（水利工程专业论文）潘家口水库水情自动测报系统.pdf

河海大学工程硕士学位论文潘家口水库水情1 3 动测报系统 摘要 通过几代技术人员的努力，我国水文自动测报和系统建设经历了艰难的起步期。 在这一时期由于软、硬件技术瓶颈限制，系统功能单一，可靠程度低。随着卫星通信 技术和计算机技术的成熟使水文自动测报技术得到了长足进步。 本文从水文自动测报系统现状，遥测数据的采集、传输、处理、计算机技术以及 当代无线数据通信等方面论述了潘家口水情自动测报系统建设的可行性和必要性。文 中详细介绍了该自动测报系统的工程概况；建设目标及系统功能：站网布设；卫星通 讯方式；通讯组网设计；洪水预报方案及预报调度软件的研制等内容。 本文研究的潘家口、大黑汀水库的水情自动测报系统，具有测验设备的创新，通 信手段丰富的特点。可连续及时灵活采集雨水情信息，并结合水情预报软件为潘、大 水库的防汛调度服务，改善了测报条件，提高了测验效率。本系统的研究为推广和发 展水文自动测报技术的具体运用提供了一些经验。 关键词：水文自动测报、无线数据通信、遥测传感器、数据采集控制器、洪水预报 河海大学工程硕士学位论文潘家口水库水情自动测报系统 a b s t r a c t b a s e do nt h ee f f o r to fal o n gp e r i o d ，t h ea u t o m a t i cc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fh y d r o l o g i c a l i n f o r m a t i o na n df o r e c a s t i n gp a s tt h ed i f f i c u l ts t a r tp e r i o d n o to n l yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e sl e v e l i sl o w , s i n g l e n e s so f t h es y s t e mf u n c t i o n ，l o w e rc r e d i b i l i t yd e g r e e b u ti ti sg o ts u b s t a n t i a lp r o g r e s sw i t h t h em a t u r i t yo f s a t e l l i t ea n dc o m p u t e rt e c h n i q u e f r o mt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h ea u t o m a t i cc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fh y d r o l o g i c a lr e m o t e s e n s i n ga n df o r e c a s t i n gs y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n g ，c o m p m e rt e c h n i q u eu s e do nt h ea b o v es y s t e ma n ds o o n ，a n dt h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r o b a b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fp a n j i a k o ua u t o m a t i ch y d r o l o g i c a lr e m o t e s e n s i n ga n df o r e c a s t i n gs y s t e m i tg o e st h r o u g ht h es y s t e m sp r o j e c t ，t h et a r g e ta n df u n c t i o n ，t h es e t t i n g o fi t ss t a t i o nn e t ，s e c o n d a r yp l a n e tc o m m u n i c a t i o nm o d e ，d e s i g no fc o m m u n i c a t i o nn e t ，t h es t u d yf o r s c h e m eo f f l o o df o r e c a s t i n ga sw e l la sa t t e m p e r t h er e s u l to ft h i sp a p e rs t u d yi st h a tt h ea u t o m a t i ch y d r o l o g i c a lr e m o t es e n s i n ga n df o r e c a s t