模塊、機(jī)柜等。

其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)接收遙測雨水情信息，各種報(bào)表數(shù)據(jù)，中心站軟件數(shù)據(jù)等，操作系統(tǒng)采用Windows Server 2012，數(shù)據(jù)庫軟件采用Microsoft SQL Server 2012；通信服務(wù)器負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信，操作系統(tǒng)采用Windows Server 2012，由于監(jiān)控系統(tǒng)位于安全I(xiàn)區(qū)，水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)位于安全I(xiàn)I區(qū)，因此需要用防火墻對(duì)其隔離；工作站上安裝水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中心站軟件，值班人員進(jìn)行中心站軟件操作在此機(jī)器上進(jìn)行，操作系統(tǒng)采用Windows XP。

羅閘河一級(jí)電站上傳到云南省電網(wǎng)數(shù)據(jù)通道與羅閘河二級(jí)電站共用，因此需要先將羅閘河一級(jí)電站相關(guān)水情信息數(shù)據(jù)傳送到羅閘河二級(jí)的服務(wù)器上，然后再從羅閘河二級(jí)上傳到省電網(wǎng)公司。羅閘河一級(jí)電站和羅閘河二級(jí)電站之間的通道采用光纖傳輸。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 羅閘河一級(jí)水電站水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 中心站軟件總體設(shè)計(jì)

中心站軟件的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)水務(wù)報(bào)表的計(jì)算、水情及水務(wù)信息的上傳等。

4.3 中心站軟件主要功能

中心站軟件供值班人員操作使用，值班人員可以利用此軟件查看實(shí)時(shí)的雨水情信息，報(bào)表信息，遙測站信息等，并可以通過此軟件遠(yuǎn)程修改野外遙測站的參數(shù)等。主要功能有數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、監(jiān)視預(yù)警子系統(tǒng)、查詢分析子系統(tǒng)、水務(wù)計(jì)算子系統(tǒng)、值班管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、水庫調(diào)度子系統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、資料整編子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)等。

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括雨水情數(shù)據(jù)采集、機(jī)組信息采集、閘門開度信息采集：雨水情數(shù)據(jù)采集遙測站發(fā)送的水位、雨量等信息，并對(duì)接收的水位、雨量等信息進(jìn)行校檢、糾錯(cuò)、插補(bǔ)、整理、儲(chǔ)存等功能。并可對(duì)遙測站實(shí)施在線管理（如參數(shù)設(shè)置、召測數(shù)據(jù)等）；機(jī)組數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的機(jī)組信息，包括工況，出力等信息，供報(bào)表計(jì)算使用；閘門開度信息從閘門自動(dòng)控制系統(tǒng)中采集，用于計(jì)算下泄流量。

（2）監(jiān)視預(yù)警子系統(tǒng)

監(jiān)視預(yù)警子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的水雨情信息、設(shè)備故障信息、設(shè)備電壓信息等進(jìn)行監(jiān)測及報(bào)警；支持以屏幕顯示，或以語音等方式輸出報(bào)警事件；報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警限值、報(bào)警方式以及報(bào)警對(duì)象均可設(shè)置。

（3）查詢分析子系統(tǒng)

系統(tǒng)采用豐富專業(yè)的圖形和表格等形式展示水情水調(diào)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；可進(jìn)行各類相關(guān)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析等；在GIS地圖上實(shí)現(xiàn)流域監(jiān)視和查詢功能。

（4）水務(wù)計(jì)算子系統(tǒng)

包括水庫調(diào)度時(shí)段報(bào)表計(jì)算，計(jì)算出庫、入庫、發(fā)電、下泄等流量信息；水庫調(diào)度日、周、旬、月、季、年統(tǒng)計(jì)報(bào)表；專項(xiàng)統(tǒng)計(jì)報(bào)表；流量過程線繪制及洪水要素和特征值統(tǒng)計(jì)功能。

（5）值班管理子系統(tǒng)

