第一章概述.doc

东北电网水情自动测报系统总体构想韩大伟国家电力公司东北公司摘 要水情信息是水调工作中数量大，实时性强，有严密报送制度的基础信息，是水文预报、水库调度、防洪决策的主要依据。近几年随着遥测技术、计算机技术及网络技术的发展，电力部门所属的水电站正在建设、筹建水情自动测报系统。东北电网自1984年开始，先后建成了二松（丰白）水情自动测报系统，桓仁电厂自动测报系统，在建的松江河梯级电站，莲花电站也建设了水情自动测报系统，松江河系统已部分投入使用。本文主要介绍了东北电网水情自动测报系统现状，遥测雨量站的合理性论证，雨量水位自动采集装置和传输，重要水情数据的处理过程等。一、概述东北电网现有13座水电站，包括辽宁省的桓仁、回龙山、太平哨、水丰、长甸、太平湾、大伙房；吉林省的白山、红石、丰满、云峰、渭原以及黑龙江省的镜泊湖电站。总装机容量为3966.5MW，设计年发电量为99.77亿度。尽管目前水电装机容量仅占整个东北电网的15.6左右，发电量仅占整个电网的8.4左右，但所创造的经济效益超过整个东北电网的一半，同时水电站还担负着调峰、调频、以及防洪、灌溉、航运、工业和城镇居民用水等多种特殊功能和任务，在东北电网以及当地的国民经济和社会发展中起着举足轻重的作用。二、东北电网各梯级电站水情信息采集现状1现状东北电网自1984年开始，先后建成了二松（丰白）水情自动测报系统，桓仁电厂自动测报系统，在建的松江河梯级电站，莲花电站也建设了水情自动测报系统，松江河系统已部分投入使用。几个系统建成后的运行情况：:二松流域自86年引进美国SM公司水情自动测报系统，是祖国大陆最早建设的水情自动测报系统之一，90年与黄委会测报中心合作，对流域遥测站网进行了改造，整体性有所提高，应用效果较好，但黄委会遥测站的可靠性和稳定性方面较差，也影响一定遥测站数据的采集质量，93年与哈尔滨船舶工学院合作，对丰满自动测报数据接收处理系统进行了改造，并形成防洪调度决策系统信息网络，从95年至今的运行来看，效果良好。桓仁电厂水情自动测报系统，95年以来运行情况也比较好，个别站的降雨量不准（东材测站），主要是由于设备出故障。松江河梯级水电站，是松花江上游松江河上的骨干电站群，由小山、双沟和石龙三个水电站和松江两个引水工程组成。本流域具有洪水汇集快，洪峰滞时短的特点，从电站防洪需要考虑，需要速建水情自动测报系统。东北勘测设计院于1988年完成松江河梯级水电站工程水情自动测报系统规划报告，1989年10月由电力部规划总院审定通过，1993年3完成总体设计报告，1994年实施了小山电站以上流域的水情自动测报系统的建设，1995年汛期投入使用，至今收到较好的效果。莲花电站位于松江河右侧支流牡丹江下游，其上游有镜泊湖水电站。莲花电站是牡丹江下游梯级开发的第一级工程，也是下游梯级的控制性工程，该系统1993年完成总体设计，1994年开始建设，1996年建成，并投入使用，1999年10月通过工程验收 。鸭绿江中方管理的两个电站，云峰和太平湾， 1995年11月提出两站水情自动测报系统可行性研究报告，现正在实施中。2东北电网水情自动测报系统的目标 充实和更新各电厂主要水文测报站点的测验仪器设备，提高现有的自动化水平。遥测水位计应能够测量位于大江，大河的关键站或支流汇合断面处水文站历史最高洪水位或突发性洪水（如上游塘坝溃泄）的水文数据。 要求测站尽可能做到在各种天气、环境条件下，及时、可靠的以数据通讯方式向中心站传送水情信息。3系统建设的任务和采取的措施遥测站网的合理性论证站网布设的原则是使空间分布具有代表性，与使用的水文预报模型相匹配，与原有水文站网资料相衔接。