i n g s y s t e mo fp a n j i a k o ua n dd a h e i t i n gr e s e r v o i r s ，p o s s e st h en e we q u i p m e n ta n df u l lw a yo ft h e c o m m u n i c a t i o n ，c a nc o l l e c tt h ep r e c i p i t a t i o na n dw a t e ri n f o r m a t i o nn o to n l yb e t i m e sb u ta l s oi n c o n t i n u u ma n da g i l i t yw a y b e s i d e st h e s e ，t h ep a p e ra l s od e a l tw i t ht h et w or e s e r v o i r s f l o o df o r e c a s t i n g a n da t t e m p e r i n go nt h ep r o t e c t i o no f f l o o dw h i c hi m p r o v e dt h ec o n d i t i o no f c o l l e c t i n ga n df o r e c a s t i n ga s w e l la st h ee f f i c i e n c yo f t h e m t h er e s u l tp r o v i d e ss o m ee x p e d e n c ef o rt h i sp r o f e s s i o n a l k e yw o r d s t h ea u t o m a t i cc o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fh y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o na n df o r e c a s t i n g ，w i r e l e s sd a t a c o r r e s p o n d e n c e ，r e m o t es e n s o r , d a t ac o l l e c t i o nc o n t r o l l e r , f l o o df o r e c a s t 河海大学t 程硕：t 学位论文潘家口水库水情自动测报系统 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及习 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对2 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如歹 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 岁 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，百 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸厉 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年月日 河海犬学工摆硕士学位论文潘家l 1 水库水情自动测报系统 1 1 国内外研究现状 第一章绪论 我国水文自动测报和系统建设，始于上世纪7 0 年代中期，属于起步摸索阶 段。在那时期大体参照工业巡回监测的模式，采用步旬结构传输雨量水位数据， 般都为查询应答体制。对测站采用双音频选呼技术，数据传输多使用振幅 调制，分路滤波和积分判决，数据传输速率较低，一般不超过5 0 1 0 0 波特。鉴 于当时信号采用有线传输受限于电话线路的质量，不太可靠，尤其于雷电时节， 不能保证有效传输，甚至击毁设备，因此，故用无线通讯方式传输水文数据较早 受到重视。尽管当时可供使用的电台品种太少，性能亦不理想，但在实际使用中 却取得了一定效果，并为以后三十年中无线通信广为采用提供了有益的经验。此 外，由于当时遥测站交流电质量太差，且极易引雷，无法使用，加之当时电池容 量的限制，因而在我国水文自动遥测系统技术发展之初，即已十分重视低功耗设 计，应该讲这是我国重要经验之一。在传感器方面，适应自动测量雨量的翻斗式 雨量计较为成熟，而浮子式水位计和轴编码器尚处于研制阶段，技术性能尚有一 些不理想之处。限于当时国内元器件水平和遥测设备制造水平，早期所建系统通 畅率偏低，数据传输中误码率问题比较突出，设备的m t b f 又较短，因而这些系 统离实际使用要求有相当大的距离，但这一期间工作为以后技术渐次发展成熟提 供了宝贵的经验。 随着国民经济的发展和防洪及水利调度的需求，水利部水文局于曾在杭州召 开大型会议，动员组织各方面力量，对水情数据自动采集和数据传输，联机洪水 预报等重要课题进行研究开发。