微波设备用于水电站通信系统升级改造过程探讨与应用

张 帅，梁明华

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

1 项目概述

尼泊尔上博迪克西水电站位于加德满都东北方向约110 km 处，水电站为低坝长引水式，主要建筑物包括：混凝土重力坝、溢洪道、沉砂池、引水隧洞、调压井、地面厂房等。电站装机容量为2×22.5 MW、单机发电流量为18.4 m3/s，水电站于2001 年正式投产发电。2015 年经尼泊尔大地震后引水管道破损，2016年经历了特大洪水事件，致使大坝主体工程损毁，厂房淹没1 m，安装间以下全部泡在水中长达6 个月。厂房所有系统基本全部损毁，通信系统中断，修复困难。

2 改造背景

2015 年和2016 年本工程经历了两次比较严重的自然灾害事件。两次事件分别造成了厂房、明装压力钢管等设施不同程度的损坏。因此，业主决定停机并对损坏部位进行修复，同时借此机会将厂房与大坝之间的通信系统进行升级改造，以提升电站的运行效益，降低电站运行安全风险。

电站原来的通信系统为架设架空线，敷设光缆和电话线，受自然灾害影响，雨季期间尼泊尔脆弱的通信系统不能保证全天候通信无中断，基站随时有可能停电、停网，架空线也经常被泥石流冲坏，通信系统不能得到保证，不能随时掌握大坝水位水情，给电站带来了极大的安全隐患，随时面临停机检修。根据业主诉求，此次改造将电话系统、监控CCTV 系统以及大坝现地控制单元LCU 同时接入厂房中控室，保证随时监控大坝水位和设备安全。因此，基于业主的技术要求、安全要求及成本预算、现场现有条件等几方面因素考虑，确定此次通信系统升级改造的技术研究方向及目标。

3 通信系统升级改造过程探讨

3.1 现场条件分析

厂房在大坝下游侧3.4 km 处，经度85.926 92°e，纬度27.913 19°n，海拔高度1 377 m；大坝经度85.944 08°e，纬度27.939 43°n，海拔高度1 462 m，处于喜马拉雅山脉，地质差，经常发生泥石流、地震等自然灾害，所以对于选址和设计要求极高。厂房与大坝之间不能直接目视看到，中间山体遮挡，不能选用直线的微波传输，且树木林立，对信号传输影响很大，需对有影响的树木进行砍伐，避免干扰信号传输，当地社会环境复杂，征地困难，故不能选用以前架空线，且架空线容易断，维护费用昂贵且维护困难，自然灾害频发，不能保证在雨季期间的安全，电站机组停机会造成巨大的经济损失。经现场勘测，在距离厂房上游1 km 的河岸对侧山肩处适合设置中继站，经度85.929 57°e，纬度27.921 92°n，海拔高度1 500 m，通过天线传至大坝，中继站位于山肩，电力系统不稳定，若采用有源中继站，需稳定电力，山肩的光照时间不足，如采用光伏发电需配备很大的电池组，增加后期运行维护难度，经过与业主、厂家以及设计沟通，确定采用无源中继站，无源中继站运行维护成本低，安装方便，通信传输效果不亚于普通中继站，能保证电站使用裕度充足，如图1 所示。

图1 现场勘测地形图

3.2 通信系统升级改造内容

目前国内通信系统大多选用光缆等，信号稳定，架设方便，便于维修，国内有庞大的市场，安装费用低，维护容易。但是尼泊尔由于国家地理条件因素，经济落后，当地环境因素和社会因素导致无法使用较方便的光缆传输，通过对比，采用微波传输的方式。中继站由于没有电源供应，采用无源天线，通过波导电缆连接，大坝与厂房之间互相传输数据方向如图2 所示。经设计初步计算，在大坝侧与厂房侧，选用1.8 m 抛物面天线，在中继站选用1.2 m 抛物面天线。中继站为无源中继站，只需要安装中间的波导电缆即可，大坝与厂房侧，通过天线连接ODU，将传输来的微波信号转换为电信号，后连接IDU 将电信号转换为光信号传输给厂房和大坝的中控室，实现对侧数据互相传输，盘柜内设UPS 不间断电源，确保停电情况下无线通信正常运行。

图2 信号传输方向

微波通信系统原理为：在工作时，如大坝数据传输至厂房，由大坝CCTV 监控系统、电话系统、现地控制单元发出数据至大坝侧VPN 服务器，服务器将光信号传输至IDU1,经IDU1 处理为电信号传输至ODU1，通过天线发送8 GHz 频率的无线电信号，转换为微波信号传输至无源中继站，中继站传至对侧天线，对侧天线接收微波信号至ODU2，转换为电信号传至IDU2，经IDU2 转换成光信号传输至厂房，数据传输为实时数据，数据延时30 ms 以内，厂房至大坝同理反向传输，以此实现大坝和厂房之间的通信传输，原理图如图3 所示。

