北疆水库水情自动测报系统改造设计

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

北疆恰海水库水情自动监测报告系统建于2002年，投入运行后，实现了水、雨数据的实时、快速传输，并进行了准确的预测和计算。在蓄水、连续重大洪水和特大洪水过程中，均能及时、准确地预报水情，为水库防洪调度提供了科学合理的基础数据，为防洪减灾作出贡献。

1 系统概况

北疆恰海水库水情自动测报系统数据库采用SQLServer2000,采用B/S结构实现基于Web方式的应用功能，具有实时数据显示、历史数据查询、系统配置、图表生成等功能。建设规模为1∶6∶42，即1个中心站、6个中继站、42个遥测水情站,系统由中心站、中继站和遥测站组成，通信方式为超短波，无信道冗余。中心站负责接收遥测站传送来的数据，对数据进行存储、检索、处理、显示和分析，为防洪、调度提供决策依据；中继站负责信号转发；遥测站主要完成对水位、雨量、气温参数的采集、存储，并通过超短波电台通信设备向中继站、中心站传送数据。

2 系统的功能和存在的问题

由于当时通信条件和其他技术条件的限制，北疆水库水情自动测报系统经过连续12年的运行，该系统存在以下问题：

a.通信信道质量下降。随着区域经济建设的发展和人类活动的增加，特别是库克苏中继站，超短波通信信道的质量受到一定程度的影响，传输数据经常丢失。

b.单数据传输通道。由于当时通信技术的影响，不存在冗余信道和备份信道，影响了实时数据采集，降低了系统的通畅率。

c.设备常年在野外使用，设备出现了不同程度的老化，蓄电池馈电、信号突然中断、遥测仪数据乱码,系统的稳定性受到一定的影响。

d.系统采用的技术和平台由于其依赖指定版本的操作系统、数据库软件和办公软件，系统部分硬件停产，导致系统无法升级。

e.目前运行数据采集、通信、数据库存储和预报应用的服务器、系统工作站等设备运行负担较重。

f.系统软件功能不完整，如涉及安全的身份认证和报警功能，涉及业务应用的水文预报功能。

g.系统整体的可靠性、数据传输畅通率、设备的可维护性、数据的实时性和精度等关键性指标不能完全满足智能水情自动测报系统要求。

3 水情自动测报系统的改造设计

3.1 升级设计总体要求

水情监测预报系统需要准确、及时、可靠的流域水雨情信息。作为局部改造的一部分，通过升级传感器设备、数据采集设备、数据远程通信终端设备、系统通信网络等，对水情监测与报告系统进行升级，数据精度、数据畅通率可以达到更高的精度。该系统支持IEC61850标准通信协议，可以访问控制中心的高速数据总线，与其他相关系统共享数据，为洪水预报、防洪调度和发电调度提供科学、准确、详细的基础数据支持。数据库表结构符合《水情信息编码标准》(SL 330—2011)和《实时雨水情数据库结构和标识符标准》(SL 323—2005)。

3.2 系统总体结构

遥测站网：双通道通信网络是当前水文遥测系统的主要通信组网方式，也是当前水文编码的要求。整个遥测系统网络应采用GPRS/短消息信道、北斗卫星双信道通信组网模式，各遥测站采用双信道建设模式，各站数据通过GPRS/短消息信道和北斗卫星模式发送到控制中心。组网结构见图1。

图1 测站组网结构示意图

数据采集：控制中心部署数据采集软件和设备，并根据需要配置相应的网络、通信服务器、数据库服务器等。遥测站数据通过GPRS/GSM、北斗卫星发送到控制中心的采集服务器，并通过通信服务器传输到数据库服务器。对数据进行处理和分析，进行洪水预报。数据采集部分结构见图2。

图2 水情测报系统数据采集部分结构示意图

3.3 系统工作体制

采用自报式工作体制。

3.4 系统技术指标

3.4.1 集成性

系统中的每个功能模块应该是相对独立的，任何功能模块的失效都不应导致其他功能模块的失效。各功能模块应尽可能遵循统一开放的集成标准，以实现各软件模块的方便集成。现场遥测站应将数据采集器(RTU)、通信设备、传感器适配器、太阳能充电装置等集成到标准底盘中。传感器、天线和太阳能电池板等外部设备可通过遥测终端上的标准接口(或封闭入口)进行访问。

