罗闸河一级水电站水情自动测报系统设计与实现

李 匡，郝 建，张 力

（1.中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038；

2.江河机电装备工程有限公司，北京100070；3.湖北黄龙滩水力发电厂，湖北 十堰442000）

水情自动测报系统采用先进的现代科技方法对水文信息，如雨量、水位、流量等进行实时采集，并将采集的数据经过处理传输至中心站，结合专业水文知识进行在线洪水预报，为运行人员提供满足江河流域防洪、水库安全度汛、水资源利用以及其他综合利用要求的科学决策方案，在水利部门及水电厂有着广泛的应用[1]。狭义的水情自动测报系统主要指遥测站的建设和数据的采集传输，以及用收集到的数据进行洪水预报。而广义的水情自动测报系统不仅包括遥测站的建设，还包括在收集到的数据基础上进行的水务信息计算、洪水调度、发电计划制作、与上级调度部门数据通信等高级应用功能。目前我国建设的中小水电站较多，其水情自动测报系统多为广义上的水情自动测报系统。

1 流域及电站简介

罗闸河流域地处云南省滇西横断山脉高山峡谷区，是澜沧江上游右侧的一条一级支流，发源于昌宁县境内，流域集水面积3231km2，干流河长190.2km，多年平均年降水量约1300mm，多年平均年径流量21.7亿m3。

罗闸河一级电站位于罗闸河干流下游峡谷河段，距云县县城36km，其坝址以上集水面积3075km2。工 程 区 地 理 坐 标：北 纬 24°29′37″～24°30′26″，东 经100°19′16″～100°24′30″。水库正常蓄水位 1012.5m，相应正常库容1150万m3，死水位1007m，相应死库容712万m3，水库具有日调节性能。电站装机容量为2×15MW。

罗闸河流域气候属中亚热带季风气候区，根据云县气象站提供的气象资料统计，坝址多年平均年降水量908.5mm，多年平均气温18.6℃，极端最高气温37.6℃，极端最低气温-0.6℃，年最大风速19m/s（为西南风和东北风），多年平均雷暴日数50天。流域汛枯分明、夏湿冬干，汛期为5月至10月，降水量占全年85%，径流量占全年的70%以上。太平关站以上洪水主要发生在汛期的7月和8月份，而以7月下旬和8月上、中旬居多。据太平关站46年实测洪水资料统计，年最大洪水发生在7月份和8月份的年数占75%。

罗闸河一级水电站坝址上游9.4km的太平关水文站控制了近95%的集水面积，罗闸河一级电站设计年径流直接移用太平关水文站年径流频率分析计算成果，但经集水面积比例修正。根据太平关水文站年径流频率分析计算的成果，经集水面积比例修正后可得到坝址多年平均年径流量为20.6亿m3，多年平均流量65.3m3/s[2]。

2 系统建设目标

罗闸河一级水电站水情自动测报系统建设任务主要包括遥测站建设、中心站网络建设、中心站软件建设等三项内容。建设目标是：基于新建的水文站、水位站、雨量站采集的实时信息，从计算机监控系统采集的机组工况、有功、发电量等信息，从闸门自动控制系统采集的闸门开度信息，以实时水情数据库、历史水情数据库为数据源，开发集水情测报、洪水预报、水务计算、数据上传为一体的水情测报系统，实时掌握流域雨水情信息，实时计算电站的水务运行数据并上传到云南省电网公司，为电站的安全运行，提高电站的水能利用效率提供决策支持。

3 系统遥测站建设

3.1 系统遥测站网布设方案

遥测站网的布设应考虑测量精度、地理位置、交通等各方面条件，使得在经济合理的投资下，所布设的站点能准确地对流域降雨量、水位、流量等进行测量[3]。罗闸河一级水电站以上建设有南河电站，和罗闸河一级水电站是同一个公司开发的，因此可以共享南河电站的出库流量，尾水位等信息。本着满足需要，节省投资的目的，本次遥测站布设区间为南河电站到罗闸河一级电站区间。根据本系统建设的目标任务，经过图上初步选点、现场勘察、信道测试比较、与用户设计联络确认等工作环节，最终在流域布设小罗扎、小定喜2个雨量站，坝上、坝下2个水位雨量站。其中雨量站用以满足流域水情监视、洪水预报及安全度汛的需要。而坝上、坝下测站不仅可以满足安全度汛的需求，而且还能满足运行期水务计算的需要。

3.2 遥测站结构及功能

遥测站由传感器、采集终端（RTU）、供电系统、通信模块、防雷设备等组成，其中RTU是遥测站的核心，实现将传感器测量的数据处理并将其发送到中心站的功能。遥测站的相关参数，例如报送阈值、定时发送间隔等可以通过远程设置。遥测站结构图见图1。

3.3 遥测站传感器选型、通信信道选型及供电设计

图1 遥测站结构示意图

本系统雨量传感器选用1mm测量精度的翻斗式雨量计。坝上水位站选用雷达式水位计、坝下水位站选用压力式水位计；经过对各遥测站点现场勘察，罗闸河一级电站GSM通信信道良好，因此系统采用GSM信道通信方式；通过系统遥测设备功耗分析计算，本系统雨量站电源配置为20W太阳能光板，38AH蓄电池；水位站电源配置为40W太阳能光板，76AH蓄电池，能满足连续45d阴雨气象条件下的测站供电需求。

4 中心站设计及关键功能开发

中心站负责遥测站信息接收与处理、机组监控信息采集、数据库管理、水务数据计算、水情信息上传等，包括中心站网络平台和中心站软件2部分。

4.1 中心站网络平台设计

罗闸河一级水电站水情自动测报系统设立一个中心站，中心站是系统的核心，系统主要功能在此集成，通过计算机系统的方式实现。中心站主要由网络，数据库，中心站软件系统等部分组成。中心站包括数据库服务器、通信服务器、工作站、打印机、交换机、防火墙、GSM接收模块、机柜等。

