浅议麻栗坝水库水情自动测报系统及优化

摘要：本文是以云南省麻栗坝水库的水情测报为载体，研究开发水库水情自动监测系统中的工作体制和通讯方式优化，尽可能以较经济的方式达到充分利用水资源、洪水预报和科学调度的目的。 Abstract: This article takes the hydrological forecast of Maliba reservoir in Yunnan Province as the carrier， studies the optimization of work system and communication ways of automatic monitoring system， to achieve full utilization of water resources， flood forecasting and scientific control purposes with a more economical way as possible. 关键词：水库；水情测报系统；水库综合自动化 Key words: reservoir；hydrological forecast system；automation of reservoir

0 引言 随着科学技术进步和社会的发展，我们正在从工业化社会迈向信息化社会。水利是国民经济的基础设施，也是一个信息密集型行业。水利信息化是计算机技术、微电子技术、通讯技术、光电技术、遥感技术等到信息技术在水利上系统应用的过程。 水库综合自动化系统是一个包括通信与信息技术、防洪救灾管理与决策、洪水预报与科学调度的系统工程，而水库水情测报系统是水库综合自动化的重要组成部分。遵照《国家防汛抗旱指挥系统工程总体设计综合报告》中提出“半小时内完成全国水情信息收集任务”的要求，本文在测站布设已定的基础上，采用技术已成熟的水情测报系统和一些近年新兴测报系统进行对比，对麻栗坝水库综合自动化系统之一的水情测报系统中的工作体制和通讯方式进行了开发和优化，并进行系统硬件配置，以便能够迅速准确掌握本流域水情及水库上游来水情况，及时作出洪水预报。目的是迅速、准确将各测站水情信息传送到中心站，实现各测站无人值守、中心站少人值班；水库中心站能够自动采集和传输所辖范围内各遥测雨量站、水位雨量站、渠道站；水库大坝安全信息能即时上报，增强水库的管理和调度能力，为防汛抗旱调度提供科学依据[1]。 1 麻栗坝水库简介 麻栗坝水库位于云南省陇川县以北约5km的南宛河上游。流域呈北南向的矩形状，纵长约27km，最大宽度约19km，流域面积294km2。西南及东北部分水岭海拔高程一般都在2000～2200m以下；最低的坝址处，海拔高程为968m。坝址以上干流河长33.4km。水系发育，1km以上的一级支流多达39条，集流条件较好。该水库所处地理位置气候干燥，降水较少，水资源缺乏，洪水有峰高量少、陡涨陡落、沟陡坡大、破坏性大等特点，常因洪水引发较大损失。 2 麻栗坝水库水情自动测报系统开发 2.1 系统覆盖范围与站网布设 根据流域河道特征和水文气象特征，考虑到便于设备的管理和使用，麻栗坝水库水情自动测报系统的站网由1个中心站、11个遥测雨量站、1个水库水文站（坝上、坝下）、1个河道水文站（兼测雨量）、7个灌溉渠道站、一个闸门控制站组成。 2.2 测报系统结构 麻栗坝水库水情自动测报由3个系统构成：水库管理局的中心站（第一级）；分布在水库上、下游的各类测站及控制站（第二级）；涉及各类监测点（第三级）。第一级中心站。中心站设在水库管理局，由服务器、工作站、防雷设备、中心遥测终端、UPS、稳压电源、无线电台、天线、有线通讯设备、计算机网络设备及计算机辅助设备等组成。作用是接受各测站发送的数据，实现数据入库管理及分析处理。第二级智能化设备。智能化设备由水情自动测报的智能遥测终端（RTU）设备组成。其将采集的降雨量、水位参数，通过有线方式或超短波方式将数据报送至水库中心站。第三级：传感器、数据电台通讯。由各雨量计、水位计等传感器或器件组成，主要作用是采集各测站的降雨量、水位参数。通过无线或有线连接至第二级对应的RTU，实现自动测量的目的。水情自动测报系统主要功能是承担气象站、雨量站、水位站的信息采集，并将信息传送至水库中心站。中心站将数据信息进行处理，通过整理、计算、分析后得出水情信息。 2.3 测报系统工作体制优化 水情测报系统工作体制分为自报式、应答式和混合式三种。工作体制性能优化主要从系统结构、电源消耗、实时性、同频信号碰撞等几方面来比较研究。 2.3.1 系统结构 自报方式的特点是数据单方向传输，因而仅需要单向信道，系统结构简单。遥测站只发送，不接收，中心站只接收，不发送。因而设备的软硬件简单，设备投资低，设备维修容易。应答方式特点是具有接收命令和发送数据的收发双向通讯，需要双向信道，系统结构复杂。遥测站和中心站均具备发送和接收功能，设备软硬件复杂。 2.3.2 电源消耗 自报方式的特点是遥测站在不发送数据的时处于微功耗状态，用小容量蓄电池组和小容量太阳能光电板浮充方式供电，体积小、重量轻，便于实现结构一体化设计。应答方式的特点是遥测站因接收机一直处于接收守侯状态，因而电源消耗较大，通常为自报式的数倍以上，需要较大容量的太阳能电池对蓄电池进行浮充，蓄电池容量较大。 2.3.3 实时性 自报方式的特点是根据事先设定的时间间隔和增量发生报数。应答方式的特点是随应随答，实时性好。 2.3.4 同频信号碰撞 自报方式的特点是各遥测站是随机向中心站报数，可能发生同频信号碰撞，导致接收端收数异常。应答方式的特点是由中心站主动召测，不存在同频信号碰撞的问题。混合式的特点介于自报式与应答式之间。结合麻栗坝水库地形环境情况，采用功耗小维护容易的自报式工作体制。 2.4 测报系统通讯方式优化 水情自动测报通信方式目前主要有超短波、有线PSTN、卫星、短波、GMS短信等多种方式。 2.4.1 超短波通信的优点是：信号传输比较稳定，质量较好，又具有一定的绕射能力，技术上最成熟。缺点是：传播距离较近；受地形限制，在山地通信或距离较远时需设置中继转发站。