值班管理子系統(tǒng)是為了滿足系統(tǒng)管理人員的日常工作需求的軟件系統(tǒng)。功能包括：交接班管理；靜態(tài)曲線管理；手工編輯數(shù)據(jù)，包括水位、閘門啟閉信息、機(jī)組出力工況信息等的插補(bǔ)，修改等；設(shè)備運(yùn)行維護(hù)信息管理等。

（6）數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

提供對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理的工具，可對(duì)所有數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，包括數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)庫操作日志查詢、數(shù)據(jù)庫備份、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)等、分配不同級(jí)別用戶權(quán)限等。

（7）洪水預(yù)報(bào)子系統(tǒng)

包括洪水期水情預(yù)報(bào)方案，枯期水情預(yù)報(bào)方案，中長期水情預(yù)報(bào)方案等；多種預(yù)報(bào)模型選擇；預(yù)報(bào)模型庫及參數(shù)管理；預(yù)報(bào)方案管理；預(yù)報(bào)模型參數(shù)自動(dòng)率定；自動(dòng)洪水預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)；人工洪水預(yù)報(bào)；模擬降雨預(yù)報(bào)；預(yù)報(bào)成果查詢，發(fā)布等；歷史洪水查詢，分析，選取等；數(shù)據(jù)預(yù)處理等。

（8）水庫調(diào)度子系統(tǒng)

水庫調(diào)度子系統(tǒng)包括防洪調(diào)度和發(fā)電調(diào)度。防洪調(diào)度包括調(diào)洪演算、泄洪決策、洪水統(tǒng)計(jì)；按照水庫調(diào)度方式與規(guī)則自動(dòng)生成調(diào)度方案；根據(jù)實(shí)時(shí)雨水情人工交互生成調(diào)度方案；按照上級(jí)下達(dá)的決策生成調(diào)度方案；對(duì)多種調(diào)度方案自動(dòng)優(yōu)選；調(diào)度成果查詢等。發(fā)電調(diào)度包括制定水電站及水庫運(yùn)用計(jì)劃、實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃、短期發(fā)電調(diào)度計(jì)劃以及中長期發(fā)電計(jì)劃等。

（9）用戶管理子系統(tǒng)

對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理，包括對(duì)用戶權(quán)限、角色進(jìn)行分級(jí)，新增、刪除用戶，修改用戶密碼等。

（10）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)

主要包括：系統(tǒng)菜單設(shè)置；用戶管理；系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)任意時(shí)段系統(tǒng)通信情況、設(shè)備運(yùn)行情況等信息；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，設(shè)置關(guān)鍵進(jìn)程及功能模塊運(yùn)行參數(shù)；系統(tǒng)診斷測試，通過在線、離線測試，診斷系統(tǒng)遙測及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障等。

（11）資料整編子系統(tǒng)

對(duì)流域的雨水情信息進(jìn)行整編，包括小時(shí)、日、旬、月、年等時(shí)段的水位、流量、雨量等資料以及洪水要素摘錄資料。

（12）數(shù)據(jù)上傳子系統(tǒng)

負(fù)責(zé)上傳云南省電網(wǎng)公司要求的水情信息，包括電站的時(shí)段及日入庫流量、出庫流量、發(fā)電流量、棄水流量、流域平均降雨，實(shí)時(shí)、時(shí)段水位信息，時(shí)段雨量信息，實(shí)時(shí)閘門開度信息等。

5 系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施與運(yùn)行

系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)歷了現(xiàn)場查勘、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝調(diào)試等階段，安裝調(diào)試工作于2018年7月25日順利結(jié)束，于7月31日完成系統(tǒng)初步驗(yàn)收，投入試運(yùn)行。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了羅閘河一級(jí)水電站流域的雨量、水位等信息的自動(dòng)采集；實(shí)現(xiàn)了電站入庫流量的預(yù)報(bào)；實(shí)現(xiàn)了電站水務(wù)信息，包括入庫流量、出庫流量、發(fā)電流量、下泄流量的自動(dòng)計(jì)算；將計(jì)算的水務(wù)信息實(shí)時(shí)傳送到云南省電網(wǎng)公司。系統(tǒng)的建成為電站的安全運(yùn)行提供了決策支持作用，有效地減輕了值班人員的工作量。