对于已建成的水文测报系统，需要通过合理性论证，调整或增补遥测站；对拟建的水文自动测报系统，通过分析论证，确保站网布设合理，调整精度要求。自动测报系统网络设计原则自动测报系统网络设计应遵循的两条原则：一是站网论证，要求测站分布均匀，能够控制暴雨中心，数据连续测量，设备可靠运行。二是选择站点尽可能少，以能反映流域降雨实况为原则，采用超短波通讯的站网站点不应超过50个。这方面美国国家天气都提出了具体的计算公式，可参考有关文章。水文站的设计对于水文站的设计比较简单：一是如果所选用的预报方法是基于上下流量相关，或是通过历史数据率定的降雨径流模型，水文站就要从现有的水文站中选择；二如选择新水文站，要根据预报点的需要选定，要便于修正和评估预报结果。在规划设计中，具体要遵循水利电力部1985年标准“水文自动测报系统规范”SD15985的各章具体要求。设备选用在设备选用方面，必须注意以下几个问题：一是要功耗低，二是防雷击，三是设备可靠性高避免系统遭雷击，四是选用先进的传输通信设备，避免外界干扰，包括雷电干扰、无线电干扰和工业干扰等等。三、 遥测雨量站的合理性论证1二松水情自动测报系统站网论证在建设二松水情自动测报系统期间，已经对站网布设进行了合理性论证。 白山以上流域在白山设中心站，同时设雨量及坝上下水位站，白山流域设10个测站，其中雨量站两个，即松树镇和北岗，水文站8个（即雨量站和水位站），它们在靖宇、高力城子、漫江、松江、松江河、汉阳屯、大甸子、大浦才。此外布设了四个中继站，即老秃顶、牛头山和多沟岭顶二级中继、以及为向丰满往白山转发的夹皮沟中继站。丰满至白山区间原设计有5个雨量站，即夹皮沟、柳河、样子哨、东丰、常山。5个水文站（雨量及水位）是辉发城、五道沟、桦树林子、横道子及蛟河。同时红石、丰满设立雨量及坝上下水位站，丰满又为本系统中心站，丰白区间除夹皮沟外上有三个中继站，由大锅盔和肇大鸡形成二级中继站，康大砬子一级中继站。 原有丰白站点位置是按单一水文要求的设制的，大部处于人口多、河川畔、地势低的位置，对无线电传输极其不利。这些站点已积累了长期资料，因此在充分利用的情况下，提出了上述设计站网。黄委会又对区间局部站点进行了调整，它们是：在丰满系统增加24个遥测站，3个中继站，在白山流域增加12个遥测站。使系统平均站网达到每800平方公里一个站点。总的说，丰白流域站网较少，流域平均每2000平方公里一个站点。虽然在白山上游已建设松江河水情自动测报系统，但据分析，尚需建立30个左右站点。2浑江流域水情自动测报系统站网论证在建设桓仁水情自动测报系统的时候，已经对桓仁以上流域和桓仁回龙区间流域的雨量站网布设进行了论证。95年已开展对太平哨至回龙山区间流域进行雨量站布设论证。合起来形成一个完整的浑江流域水情测报系统的站网布设方案。遥测雨量站的布设通过流域分块面雨量对比计算，进行精度分析，按水库运行要求，选用出现较大洪水的1970、1971、1975、1977、1986等五年资料，选用其中13场较大降雨资料，进行原有站的多站平均和拟选站平均，通过雨量计算和误差分析，发现两者方法雨量计算误差大部分在5，这表明站网能满足集中式模型计算的要求，但是在支流富尔江入库站业主沟以上流域情况不太好，误差高达1520，需要调整雨量站的位置。绘制暴雨等值线评估拟选站网的布设应用13场暴雨资料，进行了原有站及拟选站等值线图的比较，对大多数场次降雨，两者勾绘的等值线走向基本相同，但对个别降雨场次（如1986年8月28日，1971年8月2日），在红土崖河，哈尼河，富尔江等地区由于地形影响，两者等值线有较大的差异。