在遥测方面确定了以实现小流域水文自动测报为 目标的若干研究课题，倡导引进微机技术，设计开发c v i o s 低功耗技术为特点的 遥测站设备，研制水文无线数据传输的调制解调器，争取水文专用频点和电台， 在水位传感器方面研究提高轴编码器的精度和可靠性，在传输方面强调重视电路 设计和测试。在组织形式e ，有关大专院校科研单位和水利部门合作攻关，确定 浙江浦阳江和广东东西枝江等为国内建设小流域水文自动测报系统作试点。 在国内试点工作的同时，从意大利s i a p 公司引进的两套查询一应答式系 河海大学工程硕士学位论文潘家口水库水情自动测报系统 统分别安装在丹江水库和淮河淮滨两个示范区，而美国s m 公司的自报式系统安 装在黄河陆浑和长委陆水两个示范区。它们皆为无线通信方式，采用异步制帧结 构传输数据。特别是自报式体制以其设备简单、功耗低、可靠性高、数据的实时 性好等优良性能获得各方面欢迎，也为我国自主生产遥测设备提供了很好的经 验。在引进设备的同时，我国也着手参考国外经验，研制开发出国产化的自报式 遥测设各，并在编码格式上作了重要的改进。 试点工程和示范工程为以后的系统建设和设备研制提供了宝贵的经验，其基 本点是遥测设备以简要、实用、可靠作为重要设计原则，为适用野外使用，要求 低功耗，并要求优良的防雷接地性能，而自报式系统正好具备这些特点，而且其 数据的实时性十分优越。 在试点和示范工程进行的同时，水利部水凋中心组织各方面专家在充分调研 的基础上，经过三年的努力制定完成了水文自动测报系统规范，对国内水文 自动测报建设起了指导作用。 在总结试点工程及示范系统经验之后，根据防汛的急迫需要，水利部水调中 心在八五攻关项目中，组织了淮河正阳关以上干流水文自动测报系统的建设，黄 委洛河系统同步进行。这两大系统的建设旨在使我国水文自动测报系统技术步入 实用化阶段，在部水调中心组织和筹划下，淮委、黄委、北京大学电子系、南京 水利水文自动化研究所、黑龙江自动化研究所、北京水利局等单位投入大量技术 力量进行攻关，经过多年努力，研制出我国自具特色，比较完整的自报式系统系 列设备，并在1 9 9 1 年华东地区特大洪水预报中发挥了作用，系统所收集的实时 水情数据为防汛决策提供了参考。应该说淮河大系统的建成，标志我国水文自动 测报技术开始走向成熟，并形成了一支骨干技术队伍。 1 2 水文自动测报系统发展过程 淮河洛河系统建成之后，国内有关研制单位和有关厂商均致力于遥测设备性 能改进和提高可靠性，开始定型生产，加之从国外引进和在香港制造的收发信机 性能较之过去往所用有相当大的提高。小流域测报技术已趋成熟，在九十年代二 百多个大中型水库和某些城市、河道，先后建成水文自动测报系统并投入使用， 迄今为止，水利部国内自建系统各类站点达7 千个，大多数运行正常，在历年防 2 河海大学工程硕j 。学位论文潘家口7 k 库水蒋自动测报系统 洪斗争中发挥了很大的作用，社会经济效益显著。 上世纪九十年代国产设备技术性能有了重大改进，除功能得到完善外，最明 显的标志是其m t b f 已达到或超过一年时限，大部分系统畅通率达到9 5 以上， 有的近于9 8 4 ，满足了实用化的使用要求。 上世纪九十年代从国外引进设备建成了好几个大系统，它们都属查询应答 制式，其制造工艺明显优于国产设备，而运行情况则优劣相差甚远：有的运行相 当稳定可靠，有的很不理想，甚而最终被淘汰，其原因十分复杂难以用片言说清。 但总体来看近十年引进的系统，除设备制造工艺优良之外，功能比较完善；通用 性强；遥测设备既可用于终端站亦可用作中继站，易于扩展，组网灵活；中心站 软件功能也较丰富，视窗界面良好，较符合网络环境使用要求。然而，这些系统 的设备比较复杂，有的本身就是工业上普为适用的s c a d a 系统，技术性能十分完 善，这对当前的应用发展具有很好的参考借鉴作用。但价格昂贵，系统复杂，功 耗大则十分不利于推广，对菜些系统甚而已成为运行维护中的一大难点。 1 3 建设网络时代的水文测报系统的几个问题 上世纪九十年代也是我固各地洪涝灾害频发期，特别是1 9 9 8 年持续期长的 南北大洪水，严重威胁人民生命安全，并造成巨大经济损失。另一方面许多地区 又存在水资源严重短缺的问题，原建测报系统虽然己发挥相当大的效益，但由于 基本上各自自成系统，信息未能上传，更无相互交换，因而限制了这些工程的效 益。正在实施的全国防汛决策指挥系统，建成全国水情信息网络之后必将更有效 地发挥各种规模水情测报系统的作用。建设网络时代水文测报系统需要解决的几 个问题： 1 为保证采集的数据可靠传输，要求测报系统应设计主、备信道，因此r t l 必须具有二个或更多个串行信道口。在当前国内邮电通信网高速普及发展的条件 下，利用公用信道愈益便捷，遥测系统的建设应着重研究利用公网资源，以期缩 短建设周期和减少维护工作。同时r 应能和卫星通信终端相连，把卫星通信引 入遥测系统，以解决超短波信道不可克服的困难。由于各种信道媒体的使用，数 据传输速率可大为提高。 