其中数据库服务器负责接收遥测雨水情信息，各种报表数据，中心站软件数据等，操作系统采用Windows Server 2012，数据库软件采用Microsoft SQL Server 2012；通信服务器负责与计算机监控系统之间的通信，操作系统采用Windows Server 2012，由于监控系统位于安全I区，水情自动测报系统位于安全II区，因此需要用防火墙对其隔离；工作站上安装水情自动测报系统中心站软件，值班人员进行中心站软件操作在此机器上进行，操作系统采用Windows XP。

罗闸河一级电站上传到云南省电网数据通道与罗闸河二级电站共用，因此需要先将罗闸河一级电站相关水情信息数据传送到罗闸河二级的服务器上，然后再从罗闸河二级上传到省电网公司。罗闸河一级电站和罗闸河二级电站之间的通道采用光纤传输。

系统的网络拓扑图如图2所示。

图2 罗闸河一级水电站水情自动测报系统网络拓扑图

4.2 中心站软件总体设计

中心站软件的功能是实现对遥测数据的接收、处理、展示，实现对机组监控数据的采集，实现水务报表的计算、水情及水务信息的上传等。

4.3 中心站软件主要功能

中心站软件供值班人员操作使用，值班人员可以利用此软件查看实时的雨水情信息，报表信息，遥测站信息等，并可以通过此软件远程修改野外遥测站的参数等。主要功能有数据采集子系统、监视预警子系统、查询分析子系统、水务计算子系统、值班管理子系统、数据库管理子系统、洪水预报子系统、水库调度子系统、用户管理子系统、系统管理子系统、资料整编子系统、数据上传子系统等。

（1）数据采集子系统

数据采集子系统包括雨水情数据采集、机组信息采集、闸门开度信息采集：雨水情数据采集遥测站发送的水位、雨量等信息，并对接收的水位、雨量等信息进行校检、纠错、插补、整理、储存等功能。并可对遥测站实施在线管理（如参数设置、召测数据等）；机组数据采集计算机监控系统发送的机组信息，包括工况，出力等信息，供报表计算使用；闸门开度信息从闸门自动控制系统中采集，用于计算下泄流量。

（2）监视预警子系统

监视预警子系统对系统的水雨情信息、设备故障信息、设备电压信息等进行监测及报警；支持以屏幕显示，或以语音等方式输出报警事件；报警内容、报警限值、报警方式以及报警对象均可设置。

（3）查询分析子系统

系统采用丰富专业的图形和表格等形式展示水情水调实时动态数据；可进行各类相关数据的对比分析等；在GIS地图上实现流域监视和查询功能。

（4）水务计算子系统

包括水库调度时段报表计算，计算出库、入库、发电、下泄等流量信息；水库调度日、周、旬、月、季、年统计报表；专项统计报表；流量过程线绘制及洪水要素和特征值统计功能。

（5）值班管理子系统

值班管理子系统是为了满足系统管理人员的日常工作需求的软件系统。功能包括：交接班管理；静态曲线管理；手工编辑数据，包括水位、闸门启闭信息、机组出力工况信息等的插补，修改等；设备运行维护信息管理等。

（6）数据库管理子系统

提供对整个数据库进行管理的工具，可对所有数据表中数据进行维护，包括数据录入、数据导入导出、数据库操作日志查询、数据库备份、数据库恢复等、分配不同级别用户权限等。

（7）洪水预报子系统

包括洪水期水情预报方案，枯期水情预报方案，中长期水情预报方案等；多种预报模型选择；预报模型库及参数管理；预报方案管理；预报模型参数自动率定；自动洪水预报，实时滚动预报；人工洪水预报；模拟降雨预报；预报成果查询，发布等；历史洪水查询，分析，选取等；数据预处理等。

（8）水库调度子系统

水库调度子系统包括防洪调度和发电调度。防洪调度包括调洪演算、泄洪决策、洪水统计；按照水库调度方式与规则自动生成调度方案；根据实时雨水情人工交互生成调度方案；按照上级下达的决策生成调度方案；对多种调度方案自动优选；调度成果查询等。发电调度包括制定水电站及水库运用计划、实时发电计划、短期发电调度计划以及中长期发电计划等。

（9）用户管理子系统

对系统用户进行管理，包括对用户权限、角色进行分级，新增、删除用户，修改用户密码等。

（10）系统管理子系统

主要包括：系统菜单设置；用户管理；系统统计分析，统计任意时段系统通信情况、设备运行情况等信息；系统参数设置，设置关键进程及功能模块运行参数；系统诊断测试，通过在线、离线测试，诊断系统遥测及网络设备故障等。

（11）资料整编子系统

对流域的雨水情信息进行整编，包括小时、日、旬、月、年等时段的水位、流量、雨量等资料以及洪水要素摘录资料。

（12）数据上传子系统

负责上传云南省电网公司要求的水情信息，包括电站的时段及日入库流量、出库流量、发电流量、弃水流量、流域平均降雨，实时、时段水位信息，时段雨量信息，实时闸门开度信息等。

5 系统建设实施与运行

系统建设经历了现场查勘、方案设计、设备生产、现场安装调试等阶段，安装调试工作于2018年7月25日顺利结束，于7月31日完成系统初步验收，投入试运行。

系统实现了罗闸河一级水电站流域的雨量、水位等信息的自动采集；实现了电站入库流量的预报；实现了电站水务信息，包括入库流量、出库流量、发电流量、下泄流量的自动计算；将计算的水务信息实时传送到云南省电网公司。系统的建成为电站的安全运行提供了决策支持作用，有效地减轻了值班人员的工作量。