石垭子水电站水情水调自动化系统建设

杨秀勇，侯 煜，马 岚，郭 易，于兴晗

（1.国家电投集团贵州金元股份有限公司，贵州省贵阳市 550081；2.中国水利水电科学研究院，北京市 100038）

石垭子水电站水情水调自动化系统建设

杨秀勇1，侯 煜2，马 岚2，郭 易2，于兴晗2

（1.国家电投集团贵州金元股份有限公司，贵州省贵阳市 550081；2.中国水利水电科学研究院，北京市 100038）

石垭子水电站在水情水调工作中存在自动化程度低、水务计算误差大、缺乏科学预报调度手段等问题，亟须建立水情水调自动化系统。系统建设通过站网论证、水位流量关系率定等手段，保证了水情系统基础数据的准确与可靠。水调系统网络采用开放式与冗余式结构保证系统的兼容性、扩展性与安全性。水调系统软件功能丰富，界面友好，为电站运行管理提供了便捷的一体化操作平台。石垭子电站水情水调自动化系统的建设不仅满足了本电站水情水调工作的需求，同时也为洪渡河流域梯级调度管理提供了统一的技术平台。

水情水调；梯级电站；站网论证；数据库设计

0 引言

石垭子水电站位于贵州省遵义市务川县大坪镇和柏村镇交界的梅林峡谷河段，是乌江水系左岸一级支流洪渡河干流水电梯级开发的第六级电站，工程以发电为主，水库总库容3.215亿m3，调节库容2.008亿m3，具有季调节能力。电站总装机140MW。石垭子水电站距上游沙坝水电站31km，距下游在建的高生水电站32.4km，三个电站均归属于国电投贵州金元集团黔北水电总厂管理。

水情水调自动化系统是综合采用传感、通信、计算机及网络技术，基于对历史资料的收集整理，及时准确地获取流域和其他相关系统的水文、气象和水库运行信息，利用数据库管理技术进行在线水文预报、优化调度和水库调度管理的综合自动化系统[1]。目前，全国各大中型水电厂（站）大多已建立水情水调自动化系统，在安全度汛、综合管理、经济运行、科学调度等方面发挥着重要作用，成为水电厂（站）生产过程中的重要组成部分。石垭子水电站自建成投入运行以来，尚未建设水情水调自动化系统，相关工作主要采用人工观测、手动计算、经验预报等手段，存在技术落后、工作效率低、可靠性差、水量利用率低等问题。因此，十分有必要建立石垭子水电站水情水调自动化系统。

1 总体设计

石垭子水电站水情水调自动化系统建设主要内容包括：野外遥测站系统、中心站计算机及网络系统和中心站软件平台系统。系统建设不单要满足石垭子电站的日常运行管理需求，同时还要充分考虑与上游沙坝电站、下游高生电站的梯级关系。对流域梯级电站实行联合调度，统一管理，有利于实现水能资源的高效利用，是一种先进的、高效率的管理模式[2]。目前沙坝水电站已建立水情自动测报系统，高生水电站正处于建设期。从总厂综合管理、洪渡河流域梯级调度角度出发，以石垭子电站为中心，建立一个统一的水情水调平台，将上下游电站联系起来，构成一个完整的梯级调度系统，从投资的经济性、管理的统一性、资源的优化利用等方面都是一个较好的方案。

图1 系统组网图Fig.1 System network diagram

系统组网设计如图1所示。遥测站根据不同的测站类型选择相应的通信方式，本系统中主要采用了GSM短信、北斗卫星以及光纤等通信方式，实现遥测站到中心站的数据传输。沙坝水电站水情系统作为分中心通过光纤与石垭子中心站建立通信，实现数据互访。高生水电站尚未建好，预留光纤通信端口。基于电力系统DDN专网向电网调度系统上传数据。石垭子中心站搭建水情水调系统网站，提供流域各电站相关信息的Web浏览服务。

2 遥测站系统

遥测站系统共包括12个遥测站，其中雨量站9个、雨量水位站2个、水位站1个。

2.1 站网论证

合理拟定遥测站网是测报系统规划的重要内容，不但关系到系统建设的规模和投资，而且关系到水文预报、防洪调度及系统的运行和维护[3]。测站布设应遵循科学合理、经济可行、管理方便的原则，使拟定的遥测站网密度恰当、分布合理，采集到的实时雨、水情信息具有较好的代表性。