2 遥测终端站要配各固态存储器，其存储容量应大体能满足存储一年( 至 河海大学工程硕： 学位论义潘家i - 1 水库水情自动测搬系统 少一个汛期) 的水情数据，从而可使水文数据整编自动化，并统一报汛数据和整 编数据。 3 遥测终端及中继设备应具备完善的功能和通用性。增强传感器接口能力， 便于扩展，并应改进抗雷电干扰能力，设备m t b f 至少应提高到年以上，各类 站点设备设计仍应坚持低功耗原则。 4 终端站应能按系统设计要求，以规定时段或水情数据变化幅度按自报式 体质或查询应答式体制传输数据，并应利用软件设计智能化的假报功能。遥 测站设备应能接受上级中心的查询；为发送人工观测数据，设备应配备键盘、显 示器。这样既可人工报送数据，又可进行系统参数设置及查询数据和某些统计量。 5 遥测系统中心或分中心改变过去一般为单机系统的格局，按局域网规模 设计，系统遥测数据与外界的交换及预报调度应存在数据接口。 6 中心或分中心与上级联网，可以根据各地具体情况选择通信媒体，但应 保证与外界有较高数据通信速率，以便快速传送数据乃至传送相当质量的图像， 使中心或分中心成为水情信息网的真正节点，使下属遥测站点自动采集数据在此 打包上传枢纽。 7 提高传感器可靠性。发展品种多样的传感器，如浮子式、压力式、超声 波。 8 重视各类站点的防雷和抗于扰措施。除良好的避雷接地外，终端设备与 传感器接口处尽量设计浪涌电压吸收器，如采用瞬态抑制二极管( t v p ) 。中心站、 分中心站特别要注意可能有交流供电线路引雷问题，如可采用稳压隔离变压器等 手段，避免雷电干扰影响系统工作乃至损坏设备。 9 通信媒体利用问题。历史上超短波信道在水文预报系统中起着重要作用， 根据我国国情，仍可被广泛采用。值得注意的是近年来超短波电台的技术性能较 之十年前有相当大的提高，频率稳定度己不再成为影响使用的问题，灵敏度较之 以往大体提高了3 s d b ，其它指标亦相应得到改进，这对实际使用带来了不少 好处。目前影响使用的问题，关键是由于管理方面的原因，许多地方无线电背景 干扰大为增加，一些不合格的寻呼台和电视差转台成为公害，对此在呼请各地无 线电委员会予以干预外，在遥测系统中，电台频点和天线安装部位的选择要做更 细的工作，在背景干扰严重地区可以配装射频滤波器，以尽量抑制干扰，改进传 输质量。 河海大学t 程硕，【j 学位论文潘家口水库水青目动测报系统 选用卫星通信方式是克服用超短波遇到阻挡时必须建中继站的好方法，其中 i n m a r s a t 数据报告通信方式很适合使用于偏远测站，而v s a t 由于其通信速率高 而可为重要水文站和各级中心选用。至于k u 波段在暴雨时目j 于雨衰问题而影响 传输，可以在站点设备设置增加传送次数来弥补。 目前电话线路已非常普及，而且通信质量有保证，已完全可以满足遥测系统 使用要求，可以根据不同使用要求选择模拟线路传输数据，亦可以赢接选择使用 数字通道。后者可以有更高的通信速率，前者亦可方便地做到9 6 0 0 波特以上。 鉴于接通链路要花较多时问及收费方面的原因，采用电话线路传输批量数据较为 合适。 g s m 系统在国内覆盖范围日益扩大，手机价格下降到己可普及的程度，特别 是短消息业务服务内容相当丰富。采用这种公网信道传输可以免去自建专用信道 的投资和大量维护工作，可以预见到它将会被水文遥测系统广泛采用。 由于通信事业的发展，给水文测报系统的建设和联网带来许多有利条件和各 种选择的余地，必须促进我国水文测报技术的提高，迸一步和国际水平接轨。 由于目前建设水文测报系统是要在网络环境下进行，水文测报技术步入新的 阶段，系统功能和技术要求较之多年前有极大变化，系统大为复杂化了，因而统 一技术标准强调通用性成为极重要的问题。水利部防汛决策指挥系统项目办对于 遥测系统已制定设计指导书，规定了基本准则。在实际执行中，由于不同地域情 况不同，在技术细节上必将有所不同，在当前形势下加强各方面的技术合作和交 流尤为重要。修改水文自动测报系统规范，补充大量内容已成为十分迫切的 工作。 河海大学工程硕士学位论文潘家l j 水库水情自动测报系统 第二章水情无线数据通信的关键技术 水情无线数据通信遇到各种技术问题，首先是决定无线电信道质量的参数有 哪些，那个参数起主导作用，因为这牵扯到通信测量的设备和规模。随着无线通 信网的发展，随之而来的通信网内干扰、抗干扰、互调波、频率分配、防雷及无 人值守站的能源等技术成为突出的问题，这些技术是直接影响到通信系统及其水 情遥测的发展，本章就这些内容进行论述。 2 1水情无线电路质量参数的选择 本节阐述了水情数据通信网设计中影响无线电路质量的几个重要参数的求 取，用大量的经验公式推出了它们之间的关系，进而为今后的无线通信网设计提 供了依据。 2 1 1 问题的提出 无线电路质量是无线通信组网设计中十分重要的问题，它关系到通信网的稳 定可靠、造价施工进度和网络维护等，引起了较为广泛的注意。近来对衡量水情 无线电路质量的几个重要参数进行了许多研究，探讨了甚高频( v h f ) 无线电波 传播机理、合理的分析方法、模拟实验技术、无线电路质量参数的选择和安全判 断准则等。