摘要：本文是以云南省麻栗壩水庫的水情測報為載體，研究開發(fā)水庫水情自動監(jiān)測系統(tǒng)中的工作體制和通訊方式優(yōu)化，盡可能以較經(jīng)濟的方式達到充分利用水資源、洪水預(yù)報和科學(xué)調(diào)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.
關(guān)鍵詞：水庫；水情測報系統(tǒng)；水庫綜合自動化
Key words: reservoir；hydrological forecast system；automation of reservoir
0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)進步和社會的發(fā)展，我們正在從工業(yè)化社會邁向信息化社會。水利是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個信息密集型行業(yè)。水利信息化是計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、光電技術(shù)、遙感技術(shù)等到信息技術(shù)在水利上系統(tǒng)應(yīng)用的過程。
水庫綜合自動化系統(tǒng)是一個包括通信與信息技術(shù)、防洪救災(zāi)管理與決策、洪水預(yù)報與科學(xué)調(diào)度的系統(tǒng)工程，而水庫水情測報系統(tǒng)是水庫綜合自動化的重要組成部分。遵照《國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程總體設(shè)計綜合報告》中提出“半小時內(nèi)完成全國水情信息收集任務(wù)”的要求，本文在測站布設(shè)已定的基礎(chǔ)上，采用技術(shù)已成熟的水情測報系統(tǒng)和一些近年新興測報系統(tǒng)進行對比，對麻栗壩水庫綜合自動化系統(tǒng)之一的水情測報系統(tǒng)中的工作體制和通訊方式進行了開發(fā)和優(yōu)化，并進行系統(tǒng)硬件配置，以便能夠迅速準確掌握本流域水情及水庫上游來水情況，及時作出洪水預(yù)報。目的是迅速、準確將各測站水情信息傳送到中心站，實現(xiàn)各測站無人值守、中心站少人值班；水庫中心站能夠自動采集和傳輸所轄范圍內(nèi)各遙測雨量站、水位雨量站、渠道站；水庫大壩安全信息能即時上報，增強水庫的管理和調(diào)度能力，為防汛抗旱調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)[1]。
1 麻栗壩水庫簡介
麻栗壩水庫位于云南省隴川縣以北約5km的南宛河上游。流域呈北南向的矩形狀，縱長約27km，最大寬度約19km，流域面積294km2。西南及東北部分水嶺海拔高程一般都在2000～2200m以下；最低的壩址處，海拔高程為968m。壩址以上干流河長33.4km。水系發(fā)育，1km以上的一級支流多達39條，集流條件較好。該水庫所處地理位置氣候干燥，降水較少，水資源缺乏，洪水有峰高量少、陡漲陡落、溝陡坡大、破壞性大等特點，常因洪水引發(fā)較大損失。
2 麻栗壩水庫水情自動測報系統(tǒng)開發(fā)
2.1 系統(tǒng)覆蓋范圍與站網(wǎng)布設(shè) 根據(jù)流域河道特征和水文氣象特征，考慮到便于設(shè)備的管理和使用，麻栗壩水庫水情自動測報系統(tǒng)的站網(wǎng)由1個中心站、11個遙測雨量站、1個水庫水文站（壩上、壩下）、1個河道水文站（兼測雨量）、7個灌溉渠道站、一個閘門控制站組成。
