浅谈水电站最小下泄流量在线监控系统建设

罗建平 周 杰 余任重

浅谈水电站最小下泄流量在线监控系统建设

罗建平 周 杰 余任重

三明市环境信息中心

在河流上建设水电站，对经济建设和社会发展发挥了重大作用，但也出现了河流变湖库、支流断流的环境问题，为解决这个问题，福建省要求水电站必须全天候有一个最小下泄水流量，并对这个最小下泄流量进行在线监控，以保护流域的生态环境安全。该文较全面地介绍了水电站最小下泄流量自动监控系统的设计方案、组成结构、系统功能，以及水流量的测流方式。

水电站 最小下泄流量 自动在线监控

多年来，在河流上建设水电站，并结合农业灌溉，城市供水，防洪养殖，达到了调蓄洪水、防灾减灾、蓄能发电等综合开发利用目的，对经济建设和社会发展发挥了重大作用。但是，由于缺乏对各个水电站下泄流量的有效调节与监管，河流变成湖库趋势、支流出现断流的现象日益显现，环境问题日益显现。为此，福建省政府决定，水电站必须安装下泄流量在线监控装置，对水电站最小下泄流量进行全天候在线监控，以推进各流域水环境综合整治，保护流域的生态环境安全。

1 监控中心系统方案

根据全省方案，对水电站最小下泄流量在线监控采取两级监控体系，即地市级监控和省级监控。各水电站按规范和要求，建设流量在线监控装置（系统），各地市环保局分别建立市级在线监控中心，水电站将在线监控数据实时上传到市级监控中心，市级监控中心对本辖区各水电站的最小下泄流量进行在线监控，并将在线监控数据实时上传至省级监控中心，实现对全省各流域水电站最小下泄流量的在线监控。

1.1 市级监控中心结构

1.1.1 市级监控平台硬件配置

市级监控平台（以三明市为例）主要由数据库服务器、应用服务器、通信服务器和视频服务器，网关路由器和千兆三层交换机，以及防火墙等设备组成（见图1）。千兆三层交换机用于连接监控系统各服务器。

网关路由器提供两个接口：一个外网接口，通过100M光纤线路接入电信PE端设备，在PE设备上定义并创建与各接入节点相同的VPN实例，并将VPN实例绑定到相应的VRF中。属于同一个VPN实例中的节点可以实现相互间的通信（监控平台与监控节点相互通信，监控节点之间无法通信），这样，各监控节点可以将监控数据传回监控平台的数据服务器。另一个接口用于连接服务器交换机。服务器交换机连接监控系统的应用服务器、通讯服务器以及数据服务器等。此外，服务器交换机还提供一个千兆接口用于向上接入上级（地市到省级）MPLS VPN专网，实现与省数据中心的通信。

图1 三明市水电站最小下泄流量在线监控平台硬件拓扑图

1.1.2 水电站监控节点接入设计

水电站（监控节点）接入方式采用2M ADSL 拨号接入，固定IP方式接入电信PE端设备，在PE设备上定义并创建与数据中心相同的VPN实例，并将VPN实例绑定到相应VRF中，实现前端采集设备与监控平台数据服务器的通信。该种组网方式，保证了前端数据采集系统的7×24小时实时在线、省级和市级监控中心平台随时可访可控的需求。该方案情况下，无需对前端数据采集机及网络接入设备做任何改动（图2）。

图2 监控点接入方式示意图

1.1.3 市级监控中心节点接入设计

市级监控中心节点接入省级数据中心的专网设计，采用依托于中国电信城域网以及CN2的MPLS VPN网络，中国电信为省、市两级监控中心节点提供100M的MPLS VPN接入带宽。

市级监控中心节点采集到的水电站（监控节点）数据首先保存在市本级数据库服务器上，然后，通过中国电信专网线路上传汇总到省级监控中心数据库服务器上，实现对全省水电站下泄流量的在线监控（见图3）。

图3 市级监控中心接入示意图

1.2 省级监控中心结构

省级监控中心平台的拓扑结构与市级监控平台相似，也主要由数据库服务器、应用服务器、通信服务器和视频服务器、网关路由器和千兆三层交换机、以及防火墙等设备组成（见图4）。

图4 省级监控中心接入示意图

2 水电站下泄流量监控方案

福建省各流域水系建有众多各种类型的水电站，以三明市为例，辖区内有属闽江上游的沙溪、金溪和尤溪三大流域，在这三个流域的河流上，建有各类水电站94座（不含最小下泄流量小于0.5m3/s和拟建电站）。

2.1 测流监测断面设置

对水电站下泄流量的监控，可在电站各泄水口设立监控点，安装测流装置，也可在电站下游附近选择河道断面作为监控断面，安装测流装置，监测下泄流量。对于河床式水电站，监测断面应设置在发电厂房尾水下游；对于坝后式水电站，监测断面也应设置在发电厂房尾水下游；而对于引水式电站，监测断面应分别设置在发电厂房尾水下游和水库大坝下游。