3.4.2 开放性和可扩展性

系统应采用开放式技术和标准。在硬件方面，标准设备应便于交换，并为系统增加新设备；在软件方面，应便于系统软件和应用软件的扩展和升级。

3.4.3 数据实时性

整个水文遥测系统的数据应在5min内采集。在可靠性方面，遥测数据采集、传输和接收的完成率不小于95%。遥测系统设备MTBF≥25000h，中央计算机系统设备MTBF≥35000h。在不阻塞率方面，水文遥测系统在规定条件下，在规定时间内采集数据时，每月平均畅通率为不小于98%。就维修性而言，MTTR的平均维修时间通常为20min。设备故障数据收集器应该能够在本地日志中记录或远程提取。硬件上有不相连的点，便于测试和隔离故障。可使用在市场上购买的标准电子、电气和机械部件，以确保系统的长期可用性。

3.5 系统功能

3.5.1 遥测数据采集

能够测量和收集以下物理量：降雨量、水位、流量、电池电压、太阳能充电状态、视频数据(静态或动态图像)；遥测站的RTU应支持接入符合以下接口或协议的传感器：4-20MA、格雷码、SDI-12、RS232、RS485、脉冲信号、频率信号(1-2kHz)、Modbus协议；对于基本水文数据，系统收集的最小频率不应超过5min一次。

3.5.2 遥测数据传输

遥测站和数据中心站应支持基于以下通信信道的数据传输：北斗卫星、GPRS(中国移动通用无线分组业务)、CDMA1X(中国电信宽带业务)、SMS(短消息)、VHF(超短波)、PSTN(公共电话交换网)。基于上述信道的采集功能必须在一个程序中实现，不能分成多个程序。

3.5.3 中央台站的数据采集

数据采集软件应该是基于开放的模块化设计，这样可以方便地扩展未来可能使用的其他通信通道或协议，而不需要调整现有的总体结构。配置正确的通信设备和传输信道，以接收由遥测站发送到中心站的原始消息。它集成了各种通信信道驱动程序和通信协议，可以与通信设备交互，解码接收到的原始消息，获取实际数据。具有与后台数据库的接口，实现接收实时数据写入后台数据库。远程呼叫遥测站具有当前数据、历史数据传输，修改遥测站关键运行参数，下载程序等功能。

3.5.4 遥测站的功能要求

考虑到目前的应用和未来的扩展，遥测站软件应该支持不少于10个传感器，并且可以设置传感器的自动采集间隔。所有收集到的数据都应用时间刻度存储，数据存储的时间尺度应与收集数据的时间尺度相同。传感器数据可以在一定的时间间隔内发送到中心站，并且可以设置自报间隔。支持超限消息。遥测站在判断数据传输失败时，应能将所有未成功传输的数据存储在非易失性介质中，等待通信信道恢复正常。必须能够提供基于北斗卫星的定时功能。支持RTU参数设置和通过PC、笔记本计算机或其他PDA终端进行程序更新。

3.5.5 数据接收和处理软件需要具备的功能

可以采集各种通信系统(如卫星、超短波系统等)的雨水信息，检查数据的合理性，纠正误差，自动分类存储在数据库中。接收到的水文数据实时计算并存储在数据库中。数据库分别建立实时数据库和历史数据库。统计不阻塞率、通信时间、原始数据和各种组合查询；遥测站设置、故障监测、报警和工作状态监测、信号减少或中断报警；数据网络存储和安全管理；各种图形、报表生成、显示、打印和报表管理；用户手动修改，输入数据接口。

3.5.6 数据库系统软件要求实现的功能

遥测站点属性的定义，每个站点的添加、修改、删除，系统接口的定义和过滤参数的定义；数据库中的数据被查询、检查、手动修改(设置权限)，数据的手动输入、插值、备份和加载等。绘制雨量条图、等值线图、水位流量关系曲线、水位和水库容量曲线，并与洪水预报和水库调度系统数据库进行共享。数据库数据备份和数据库数据恢复管理。

3.5.7 数据库管理需要的功能

进行实时遥测数据库和雨水数据库的选择；进行基于表和关键词的简单查询；对数据库中的数据进行添加、删除、修改等日常维护；提供图形人机界面，保存工作状态数据，删除工作状态数据，备份数据库，清除事务日志。对于人工观测数据，系统提供了人工观测数据插值的接口。提供图形人机界面，提供数据存储程序，具有识别不合理数据和处理能力。

4 结 语

北疆恰海水库水情自动测报系统在水库防汛调度中发挥着不可替代的作用，为充分发挥水库的防汛抗旱作用，使水库管理人员科学调度,该测报系统改造在总体设计上本着综合分析、扬长避短、合理规划、优化设计的原则,保证系统的稳定可靠、技术先进,并兼顾系统筹建运行的经济性，能够及时准确地为防汛和发电调度提供科学的依据。