为保证本系统建设的科学性、合理性、实用性，系统建设前期针对洪渡河流域进行了充分的调查研究。在流域水文模拟中，采用“流域-产汇流分区-单元块”的空间离散形式，将流域按一定的规则划分成若干个预报单元面积，在单元面积上建立集总式的预报模型和方法。划分后各单元面积内各种地理特征相对均匀，以利于考虑流域各单元块之间降雨分布不均匀的影响及上、下不同单元块间洪水传播时间的影响。建立基本模型后，选派专业技术人员到现场进行实地查勘，确定具体地点及安装方式。

沙坝电站以上流域已建立水情遥测站点，本次建设补充新增3处雨量站。沙坝～石垭子区间流域是本次遥测站系统建设重点，布设遥测站点9处。由于高生电站尚未建成，石垭子～高生区间流域暂不建设遥测站。具体站点布设如表1所示。

2.2 遥测站结构及功能

遥测站是水情测报系统中最基础单元，集测、报、控功能于一体。遥测数据是后期预报调度的基础数据来源，在很大程度上影响着后续工作的准确性与科学性。

2.2.1 遥测站结构

本系统中遥测站由传感器（雨量计、水位计）、数据采集器、通信设备终端（GSM、北斗卫星、光纤）和供电设备（蓄电池、太阳能光板），以及遥测站房组成。一个完整的遥测站单元结构如图2所示。

表1 石垭子水电站水情水调系统测站分布表Tab.1 Telemetry Station list of Hydrologic Data and Reservoir System

图2 遥测站结构图Fig.2 Structure block of telemetry station

2.2.2 遥测站功能

遥测站具有数据采集与存储、数据传输、参数设置、自动校时等主要功能。

1.数据采集与存储

本系统中遥测站采集要素主要为：雨量、水位、测站运行工况（电压）。雨量为触发式采集方式，实时采集降雨量并累计存储。水位、电压为定时采集方式，按设定的采样间隔采集数据并存储。

2.数据发送

数据发送包括数据自报和召测响应两种类型。数据自报主要包括定时自报和增量自报两种。定时自报指按照设定的定时间隔将数据打包发送到中心站。增量自报是指当连续两次测量差值超过事先设定阀值后，即刻将数据发送回中心站，起到预警提示的作用。召测响应是指遥测站接收到中心站远程发送的指令后，根据指令要求向中心站回传相应数据。

3.参数设置

遥测站参数按类型可分为：基本参数、水位参数、雨量参数、GSM信道参数、北斗卫星信道参数等类型。参数设置可分为两种方式，一种为现场通过人工置数器设置，另一种为中心站远程设置。

4.自动校时

为保证数据的时效性，必须保证遥测站时间为标准时间。遥测站每天可通过GSM网络或北斗卫星自动进行校时，保证系统具有统一的时间标准。

2.3 水位流量关系率定

流域内布设各遥测站点的一个主要目的是为获得较为精准的入库流量，以便开展后续的防洪调度工作。对于电站水库的主要支流，有必要建设流量控制站来较为精确的实时监测来水量。洋岗河是洪渡河在沙坝电站～石垭子电站区间的最主要支流，掌握洋岗河的来水情况对石垭子电站的预报调度工作具有重要意义。

通常采用测量断面水位，查询断面“水位～流量关系曲线”的方式得到河道流量数据。洋岗河此前未建设水文站点，无历史资料积累。为保证整套系统的准确性、科学性，本次工程建设的一个重点就是洋岗河水文站的建设以及其所在位置河道断面“水位～流量关系曲线”率定。本次系统建设前期派专业人员赴现场进行实地查勘，选择洋岗河在小坪村一处水流稳定、河道顺直处为断面，建设小坪水文站，开展测流工作。

“水位～流量关系曲线”的率定是一个复杂过程，需要大量的数据积累以及反复的测试演算。为得到满足定线的流量测次，本次建设期内拟在一年内测流8～10次。其中低水位时采用流速仪测流2～3次（按不同水位级布设测点），中水位时采用ADCP 测流3～4次（按不同水位级布设测点），高水位用浮标测流3～5次。本次系统建设由于投资所限，采取的技术手段及措施有限，加之测验时间较短，得出的最终结果在精度上还存在一定误差，还需通过后期的不断测验来修正完善，最终得到较为准确的一个结果。