2.2 測報系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 麻栗壩水庫水情自動測報由3個系統(tǒng)構(gòu)成：水庫管理局的中心站（第一級）；分布在水庫上、下游的各類測站及控制站（第二級）；涉及各類監(jiān)測點（第三級）。第一級中心站。中心站設(shè)在水庫管理局，由服務(wù)器、工作站、防雷設(shè)備、中心遙測終端、UPS、穩(wěn)壓電源、無線電臺、天線、有線通訊設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計算機輔助設(shè)備等組成。作用是接受各測站發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫管理及分析處理。第二級智能化設(shè)備。智能化設(shè)備由水情自動測報的智能遙測終端（RTU）設(shè)備組成。其將采集的降雨量、水位參數(shù)，通過有線方式或超短波方式將數(shù)據(jù)報送至水庫中心站。第三級：傳感器、數(shù)據(jù)電臺通訊。由各雨量計、水位計等傳感器或器件組成，主要作用是采集各測站的降雨量、水位參數(shù)。通過無線或有線連接至第二級對應(yīng)的RTU，實現(xiàn)自動測量的目的。水情自動測報系統(tǒng)主要功能是承擔氣象站、雨量站、水位站的信息采集，并將信息傳送至水庫中心站。中心站將數(shù)據(jù)信息進行處理，通過整理、計算、分析后得出水情信息。
2.3 測報系統(tǒng)工作體制優(yōu)化 水情測報系統(tǒng)工作體制分為自報式、應(yīng)答式和混合式三種。工作體制性能優(yōu)化主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電源消耗、實時性、同頻信號碰撞等幾方面來比較研究。
2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 自報方式的特點是數(shù)據(jù)單方向傳輸，因而僅需要單向信道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。遙測站只發(fā)送，不接收，中心站只接收，不發(fā)送。因而設(shè)備的軟硬件簡單，設(shè)備投資低，設(shè)備維修容易。應(yīng)答方式特點是具有接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)的收發(fā)雙向通訊，需要雙向信道，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。遙測站和中心站均具備發(fā)送和接收功能，設(shè)備軟硬件復(fù)雜。
2.3.2 電源消耗 自報方式的特點是遙測站在不發(fā)送數(shù)據(jù)的時處于微功耗狀態(tài)，用小容量蓄電池組和小容量太陽能光電板浮充方式供電，體積小、重量輕，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。應(yīng)答方式的特點是遙測站因接收機一直處于接收守侯狀態(tài)，因而電源消耗較大，通常為自報式的數(shù)倍以上，需要較大容量的太陽能電池對蓄電池進行浮充，蓄電池容量較大。
2.3.3 實時性 自報方式的特點是根據(jù)事先設(shè)定的時間間隔和增量發(fā)生報數(shù)。應(yīng)答方式的特點是隨應(yīng)隨答，實時性好。
2.3.4 同頻信號碰撞 自報方式的特點是各遙測站是隨機向中心站報數(shù)，可能發(fā)生同頻信號碰撞，導(dǎo)致接收端收數(shù)異常。應(yīng)答方式的特點是由中心站主動召測，不存在同頻信號碰撞的問題。混合式的特點介于自報式與應(yīng)答式之間。結(jié)合麻栗壩水庫地形環(huán)境情況，采用功耗小維護容易的自報式工作體制。
2.4 測報系統(tǒng)通訊方式優(yōu)化 水情自動測報通信方式目前主要有超短波、有線PSTN、衛(wèi)星、短波、GMS短信等多種方式。
2.4.1 超短波通信的優(yōu)點是：信號傳輸比較穩(wěn)定，質(zhì)量較好，又具有一定的繞射能力，技術(shù)上最成熟。缺點是：傳播距離較近；受地形限制，在山地通信或距離較遠時需設(shè)置中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。
2.4.2 有線PSTN（Public Switching Telephone Network）具有組網(wǎng)靈活、成本低、維護方便等優(yōu)勢。但系統(tǒng)運行通話費用較高，實時性差，運行成本高，而且發(fā)送數(shù)據(jù)間隔較長，不能實時反映情況。