结合分散式预报模型参数率定成果分析按分散式模型应用成果对站网布设进行分析，这是一种最直观、最有效的方法，是站网论证的主要手段。本系统做了遥测水位站布设论证。根据本地区雨洪特性的分析，流域的主要产洪区发生在八道江至通化区间及库区附近，对此系统应及时提供它们的实时水情信息和来水过程，以利于工程安全运行，再者，近代联机实时预报系统，也要求这些主要来水河道采集水位信息，以此对预报模型计算的误差给予实时的反馈修正，使预报信息更有把握和切合实际，为此把东村、业主沟、通化及坝上坝下列为系统遥测水位重点站。对桓仁回龙山区间也做了站网布设论证，此区间面积为2100平方公里，有两条较大支流流入回龙库区，库区原有7个雨量站，3个水文站。其中报汛雨量站为3个，2个水文站和1个水库站，这些站点分布均匀，高度适中，区域面积又较小，可以说满足预报要求。3 鸭绿江云丰电站水情自动测报系统站网布设论证鸭绿江云丰水库以上流域鸭绿江云丰水库以上流域现有水文测站较多中国一侧，干流有长白、十四道沟、十三道沟、临江、云丰水库水文站和八道沟水文站，支流上有三道沟门水文站和二道沟、东小山、柳树沟、闹枝沟三道沟雨量站，以上共十二个站。一侧据朝方交换的水文年鉴资料统计，上游共有十五个站。站网布设的合理性论证鉴于本系统将布设在中朝两国国土上的特殊情况，除与朝方协商共同建设系统的可能性外，也需要研究中方一侧建设的可能性。首先应在我国一侧鸭绿江干流建设足够的水文站，控制朝鲜的虚川江，长津江两大支流水情，以便能比较准确的作出云峰水库的水文预报。对在中国一侧鸭绿江干流长白、十四道沟、十三道沟，临江建立水文站，遥测水位、流量、雨量，在八道沟上建立水位遥测站，在云峰坝上、坝下建立水位站，在二道沟、东小山、柳河、三兴村、闹枝沟、三道沟设雨量站。应该指出，云峰水库朝方的汛期一直不能及时传递水情，但云峰电厂还是作出了比较精确的预报，因此可以认为在中方先建立部分系统是可行的，关键是对北方洪水的预见期的作用有多大？是论证工作的主要方面。4鸭绿江太平湾电站的水情自动测报系统太平湾电站虽然也是界河电站，但其洪水特性与云峰不同，主要洪水来自上游水丰水库，水丰到太平湾区间流域面积小，因此水丰水库的出流代表了太平湾电站的入流。控制了水丰也就控制了太平湾。在水丰上游云峰水库上游拟建水情自动测报系统，在水丰上游中方最大支流浑江上已建成桓仁水情自动测报系统，根据以上情况，论证太平湾水情自动测报系统站网布设范围为鸭绿江干流渭源电站和浑江河尖子水文站以下至太平湾电站区间流域。拟建河尖子水文站，在渭源、水丰、太平湾坝上、坝下建出入库遥测水文站，在中方侧的大路、碾子沟、大芹菜沟设雨量遥测站。以上共10个站基本可掌握太平湾水情。可先在水丰，太平湾坝上、坝下建观测站。即一对四小站网，观测水位和雨量。5对云峰和太平湾测报系统的站网建设方面需要做的工作 分析雨量站充分分布的合理性，对照流域干流，支流及雨洪特点分析站点布设的合理性。 用历史资料，选取典型暴雨资料，计算拟建站点的加权面雨量与原有站面雨量进行误差分析。 利用洪水预报模型，对拟建网方案进行产汇流计算，分析与实际洪水的误差。 对两个系统还要分析洪水预见期与现有预报方法的区别。6牡丹江水情自动测报系统莲花电站以上流域面积30200平方公里，其上游288公里处已建有镜泊湖大型水电站，控制面积为10800平方公里。其间天然河道的洪水传播时间约40小时，莲花水库建成后传播时间为30小时，从上述的洪水地区组成分析可知，莲花坝址的洪峰90来自镜泊湖以下地区，因此，在镜莲区间布设水情自动测报系统可以满足莲花水情测报的要求。