3 中心站系统

中心站设置在石垭子电站办公楼内，包括计算机及网络系统和软件系统两大部分。

3.1 中心站网络结构

根据规划，石垭子水情水调系统将作为整个洪渡河流域的梯级调度中心，将与各级系统相连接。因此本次建设中心站网络采用开放式结构，提供冗余的、支持分布式处理环境的网络结构。

中心站配置高性能的计算机及网络设备，具备强大的网络通信功能，并基于多阶层的设计理念，提供强大的可扩展性。采用分布式结构，考虑软件系统各功能模块运行方式与资源占用情况不同，在均衡负载情况下，将各功能模块部署在不同的服务器或工作站上，提高系统稳定性。同时，为提高系统的健壮性，系统中心站II区按照双网冗余设计，数据库服务器采用双机热备设计。在跨安全分区的连接处布设隔离设备或防火墙，提高系统安全性。中心站网络拓扑结构如图3所示。

按照系统规划，沙坝电站水情测报系统作为分中心要接入石垭子水情水调系统中心站。两站之间此前无数据链路，架设专用光纤通道投资较大。因此本次系统建设采用租赁中国电信2M SDH电路解决方案，利用运营商的已建成网络搭建一条两电站之间的点对点的专属通道，此通道较一般的VPN（虚拟专用网）网络具有更高的安全性与可靠性。

3.2 中心站软件系统

3.2.1 软件系统结构

中心站软件系统结构设计基于组态化的理念，将整个水调系统软件功能划分为几大块。各大系统实现一类基本功能，同时系统间通过各组件实现数据的流通与共享。结构化的设计便于实现灵活的配置以及后续功能的不断扩展，也是多阶层、分布式结构设计原则的具体体现。软件系统结构及数据流程如图4所示。

3.2.2 数据库系统

数据库系统是整个系统底层的核心部分，是实现水调系统所有功能的基础，数据库系统的设计与构建关系到整个系统运行的效率与可靠性。电站日常运行积累的数据量不断增加，同时还涉及与众多其他系统的数据交互以及后期新建系统的不断接入，巨大的数据量以及相互关系的复杂性，都有可能成为影响系统稳定、高效运行的因素。因此，在数据库系统设计时要按照以下原则进行：

图3 中心站网络拓扑图Fig.3 Network topology of center station

图4 软件系统结构及数据流程Fig.4 Structure of software system and data flow

（1）主备双数据库。主数据库与备数据库分别运行在主、备数据库服务器，通过同步程序实时同步数据，保持数据的一致性。

（2）减少数据的冗余度，数据尽可能不重复、减少冗余、维护数据的一致性。

（3）采用数据库群设计方式，将数据分散到多个数据库，减少数据检索时间。

（4）保持数据的独立性。数据的独立性包括数据库中数据的逻辑结构同应用程序相互独立，数据物理结构的变化不影响数据的逻辑结构。

（5）数据的可控性。安全性控制：包括防止数据丢失、错误更新和防止越权使用。完整性控制：包括确保数据的正确性、有效性和相容性。并发控制：包括在同一时间内允许对数据实现多路存取，同时又能避免用户间的非正常交互使用。

3.2.3 数据上传与发布系统

数据上传与发布系统主要包括：数据上传系统、短信发布系统以及网页发布系统。

1.数据上传系统

根据电网调度系统要求，沙坝电站及石垭子电站需将水位、雨量、出入库流量、机组出力等数据上传至遵义地调系统。目前，只有石垭子电站至遵义地调建立了DDN业务数据网，石垭子水调系统采集沙坝数据后，按照dl476-92规约打包统一上传至地调系统。

2.短信发布系统

短信发布系统可以通过中心站配置的GSM模块定时发送或应答查询各类水情报警信息、水调信息及机组运行信息等，使生产管理人员随时随地了解水电生产运行状况，为远程监视、决策、指挥提供灵活方便的手段。报警触发条件及内容均可灵活配置。