由于无线电波传输受载波频率、通信距离、天线高度、地形、地物、 天气状况、季节变换及太阳黑子活动和工业干扰等因素的影响，使无线电路的质 量计算较为复杂，所使用的参数较多，计算的方法也不同，但是究竟哪个参数或 哪几个参数是判断电路质量优劣的关键，能否仅用一种参数的量值来确定电路质 量，进而推出其它重要参数的量值呢? 2 1 2 无线电路参数分析 衡量水情电路质量的参数有多个，但是最主要的参数是调频接收机输出端的 信噪比( s n ) ，输入端的信号强度( 电压值v 或电场强度e ) ，信道误码率p 。及 信道系统余值g 。 6 河海大学_ t 程砸士学位论文潘家口水库水情自动测报系统 1 接收机输出信噪比s 小与输入信号功率p ，之问的关系 接收机的输出端的信噪比s 巾是判断无线电路质量的标准，它的量值由射频 信噪比s 。n 。推出，其值为： s n = ( s 。一n o ) + g + g ( 2 一1 ) ( 2 一1 ) 式中的射频信噪比是由接收机的输入端的接收信号功率与噪声功率 的比来求出，即： s 。f n 9 = p ? p 。 t 2 - - 2 ) ( 2 2 ) 式中p ，为接收机的接收信号功率 只。接收机的噪声功率 p 。= p m + p 。j = 1 0 1 9 b + f 一1 4 4 + n 1 2 - - 3 1 ( 2 3 ) 式中 p 一接收机的内部噪声功率 p 一接收机的外部噪声功率 b 一接收机的调频带宽 b = 2 ( + 厶) ( 2 - - 4 ) 岛一峰值频率偏移，取5 k h z 厶，一最高话音调制频率，取3 k h z 将数值代入( 2 4 ) 式；则：b 一1 6 k h z ，一噪声系数，取8 d b 一外部噪声值，取3 d b ( 一般地区取3 d b ) 将以上各值代入( 2 3 ) 式，则甚高频( v h f ) 段的接收机噪声功率为：p 。， = 一1 2 l d b m 。 在( 2 一1 ) 式中的瓯是收发信机的预加重和去加重电路对输出信噪比的改 善值，取3 d b 。g 竹是调制增益，其值为： g 一4 = l o i g 学刮。s ( 2 - - 5 ) 将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式代入( 2 一1 ) 式得： 河海大学 = = 程硕学位论文 潘家口水库水情自动测报系统 熹= 只一( ，。g 曰+ f - 1 4 4 + n ) + 3 + 1 0 1 9 三生! ；凳蔓= 只+ ，s ，s c z e ， 民用甚高频( v h f ) 无线电台采用角度调制，而解调器采用非相干方式的f s k ( 移频键控) 解调，调制指数介于窄带和宽带之问时( 国产机及目前市场上流通 的进口对讲机均属于此情况) ，而且外部环境为一般工业区时，则接收机输出端 信噪比等于接收机的接收信号功率加上1 3 7 5 d b 。对于不同的地区其外部噪声功 率不同，因此接收机的输出端信噪比与接收功率和外部功率之间的关系为： sn=1405+p，一n(2-7) 对于一个收发信系统，由甲站发射只功率的无线电能量，经过路径损耗三和 外部噪声功率的影响及因天气变化引起的信号衰落k ，则到达乙站接收信号 功率p r 为： p ? = p t l l m ( 2 8 ) 将( 2 8 ) 式代入( 2 7 ) 式便得到接收机输出端的信噪比： s n = 1 0 4 5 + p ? 一l l 一n 2 接收机输出信噪比s n 与入口场强值e 和电压值矿的关系 接收机7 c j 电压值( v ) 或电场强度值是判断无线电路质量标准的又一个参 数，对于阻抗为5 0 q 的天线和收发信机其接收功率与接收场强e 之间的关系为： p(dbm)=一113+e(2-9) 将( 2 - - 9 ) 式代入( 2 2 ) 式得： sr ) n 9 = 一1 1 3 + e p 。 ( 2 一恂) 将( 2 一i 0 ) 式代入( 2 1 ) 式得出接收机输出端的信噪比与输入端接收电 场强度值之间的关系为： s o n o = 一1 1 3 十e 一( - 1 2 4 + n 1 + g n + g m = 2 7 5 + e n ( d b ) t 2 1 1 ) 对于v h f 频率接收机输入端电场强度值与入口电压v 值之间的关系为： e ：v + 7 2(db)(2-12) 将( 2 1 2 ) 式代入( 2 - - 1 1 ) 式便得出接收机输出信噪比与输入端接收信号 河海大学 = 程硕+ 学位论文潘家口水库水情自动测报系统 电压v 值之间的关系为： s n = 2 7 5 + v + 7 2 一v = 3 4 7 + v n ( r i b ) 在无线电路设计中，接收机入口电压值是以“肼”表示的，则接收机输出信 噪比与接收端接收信号电压( 州) 值之间的关系为 s f n = p ? p 。 一gv + g = 一1 0 7 + 2 0 1 9 ( ) + 】2 4 一n + 3 + 1 3 5 = 3 3 5 + 2 0 1 9 ( 吃，) 一n ( d b ) v 、e 、驯n 三者对应关系见表2 一l 所示。 