2.2 测流方式

2.2.1 常规流速仪法

在监控断面安装水位自动监测设施设备，如水位自记井、水位计、电子水尺等。用常规流速仪法测流，测定该监控断面的水位流量关系，通过水位推求出流量。

2.2.2 多普勒（ADCP）测流法

多普勒超声波流量计是应用声学多普勒技术原理，将仪器固定于水面、河底或水面以下某一位置，实时测出对应水流断面的对应流速和实时水流断面面积，推求出河道断面实时流量。

2.2.3 尾水流量关系计算法

尾水流量关系计算法是通过尾水流量关系曲线进行换算推求出流量。在一定的周期内，对河道进行测流得到流量关系曲线，建立尾水自动测报站，通过接收实时的尾水位值自动换算出流量。

2.2.4 水调水务计算法

目前，大型水电站一般都建立了水调系统，水调系统对水电站上游下游水位，机组，阀门开度等参数均建有自动监控，电站的相关设计曲线（如水位库容）也较全面，所以，根据下泄流量监控参数（如数据上传频次）要求，建立下泄流量动态配置计算方法，设置计算函数，数据库表结构，推求出下泄流量。

3 系统功能

水电站下泄流量监控系统主要由6个功能模块组成：基本配置信息模块（包括水电站基本信息、通信程序配置信息、采样因子配置信息、流域管理和计量单位管理）、综合数据模块（包括水电站分布图、实时监控数据、下泄流量统计报表和告警信息）、工单管理模块、GIS模块、应用字典模块和日志审计模块，如图5所示。

图5 水电站下泄流量监控系统的主要功能

3.1 数据采集与处理

水电站下泄流量的监控系统对监控对象采集和处理的主要数据、信息有五大类：在线监控仪器数据、水流量数据、流量监控设施运行记录数据、仪器自诊断数据和报警信息。监控系统对采集到的各类数据进行分析处理，根据信息源、监控数据等信息种类按时间顺序存储，并按通信协议将数据和信息转发给市级监控中心。

3.2 实时、历史数据监控

系统提供对各水电站的日常监控功能, 各水电站定时向市级监控中心平台上传一次数据，相关人员可随时调阅查看各水电站监控点的实时和历史监控数据及设施运行情况,也可以查看某个电站监控点指定时间段里的监控数据,可以查看分钟数据、小时数据和日数据（见图6）。

监控主要功能包括基本信息、各指标曲线图、数据查询、视频监控等。

图6 水电站下泄流量的监控系统实时、历史监控数据

3.3 告警管理

在对各水电站监控点配置时，均直接或间接给定了其各项指标限值（水库水位指标限值、最小下泄流量限值），当各监测点实时采集的数据超过该监测点预先设置的限值时，系统视其为异常，并将发生告警事件因子、告警值、以及发生此告警事件的时间通过异常告警功能进行发布和记录、以便监控和相关人员快速响应并做出应急响应和处理。

3.4 统计报表

水电站最小下泄流量监控系统中心平台提供了丰富的定期报表功能，方便相关管理部门及负责人员查阅和统计，以便快速掌握辖区内各流域各电站下泄水流量的状况以及对生态环境的影响。

根据报表产生的周期，系统将报表划分为以下几类：日报（按天统计）；周报（按周统计）；月报（按月统计）；季报（按季度统计）；年报（按年份统计）。

3.5 基本信息设置

水电站基本信息：水电站名称、所属区域、所属流域、地理位置（经纬度）和详细地址等。通信程序信息：水电站下端系统的IP地址和通信端口等。采样因子信息：闸门流量、机组流量、水位、瞬时流量等。流域管理：流域纳入监控电站的信息。计量单位管理：对采样因子对应的计量单位的管理。

3.6 视频监控融合

结合数据监控，系统融合视频监控功能，主要是对重点水电站库区、采样因子等对象进行监控，视频监控采用中国电信“全球眼”系统。主要功能有视频浏览（远程实时视频的浏览）、视频叠加（监控数值与视频叠加，效果直观生动）、语音监听（在视频实时浏览的同时，可听到监控现场的声音）、视频回放（通过视频服务器调阅历史视频）、视频存储和云台控制等。

4 结语

福建省水电站数量多，大小各异，类型不同，分布地形复杂，且国内还没有对水电站下泄流量在线监控工作经验可循，对水电站下泄流量监控系统的建设工程量和难度都较大。经过两年多来的努力建设和不断完善，现所有纳入监控的水电站均能按要求上传数据，系统运行稳定，实现了对水电站最小下泄流量的自动监控要求，确保了流域生态环境的安全。