3.网页发布系统

本系统建设开发了石垭子水情水调自动化系统网站，为流域三个电站搭建了一个集生产管理、消息发布、交流学习等功能于一体的信息共享平台。Web网站基于ASP.NET框架构建，允许所有通过网络与本系统相连的计算机或移动终端设备，按照一定的授权权限，通过Browser/Server方式，在客户端无需任何专用软件的条件下，实现对本系统图形、报表及文件信息的用户浏览以及信息发布、资料共享等功能。石垭子水情水调自动化系统网站如图5所示。

图5 石垭子水情水调自动化系统网站Fig.5 Website of ShiYazi System

3.2.4 水情水调综合管理系统

水情水调综合管理系统处于整个系统的最上层，由许多功能模块构成，提供一个集成化的显示与操作界面，集综合监视预警、故障查询、值班管理、数据查询显示、资料整编、报表管理、洪水预报调度、发电计划等诸多功能于一体，是生产管理人员日常操作的最基础平台。

4 结束语

石垭子水电站水情水调自动化系统建设所包含内容较多，涉及的网络结构也较为复杂，通过合理规划、科学设计在投资与性能两方面达到最佳平衡状态，为黔北水电总厂洪渡河流域三个电站提供了一个统一的水情监测及优化调度平台。系统投运一年以来，运行状况良好，在洪渡河流域雨水情自动监测、水资源合理利用、优化调度提高效益等方面发挥了重要作用。

[1] 左振鲁，曹年红，曹翊军，等.水情水调自动化技术回顾与展望 [J].水电自动化与大坝监测，2009，33（6）：22-26.ZUO Zhenlu，CAO Nianhong，CAO Yijun，etc.Review and Prospects for Automation Techniques of Hydrological Forecast and Waterpower Scheduling[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2009，33（6）：22-26.

[2] 朱艳军，马光文，江拴丑，等.中小流域梯级水电站联合调度管理模式研究 [J].华东电力，2010，38（4）：577-579.ZHU Yanjun，MA Guangwen，JIANG Shuangchou，etc.Study on Joint Dispatch Management Mode of Cascade Hydropower Stations in Medium and SmallBasins[J].East China Electric Power，2010，38（4）：577-579.

[3] 张恭肃，朱星明.关于水文自动测报系统建设中站网布设的分析论证 [J].水文，1993，2 ：13-20.ZHANG Gongxiao，ZHU Xingming.Analysis and Demonstration of Network Arrangement in Hydrological Forecasting System Construction[J].Hydrology，1993，2 ：13-20.

2016-10-14

2017-06-15

杨秀勇（1971—），男，工程师，主要研究方向：水力电力经营管理。Email：569688447@qq.com

侯 煜（1981—），男，高级工程师，主要研究方向：水情水调自动化系统技术研究。Email：iwhrhy@126.com

马 岚（1975—），男，工程师，主要研究方向：水情自动测报技术研究。Email：6080746@qq.com

郭 易（1973—），男，高级工程师，主要研究方向：水情自动测报技术研究。Email：13501212926@163.com

于兴晗（1975—），男，高级工程师，主要研究方向：水情自动测报技术研究。Email：13601009217@126.com

Construction of ShiYazi Automatic System of Hydrologic Data and Reservoir Dispatching

YANG Xiuyong1，HOU Yu2，MA Lan2，GUO Yi2，YU Xinghan2
（1.State Power Investment Corporation，Guizhou Jinyuan Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

ShiYazi hydropower station has problems in hydrologic data and reservoir dispatching such as ： low degree of automation，deviation of water calculation，lack of scientific flood forecasting and scheduling.It needs to establish a automatic system of hydrologic data and reservoir dispatching.The hydrologic data are accurate and reliable by using station network demonstration and calibration of stage-discharge relation curve.The open and redundant structure used in network ensure the compatibility，expansibility and security of system.Software of reservoir dispatching has rich functionality and friendly interface，provides a convenient integration plant for management.ShiYazi automatic system of hydrologic data and reservoir dispatching is not only meet the needs of the hydropower station，as well as provides a unified technology platform for cascade scheduling in Hong Du river’s basin.

hydrologic data and reservoir dispatching；cascade hydropower station；station network demonstration；database design

TV

A学科代码：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.024