表2 1 接收机入口电压值v 与场强e ，鉴频器 输出信噪比酬n 及误码率，之间的对应关系 蠢7 电压 场强信噪l l *误码率 v es n ( d b ) l18 22 27 0 5 9 1 0 5 229 22 3 70 3 6 1 0 1 331 022 4 702 2 0 1 441 122 570 13 1 0 1 501 2 2 2 6707 0 1 0 1 661 322 7 704 8 1 0 1 771 422 8 703 0 1 0 6 881 5 22 970 1 8 1 0 7 6 9 9 1 6 23 07 01 0 1 0 6 1 01 01 7 23 17 0 6 5 1 0 7 l l1 11 8 23 2 70 3 9 1 0 “ 1 21 21 9 23 3 702 4 1 0 1 1 31 32 0 23 4 701 4 1 0 1 41 42 123 5 70 8 0 x 1 0 “ 1 51 52 223 6 705 0 1 0 8 1 61 62 323 7 70 3 0 1 0 8 1 71 72 4 23 87 01 5 1 0 8 1 81 82 5 23 9 7 0l o 1 0 8 1 91 92 624 0 707 0 1 0 “ 2 02 02 7 24 170 4 4 1 0 9 2 l3 03 7 25 1 70 3 0 1 0 “9 2 24 04 7 26 l70 2 0 1 0 j 一” 2 35 05 7 27 1713 0 1 0 6 2 46 06 728 1 709 0 1 0 8 注：$ 外部噪声功率取1 3 d b 9 河海大学工程硕士学位论文 潘家口水库水情自动测报系统 j 接收机输出信噪比s n 与信道误码率之间的关系 数字通信系统内的传输可靠性可用误码率来衡量，他代表接收的数字信号出 现错误程度，误码率只越低则数字信号传输的可靠性越高，通信质量越好。例 如在有线信道内要求误码率 1 0 一；在无线短波信道内由于存在着衰落和多径 效应等特点，通常要求误码率e 1 0 q 可再打入地下钢管，直到接地电阻达 到要求为止。 塑坠塑墅拦垡生一一堕塞型坚查堕! 型燮墨堕 接地系统初看起来似乎很简单，往往不引起人们的注意，事实上如果处理不 好，将给电子系统带来后患。经验证明，一些易受干扰和不能长期稳定运行的设 备，往往是接地不合理造成的。系统中断损坏也是接地不良造成雷击所致。 2 4 水情遥测系统中的太阳能电源设计 2 4 1 太阳能电源的设计 目前，推行的能源是太阳能发电板对蓄电池浮充的方式，其根本问题是可靠 性设计。设计一种经济、1 日靠的太阳能电源系统是一项复杂的二i 作，有众多相打： 关联的因素影响着太阳能电源的运行，而气候的变化又增加了一层复杂性。例如， 太阳能电池的输出功率不仅i 致决于给定时刻阳光的强度，而且还与环境温度、入 射角、地理位置、海拔高度、地面反射、天气状况等因素有关。 2 4 1 】设计宗旨 ( 1 ) 太阳能电源系统要既经济又可靠。 ( 2 ) 水情遥测系统连续工作个汛期( 不低于6 个月) 且连续阴雨天一个半 月的条件下，不因电源问题而中断工作。 2 4 1 i2 硅太阳能发电板容量 硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能发电功率呢的设计。太阳能发电功 率量值取决于负载2 4 小时所消耗的电力( 腑) 。由负载额定电源与负载2 4 小 时所消耗的电力，决定了负载2 4 小时消耗的容量p ( 爿疗) ，再考虑到平均每天同 照时数及阴雨天造成的影响，则可计算出太阳电池阵列工作电流l ( 爿) 。 由负载额定电源来选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串 联个数及蓄电池浮充电压( 矿) ，再考虑到太阳能电池园温度升高而引起的的温 升电压_ ( 矿) 及反充二极管p - - n 结的压降( 矿) 所造成的影响，则可计算出太阳 能电池阵列工作r 包乒( 旷) a 由太阳电池阵列工作电流，( 爿) 与工作f 包压吃( 功， 1 7 河海大学工程硕士| 学位论文潘家口水库水情自动测报系统 便可决定平板式太阳能发电功率既( ) ，从而设计出太阳能发电板容量。由设 计出的容量降0 与太阳电池阵列工作电压。确定硅电池平板的串联块数和并联 组数。至此，太阳能发电板设计完毕。 太阳能电池阵列板，容量计算流程示于图l 。 太阳能电池阵列的设计步骤为： ( 1 ) 计算负载2 4 小时消耗容量p 。 ，) ：旦( 2 3 2 ) p2 可 屺一 ( 2 ) 选定每天曰照时数丁。 年日照时数 1 8 2 5 2 1 9 02 5 5 5 每天日照时数 567 ( 3 ) 计算太阳能阵列工作电流 ，= 譬( 1 + q ) ( 4 ) 确定蓄电池浮充电压k 。 ( 2 3 3 ) 种类镉镍( g n )铅酸( c s ) 单体浮充电压1 4 1 6 ( v ) 2 2 ( v ) ( j ) 太阳电池温度补偿电压。 _ 。丽2 1 ( r 一2 5 ) ( 2 3 4 ) ( 6 ) 计算太阳能电池阵列工作电压吃。 