本系统采用了三水源新安江模型及降雨径流相关的预报方案，据此做了站网论证分析，原有莲花电站自动测报系统覆盖的镜铂湖莲花区间内水文测站绝大多数是解放后建立的，现有水文测站分布合理，观测资料年限较长，控制了系统所在区间主要支流以及平原上游来水过程，经优化组合分析，确定测报站网由22个遥测站组成，经过站点分布合理性，站网面雨量代表性以及模型验证，均能满足水情报颁报规范要求。7松江河梯级水情自动测报系统松江河梯级水情自动测报系统，在规划设计中进行了比较详细的站网论证，一是采用了暴雨等值线的绘制评价站网，二是结合新安江预报模型参数率定成果进行了分析，最后选定系统共21 个遥测站，其中遥测水位站3个，遥测水库水位雨量站3个，遥测水位雨量站1个，遥测雨量站14个，从上述数值所示，站网密度较大，这也是该梯级电站由三个梯级电站和两个引水工程组成的特点决定的。四、雨量水位自动采集装置和传输1采集装置应适应的条件（1）采集装置应适应以下测量条件： 考虑极值温度、最高温度和最低温度，东北地区温差变化大， 装置要能适应-400C +500C 温度范围内的工作环境。 空气湿度的影响，相对湿度在1095范围内，大气压为8601060毫巴。 考虑灾害性天气影响，主要是大风、暴雨和雷电。（2）在安装的地形和水力条件方面要考虑： 通往测站的道路可能非常困难。 测站周围可能杂草丛生，有人为和动物影响。 河床的不稳定性和变化性，安装在水下的传感器要依据实际检验的资料，给出主线正常工作的水深、流速及含沙量等环境指标。2采集装备技术的要求（1）通信制式:按国家无线电管理委委会批准的专用通信频率，设计使用频数。 通信调制方式为FMFSK，空号1180HZ，传号980HZ。 数据传输速率300波特。 数据传输格式，异步串行，1位起始位，8位数据位，1位停止位。 编码格式，信源编码：雨量BCD码，水位可以是BCD码也可以是格雷码，信道编码BCD码，纠1位错，检二位错。（2）系统数据精度 雨量计精度，在雨强为0.014mm/分范围内，测量误差3%的频率95%。允许最大雨量09999mm，分辨率1mm。 水位计精度：在010米变幅内，变率40Cm/min，测量误差2Cm 的概率为95%，分辩率为1Cm。（3）误码率信道误码率10-4，系统误码率10-5（4）系统功耗和蓄电池的选择在系统设计中充分考虑测站，中继站，中心站的功耗，尤其是对采用蓄电池的电源，要按照规范要求选定蓄电池容量。（5）系统可靠性主要是MTBF平均无故障工作时间，MTTR平均恢复时间为代表指标，在系统设计中需给予技术条件的保证，要求指标符合规范要求。3采集系统的数据传输有关通讯和信道的技术要求已在前节论述，本节只强调以下同频干扰的问题。从国内已建的水情自动测报系统运行情况表明，除了信道设计的合理的原因外，20个左右遥测站的系统可以忽略同频干扰的问题，如多于20个测站可采用下式计算同频干扰概率：式中：t每次传递时间（一般取0.5秒）m测站数量TT0/n，T0为统计时间，n为T0时间每个测站数量发射次数。从上式可以明显看出，缩短发射时间和增加发射间隔，可以减少同频干扰。五、 水情信息传输处理1系统结构参照已建成的丰满防洪决策信息支持系统，水情自动测报网络结构如下图所示。2软件系统（1）操作系统及开发系统测报接收机 终 遥 电 水 显 终 示 端 测 报 位 屏 端 a b c d e f g h扩 展 箱 解 码 器 电平转换器 电平转换器实时数据接收处理水情电报发送电流环有线水位电流环ETHERNET网络 水情自动测报网络结构水情电报电流环 ODT 3.0 U