2.4.2 有线PSTN（Public Switching Telephone Network）具有组网灵活、成本低、维护方便等优势。但系统运行通话费用较高，实时性差，运行成本高，而且发送数据间隔较长，不能实时反映情况。 2.4.3 卫星通信系统的优点是：信号传输质量最好；传输距离不受限制，覆盖面积大；受地形、气候的影响小、组网灵活。缺点是：系统建设相对成本高；运行相对成本高；水情数据的传输有部分延迟现象。 2.4.4 短波通信的优点是：传播距离较远，受地形的影响小，投资少，建设快，抗破坏能力强。短波通信的缺点是：通信质量差，信道稳定性差；受电离层和气候的影响大。GSM短信息的优点是：传播不受距离、地形限制；投资少，建设快，运行费用低；抗破坏能力强，可实现“一包多发”。缺点是：因受基站覆盖影响，建设地点有限制条件。根据麻栗坝水库水情自动测报系统覆盖范围、地形复杂落差大，决定在水管局数据采集中心站、中继站与雨量站、水位站各个遥测站间采用超短波通讯方式进行数据传输。水管局中心站与输水闸闸自动控制站采用光纤通讯方式。 3 主要设备选型 根据选定的系统测报体制和总体设计方案，整个系统硬件配置包括：传感器、遥测站终端设备和中心站设备。 3.1 一次传感器 雨量计选用翻斗式双簧雨量计。其产品质量稳定，性价比高。水位计选用静压式液位计，体积小，安装使用简便。 3.2 遥测站终端设备 智能遥测终端（RTU）终端设备选用自报式遥测终端机，由控制器、调制器、天馈线、太阳能电池板、蓄电池组成。中心遥测终端（中心RTU）一般要求：除了具有智能遥测终端的全部功能外，还应具备以下特殊功能：可在中心站计算机不开机的情况下，独立运行，接收各测站的数据。 3.3 中心站 中心站由天馈线、解调器、服务器、微机、打印机、显示器、UPS等组成。中心站的主要功能最终由微机系统完成，计算机通过解调器接收遥测站数据，完成数据处理和存储并生成各种表格。 3.4 电源和防雷接地 3.4.1 电源配置 考虑到测站的特点，遥测站设备必须省电，采用太阳能-蓄电池直流浮充供电方式电源配置，应能保证设备在环境要求下，连续正常工作，电池组容量应能保证各类设备在连续20天阴雨天气情况下仍能正常工作。太阳能供电方式由太阳能电池板、充电控制器和蓄电池组成。太阳能充电控制器具有过度放电保护、过载保护、蓄电池接反保护和太阳能板接反保护。为了保障水情自动测报系统的正常运行，系统应配置稳定的电源，中心站采用交流净化电源，并配备UPS保证不间断向设备供电，保证中心站计算机在市电停电状态下供电2小时。 3.4.2 避雷接地 由于工程地处山区，是雷电高发区，充分考虑避雷设计以保障遥测站正常工作减少损害。室外采用避雷针，高度高于天线高度1.5米，避雷针和引下线焊牢，避雷针保护角为45°，天线、机房等设备均在保护范围内，遥测站接地电阻小于10Ω。天线系统则采用天馈避雷器。防雷设备要求过流能力强，泄流时间短。 4 结语 麻栗坝水库水情自动测报系统根的实际运行表明自报方式为该系统的较优工作体制；供电方式合理；接地设备和避雷装置设计可靠。系统的建设，提高了管理人员的工作水平，改善了工作环境，能使管理人员进行科学决策和合理调度，确保工程安全和水资源的充分利用，使工程达到安全、经济高效运行的目的。