吃= _ + + ( 2 3 5 ) 式中= 0 5 o 7 ( v ) ( 7 ) 太阳能电池阵列输出功率阡0 = * ( 2 3 6 ) ( 8 ) 根据圪、睨在硅电池平板组合件系列表格、确定标准规格的串联块数 和并联组数。 河海大学工程硕士学位论文潘家口水库水情臼垫型塑系笙 负载2 4 小时消耗容量 p ( a h ) 甲均每天日 照时数t 时 ( h ) 负载2 4 小时消耗 电力 按阴雨朔 富余系数 q = 0 2 j 太阳能电池阵列工 太阳能电池 温升电压v t ( v ) 惯载额定电塬 v ( v ) 选取蓄电池 公称电压 v ( v ) 确定蓄电池 浮充电压 v r ( v ) 确定蓄电池 串联个数 二极管压降 v o f v l 太阳能电池阵列工作t 乜压圪( 矿) 平板式太阳能发电功率。( f 矿) 图l 太阳能电池阵列板容量计算流程图 2 4 1 3 蓄电池容量计算 蓄电池容量由下列因素决定。 ( 1 ) 蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池 所剩容量占正常额定容量的2 0 。 ( 2 ) 蓄电池每天可放电量。对于日负载稳定，且要求不高的场合，日放电周 期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的8 0 。 ( 3 ) 蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电造成失水。一般选蓄电池 容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的2 5 倍，则蓄电池在过充 电时就不会造成失水。 ( 4 ) 蓄电池自身漏掉的电能。随着电池使用时间的增长及电池温度的升高自 放电率会增加。对于新电池在2 5 。| c 时，其月自放电率通常小于总容量的5 。但 9 河海大学 一程颁士学位论文 潘家u 水库水情自动测报系统 对旧的，质量不十分好的电池自放电率可增至每月1 0 1 5 。 2 ，4 2 太阳能电池安装使用中注意的问题 1 太阳能电池阵列板安装的最佳倾角，应是光线垂直照射阵列板表面的倾 角。可按下列方式调整： ( 1 ) 按全年平均接收角安装时，倾角则为当地纬度数再加5 。 ( 2 ) 春分以后接收角是当地纬度值减1 4 。5 6 。 ( 3 ) 秋分以后接收角是当地纬度值加1 4 。5 67 。 ( 4 ) 使阵列板能利用雨、风的自然清洗，在安装时，倾角最好小于1 5 。 2 阵列板安装时要选择周围无高大建筑物，树木、电线杆等遮挡太阳光的 目照时间长和避风处的位置，阵列板的支架能经受大风、大雪的考验。 3 不要把阳光高聚焦到太阳能阵列板上。 4 与太阳能电池阵列板配套的蓄电池，在第一次使用时，要选充电到额定 容量，不可过充和过放。 5 保持蓄电池的电解液比重和电解液高度，及时补充软水。 6 蓄电池室要通风良好且不应存在火源。 第三章潘家口、大黑汀两水库水情遥测系统 随着自动测报技术的发展和完善，系统进入网络化时代。各水文自动测报系 统正在逐步与上级防汛、水利主管部门实现联网，中心站设备配置、数据处理及 调度决策等软件功能得到加强。电信建没高速发展，各种通信技术在水文自动测 报技术中得到应用，克服了过去许多难以解决的困难，这是近几年水文自动测报 系统建设快速发展并有重大技术进步的重要原因。本章结合潘家口水库自动测报 系统的结构、功能、通信方式等对此进行详细论述。 河海大学工程硕士学位论文潘家口水库水情自动援8 报系统 3 1 工程简介 3 1 。l 流域概况 滦河发源于河北省丰宁县巴彦图古尔山麓，流经河北省沽源县、内蒙古正蓝 旗、多伦县和河北省承德、唐山两市，于乐亭县汇入渤海，全长8 8 8 k m 。流域西 邻潮白河、蓟运河流域，北起内蒙古高原，东靠辽河流域，南临渤海，较大的支 流有小滦河、兴州河、伊逊河、武烈河、老牛河、瀑河、柳河、洒河、青龙河等。 流域面积4 4 6 0 0 k m 2 滦河流域地势由西北向东南倾斜。多伦县以e 为内蒙古草原，海拔一般在 1 3 0 0 1 4 0 0 m ，地势较平坦，植被良好，水土流失较轻。承德市境内为石质山区， 海拔3 0 0 1 2 0 0 m ，沿河多山间盆地，河道蜿蜒迂回。这一区域伊逊河、武烈河、 老牛河植被较差、水土流失严重。罗家r 巨以下进入丘陵区，河谷逐渐开阔。滦县、 京山铁路以下进入冀东滨海平原，地势平坦。 3 1 2 工程概况 潘家口水库位于河北省迁西县滦河干流上，控制流域面积3 3 7 0 0 k 一。水库 按1 0 0 0 年一遇洪水设计，5 0 0 0 年+ 遇洪水校核，可能最大洪水作为保坝标准。 主坝为混凝土熏力坝，坝顶高程2 3 0 5 0 m ，保坝洪水位2 3 0 3 1 m ，发电死水位 1 8 0 0 m ，总库容2 6 3 亿m 。 大黑汀水库位于潘家口水库下游约3 0 k m 的滦河干流上，潘家口至大黑汀水 库区间面积1 6 0 0 k m 2 。水库按1 0 0 年一遇洪水设计，1 0 0 0 年遇洪水校核。