2.4.3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)點是：信號傳輸質(zhì)量最好；傳輸距離不受限制，覆蓋面積大；受地形、氣候的影響小、組網(wǎng)靈活。缺點是：系統(tǒng)建設(shè)相對成本高；運行相對成本高；水情數(shù)據(jù)的傳輸有部分延遲現(xiàn)象。
2.4.4 短波通信的優(yōu)點是：傳播距離較遠，受地形的影響小，投資少，建設(shè)快，抗破壞能力強。短波通信的缺點是：通信質(zhì)量差，信道穩(wěn)定性差；受電離層和氣候的影響大。GSM短信息的優(yōu)點是：傳播不受距離、地形限制；投資少，建設(shè)快，運行費用低；抗破壞能力強，可實現(xiàn)“一包多發(fā)”。缺點是：因受基站覆蓋影響，建設(shè)地點有限制條件[2]。根據(jù)麻栗壩水庫水情自動測報系統(tǒng)覆蓋范圍、地形復(fù)雜落差大，決定在水管局數(shù)據(jù)采集中心站、中繼站與雨量站、水位站各個遙測站間采用超短波通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。水管局中心站與輸水閘閘自動控制站采用光纖通訊方式。
3 主要設(shè)備選型
根據(jù)選定的系統(tǒng)測報體制和總體設(shè)計方案，整個系統(tǒng)硬件配置包括：傳感器、遙測站終端設(shè)備和中心站設(shè)備。
3.1 一次傳感器 雨量計選用翻斗式雙簧雨量計。其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，性價比高。水位計選用靜壓式液位計，體積小，安裝使用簡便[3]。
3.2 遙測站終端設(shè)備 智能遙測終端（RTU）終端設(shè)備選用自報式遙測終端機，由控制器、調(diào)制器、天饋線、太陽能電池板、蓄電池組成。中心遙測終端（中心RTU）一般要求：除了具有智能遙測終端的全部功能外，還應(yīng)具備以下特殊功能：可在中心站計算機不開機的情況下，獨立運行，接收各測站的數(shù)據(jù)。
3.3 中心站 中心站由天饋線、解調(diào)器、服務(wù)器、微機、打印機、顯示器、UPS等組成。中心站的主要功能最終由微機系統(tǒng)完成，計算機通過解調(diào)器接收遙測站數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理和存儲并生成各種表格。
3.4 電源和防雷接地
3.4.1 電源配置 考慮到測站的特點，遙測站設(shè)備必須省電，采用太陽能-蓄電池直流浮充供電方式電源配置，應(yīng)能保證設(shè)備在環(huán)境要求下，連續(xù)正常工作，電池組容量應(yīng)能保證各類設(shè)備在連續(xù)20天陰雨天氣情況下仍能正常工作。太陽能供電方式由太陽能電池板、充電控制器和蓄電池組成。太陽能充電控制器具有過度放電保護、過載保護、蓄電池接反保護和太陽能板接反保護。為了保障水情自動測報系統(tǒng)的正常運行，系統(tǒng)應(yīng)配置穩(wěn)定的電源，中心站采用交流凈化電源，并配備UPS保證不間斷向設(shè)備供電，保證中心站計算機在市電停電狀態(tài)下供電2小時。
3.4.2 避雷接地 由于工程地處山區(qū)，是雷電高發(fā)區(qū)，充分考慮避雷設(shè)計以保障遙測站正常工作減少損害。室外采用避雷針，高度高于天線高度1.5米，避雷針和引下線焊牢，避雷針保護角為45°，天線、機房等設(shè)備均在保護范圍內(nèi)，遙測站接地電阻小于10Ω。天線系統(tǒng)則采用天饋避雷器。防雷設(shè)備要求過流能力強，泄流時間短。
4 結(jié)語
麻栗壩水庫水情自動測報系統(tǒng)根的實際運行表明自報方式為該系統(tǒng)的較優(yōu)工作體制；供電方式合理；接地設(shè)備和避雷裝置設(shè)計可靠。系統(tǒng)的建設(shè)，提高了管理人員的工作水平，改善了工作環(huán)境，能使管理人員進行科學(xué)決策和合理調(diào)度，確保工程安全和水資源的充分利用，使工程達到安全、經(jīng)濟高效運行的目的。
參考文獻：
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