風光互補無線泄洪警報系統的開發與實踐

王亞華 劉釗林 張曉濤

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都615000）

泄洪警報系統是確保電站安全運行、保障人民群眾生命和財產安全、避免電站泄洪時由于下游水位變化造成人員傷害和財產損失的重要系統。泄洪警報系統應具有即時、穩定、可靠及覆蓋廣的特點。

我國在建及規劃待建水電站大多集中于云貴、川藏地區，該區域地質條件復雜海拔高、易滑坡、多滾石，戶外施工及維護存在較大風險，尤其在泄洪警報系統運行頻率較高的雨天，極易面對惡劣環境，因此冗余性高，穩定性強的無線警報系統至關重要。[1]

本文通過對風光互補無線泄洪警報系統的設計與實踐，為無線泄洪警報系統在地質條件惡劣地區的使用提供有力參考。

1 系統性能要求

警報系統應能播放預制錄音且具有強切播放人工信息功能，系統具有故障監視及報警功能，冗余子系統可進行自動/手動切換、故障切換功能，泄洪系統應具有遠程、現地兩種控制方式，警報聲壓不小于80dB，[2-3]系統具有實時報警、運行狀態監測及存儲，運行性能分析功能。

2 系統設計

2.1 系統整體設計

無線泄洪警報系統按功能不同，將站點分別設計為控制站和播放站。控制站接收外部控制指令，并下發指令至播放站，播放站執行播放命令。采用不同的信號傳輸方式，各站點組網不同，系統架構不同，控制方式也有差異，信號傳輸架構如圖1，2。[4]

圖1 FM 電臺網絡信號傳輸圖

2.2 各功能組件設計[1，5]

2.2.1 能量收儲子系統

圖2 GSM 網絡信號傳輸圖

播放站采用水泥采用風電+太陽能雙系統進行能量收集，采用大容量單體鉛酸閥控蓄電池進行電能儲存，配備充電控制器進行蓄電池充電控制及電壓轉換。蓄電池容量12V100Ah，風力發電機300W/12V，太陽能板100W/18.1V，結構如圖3。

圖3 能量收儲子系統結構圖

2.2.2 信號收發子系統

信號收發子系統在各類站點內設置不同，控制站、中轉播放站、播放站信號收發功能不同，分別設計。

a.控制站

控制站采用GSM天線進行GSM網絡信號收發，通過同軸電纜傳輸至主控裝置。FM信號通過FM天線進行發送，采用專門FM發射機連接至主控裝置，將控制信號轉換為設定頻率的FM電臺信號。

b.中轉播放站

中轉播放站采用GSM天線進行GSM網絡信號收發，通過獨立同軸電纜將控制信號傳輸至主控裝置。FM天線進行FM電臺信號接收，通過同軸電纜將信號送至FM收發機，轉換后將控制信號傳輸至主控裝置。主控裝置將控制信號通過FM收發機更換頻段后發送給該中轉站負責的播放站。設置一個對講天線連接至主控制器，在控制站整體故障或外部信號傳輸故障時，可以采用對講機進行單站點啟、停，結構如圖3。

圖4 中轉播放站系統組成圖

c.播放站

播放站在中轉播放站基礎上移除FM收發機，刪除FM電臺信號發送功能，保留其他功能。

2.2.3 站點主控制器

站點主控制器采用定制的無線預警設備及配件組成，可進行信號收、發及轉換，站點運行狀態及報警信息的輸出，儲存錄音的讀取、轉碼及播放，輸出報警信號至戶外警報裝置。

3 實踐案例

某水電站位于雅礱江上，大壩庫容4.3 億立方米，泄洪警報范圍為大壩至下游16.2km 路段，設置1 面控制柜、20 個沿線泄洪廣播站點。20 個播放站采用桿塔式站點，泄洪廣播單點響度覆蓋范圍為半徑1 公里，相鄰兩個廣播占地間響度最小值不低于80 分貝，警報聲持續時間不小于30 分鐘。根據該電站實際情況，日照充足，播放站采用太陽能+蓄電池供電方式，中轉播放站采用風光+蓄電池供電方式，控制站采用廠用交流供電方式。[1,5]

圖5 C 型播放站現場圖

在FM 電臺信號傳輸方式下，A 型站（#1 站點）通過硬接線接收到中控室啟動泄洪警報后，無線警報設備開始播放內置警報音樂，號角揚聲器開始播放，同時，控制站FM 收發機持續發出高頻信號給B 型站（#6 站點）。#6B 型站收到高頻信號后，持續給#11B 型站發送高頻信號、#7-10C 型站發出低頻信號，C 型站接受到信號后，各站點開始警報。當停止泄洪警報時，A 站點FM收發機停止發送信號，站點停止警報。

采用GSM通信啟停方式，在每一個站點設置GSM 卡，可進行短信及移動數據的傳輸。將站點及中控室衛星電話號碼寫入每個站點白名單，接收到短信指令后，各站點會根據指令播放站點內主控制器按順序存儲的錄音，聯動聲光報警，成功執行警報，并將播放信息通過網絡信號傳輸回控制系統。需要停止警報時，通過短信指令，所有站點停止警報，并將停止播放信息回復至中控室。

表1 運行統計表

GSM通信方式報警失敗原因為外部移動通信服務商信號塔故障，導致河道整體區域無通信信號。FM電臺通信方式站點收發失敗原因為附近樹木茂密遮擋。經過3 年長期運行觀察，無線泄洪警報系統運行穩定，故障率低，警報可靠，聲壓級滿足要求。當某個站點系統電壓欠壓、控制箱開箱、喇叭無聲時，通過GSM 網絡將數據傳回控制站，并顯示在無線泄洪警報系統平臺，錄入服務器。

4 性能優化

4.1 在FM電臺通信方式下，對周圍環境有一定要求。當周圍環境數目茂密，河道彎曲較多時，信號容易衰減，建議采用多波段玻璃鋼天線，經驗證有利于提升信號傳輸穩定。

4.2 GSM通信方式信息傳輸能力強，功耗低，但對外部移動服務商信號穩定要求高，可作為主用信息傳輸方式，電臺通信方式作為備用信息傳輸方式。

5 結論

風光互補無線泄洪警報系統的避免了傳統有線泄洪警報系統建設難度大、工程成本高及設備可靠性低的缺陷。該系統的開發充分考慮高海拔地區滇川藏地區光照時間長，陰雨天風力充沛的條件，各子系統冗余配置，安全可靠，為滇川藏水電基地泄洪警報系統的設計及開發提供一個可借鑒案例。