水库 主坝为混凝土晕力坝，坝顶高程1 3 8 8 0 m ，设计洪水位13 3 o o m 。校核洪水位 1 3 3 7 0 m ，死水位i2 1 5 0 m ，水库总库容3 3 7 亿 【5 。 潘家口、大黑汀水库的主要任务是供水，兼顾防洪，并结合供水发电。两水 库实行联合调度，由潘家口水库管理局统一调度。 3 1 3 暴雨洪水特性 滦河流域地处东亚季风气候区，冬季寒冷而干燥，夏季炎热而多雨。6 9 河海大学工程硕卜学位论文潘家 _ i 水库水情自动测报系统 月份，热带海洋气团与极地大陆气团交绥，为流域雨季。7 月中旬太平洋副高加 强北上，流域易出现暴雨，8 月下旬太平洋副高南撤，暴雨基本结束。造成流域 大暴雨的天气系统主要有：西来槽、切变线、台风倒槽等，如1 9 6 2 年7 月暴雨 就是由西来槽和台风倒槽形成的。 流域降雨时空分布不均。大黑汀水库以上流域多年平均降水量为6 0 0 m j ，汛 期6 9 月平均降水量为4 9 0 m m ，约占全年8 0 。受地形影响，流域降水量白海 岸向北至长城逐渐递增，长城以北又逐渐递减，上游内蒙古高原地区降水量最小。 流域暴雨中心位于燕山南麓的洒河、柳河、瀑河和青龙河一带，大黑汀水库处于 暴雨中心区，潘家口水库处于暴雨中心区的边缘；在支流武烈河、老牛河与辽河 流域的分水岭区域，还有一个暴雨中心区，只是在滦河流域的暴雨笼罩范围较小。 据资料分析，大于2 0 0 m m 的三天点暴雨量多出现在洒河与柳河的半壁山、石庙子、 兴隆一带。近七十年来实测最大的1 9 6 2 年暴雨中心即在洒河石庙子，三天点暴 雨量为5 0 4 m m 。 滦河洪水具有峰高量大、涨落迅速和单峰型较多特点。据大黑汀水库1 9 2 9 年1 9 9 7 年实测资料统计，一般一次洪水历时3 4 天，一1 次洪水总量约占全年 流量的2 0 4 0 1 9 6 2 年7 月洪水，洪峰流量达2 2 2 0 0 一s ，最大六日洪量2 2 4 l 亿群。滦河洪水年际变化大，1 9 6 2 年洪峰流量是1 9 9 1 年的2 0 0 倍，最大六日洪 量约为4 0 倍。 3 1 4 水情测报系统现状筒述 大黑汀水库以上流域现有水情自动测报系统始建于1 9 9 4 年，采用自报式工 作体制和14 0 m h z 超短波及卫星混合通信方式。 现有系统共计2 7 个站点中心站1 个，分中心站( 兼中继站) 1 个，中 继站2 个，遥测站2 3 个( 其中遥测雨量站1 4 个、雨量水位站6 个、水位站3 个) ，参见表3 l 。覆盖大黑汀水库以上流域面积达9 8 0 0 k m 2 。 遥测雨量站覆盖了滦河三道河予以下、伊逊河韩家营以下区域。在洪水预报 方面，系统是起辅助作用的，所采集的实时雨水情信息还未直接用于水库的洪水 预报。 大黑汀水库以上流域水情自动测报系统在纪念运行中及时收集、传递水情信 息，为洪水调度决策提供了系统的基础资料，发挥了重要作用。 河海人学工程硕士学位论文潘家口水库水情自动测报系统 表3 1大黑汀水库以上流域水情自动测报系统遥测站基本情况 序 站名 所在河流 地址 经纬度 高程 吁 ( m ) 站型通信方式 】1 7 。5 6 l 承德武烈河承德市气象局 3 7 4 雨量超短波g s m 4 0 。5 8 1 1 7 。5 2 2 韩麻营武烈河隆化县韩麻营乡5 5 0雨量超短波 4 1 。1 6 1 1 8 。0 4 头钩武烈河 承德县头钩 4 4 5雨量超短波 4 l 。0 9 1 1 8 。0 0 4荒地武烈河 隆化县武烈河上游水文站 6 7 0雨量超短波 4 1 。2 6 1 1 8 。0 5 7 5 七家武烈河隆化县七家乡 6 2 0 雨量超短波 4 1 o 2 6 7 1 1 8 。】4 6 三家武烈河承德县三家乡 5 6 0 雨量超短波 4 r 】5 1 1 8 。4 2 7平泉 洪河平泉县气象局 4 9 l 雨量超短波 4 1 。1 5 1 1 8 。1 5 8三沟 老牛河 承德县三沟镇4 1 0雨量超短波 4 0 。0 2 8 。3 6 9党坝洪河、| 泉县党坝镇 4 1 0 雨量超短波 4 0 。4 6 1 1 8 。1 9 1 0 太甲老牛河承德县太甲乡 5 2 0 雨量超短波 4 l 。0 6 7 1 1 8 。1 4 7 1 1 石灰窑老牛河承德县4 l 灰窑乡河东村 3 5 0 雨量超短波 4 0 。5 2 1 1 7 。4 4 1 2 韩家营伊逊河潍、r 县韩营水文站 3 7 0 雨量水位 卫星 4 1 。o l 7 n 7 。4 2 1 3 三道河滦河滦平县曼道河了水文站 3 7 0 雨量水位卫星 4 0 。5 8 1 1 8 。2 8 1 4上谷 老牛河承德县上：谷 4 4 0 雨量超短波 4 0 。4 8 7 1 1 7 。4 3 1 5铵匠白河 承德县安匠乡 4 7 2 雨量卫星 4 0 。4 6 1 1 8 。】o 7 1 6f 板城老牛河承德县下板城气象观测站 2 8 l 雨量超短波 4 0 。4 7 1 1 8 。0 8 l 7乌龙矶滦河承德县乌龙矶水文站 3 0 5 雨量水位超短波 4 0 。4 2 7 1 1 8 。0 6 1 8石佛