图3 数据传输原理图

VPN 服务器原理：厂房侧VPN（B）网关在接收到大坝侧VPN（A）发出的访问数据包时对其目标地址进行检查，如果目标地址属于大坝侧的地址，即可判定为VPN 数据包，并对该数据包进行解包处理。解包的过程主要是先将VPN 数据包的包头剥离，再将数据包反向处理还原成原始的数据包。从厂房侧VPN(B)返回大坝侧VPN(A)的数据包处理过程和上述过程一样，这样两个网络内的终端就可以相互通信了。通过上述说明可以发现，在VPN 网关对数据包进行处理时，有个参数对于VPN 通信十分重要，即原始数据包的目标地址（VPN 目标地址），它在通信中建立了链接通道，所以需要对整个电站的通信设备进行IP 分配。

需要注意的是，整个系统需要具备在恶劣天气下工作的能力，因为恶劣天气容易发生自然灾害，更加需要实时监测大坝的水情动态以及设备情况，及时发出指令，控制大坝闸门以及启闭机，同时将厂房侧的机组发电数据传输至大坝，以便调整水位，因此需要将天线数据传输裕度调整至最大，保证在恶劣天气以及大风天气下，上传与下载数据传输正常。

3.3 改造安装实施过程

3.3.1 1.8 m 抛物面天线安装

首先根据图纸要求，在选址处浇筑1.5 m×1.5 m×1.5 m 的底座镇墩平台，并且预埋天线支架地脚螺栓，天线安装抱杆直径为Φ114 mm，有效长度大于1 100 mm 的抱杆垂直、牢固地固定在天线安装位置。在抱杆相同的高度上，应有合适的支撑点用于固定天线微调拉杆，防止在极端天气天线方位角发生偏转，造成信号丢失。

天线安装时，应根据安装手册按步骤逐步安装天线，需要注意的是，在天线吊装时，注意天线极化方向，大致方位角等，安装完成后，为了提高天线的抗风能力，及时安装侧向拉杆，并调整天线位置与对侧站方位，如图4 所示。

图4 1.8 m 天线

3.3.2 1.2 m 抛物面天线安装

两台1.2 m 天线设在中继站，一面对向大坝方位，另一面对向厂房方位，安装方法与1.8 m 天线相同，粗略确定方位，根据电路设计，用目测或指北针粗略确定天线的方位，安装完成后做好接地防雷措施，如图5 所示。

图5 1.2 m 天线

4 台天线全部安装完成后，采用全站仪对每组（对应的两个）天线进行方位和仰角定位，通过全站仪模拟天线上下左右4 个边的实际位置，计算对侧应调整的距离，将每组天线粗略定位，简化后续频谱仪调整的步骤，节约安装调试时间。

3.3.3 馈源安装与波导线安装

馈源安装前首先要向当地政府、军队及电信部门报备确定天线极化方向，避免与政府通信冲突，并告知当地政府通信频率以及设备参数，若采用垂直极化，则所有天线都采用垂直（H）极化，反之则采用水平（V)极化，不可采用其他极化方向，通过馈源压块固定，如图6 所示。

图6 天线极化调整

波导线安装时，注意安装极化响应，用螺栓固定，室外安装接头部分缝隙全部填满硅胶，防止进水，波导线安装时需将其固定在支架上，防止大风、地震等灾害。

3.3.4 通信设备安装

由于中继站为无源中继站，不需要安装设备，仅做方位调整，大坝与厂房侧馈源安装后使用低损耗电缆连接馈源与ODU，同样需要在接头处灌硅胶，ODU 与IDU 采用中频电缆连接，中频电缆长度应符合要求，由IDU 输出至VPN 服务器，由服务器对其数据包进行解码，通过检查IP 地址，分别发送到对应的设备。

在通信盘柜内安装48 V 不间断电源，保证在停电期间通信设备正常运行，48 V 电源电池组需保证至少5 h 的容量。

3.3.5 设备调试与试运行

天线调整在大坝与厂房设备安装完成之后，能发送数据时，且在中继站波导线安装之前，使用频谱仪确定天线信号强度，通过调整螺栓调整天线方位并固定，分别将中继站对厂房和大坝侧信号调整至最大，安装波导电缆，全部安装完成后，电测两侧信号，无线电信号电压在3 V 以上，满足通信信号强度，通过厂家对两侧IDU 设备进行内部数据设定，保证数据收发正常。

全部安装完成后，将无线通信连接至厂房电脑，输入win+r →CMD →pin+对侧IP 地址，测试数据收发包有无丢失，并检测信号强度与延时信息，根据信息提示判断通信正常，连接设备，测试电话接打正常，CCTV 监控系统画面正常，无延时，同时运行后，检查系统连续7 d 的性能数据，以及最近3 d 每15 min 的性能数据。这些数据有利于分析微波链路性能的稳定性。

设备在运行期间要定期维护保养，每3 个月要对电池组进行一次充放电测试。室外的通信接头定期检查密封性，保证通信馈源、电缆内部干燥，定期检查通信盘柜内部设备运行状态，定期检查收信电平数值，检查报警信息等。

4 设备使用效果

2021 年9 月下旬，通信系统设备安装调试完成，并通过业主的验收，设备使用正常，发送与接收包正常，基本无延时，2022 年4 月，天气突变，大风9 级以上并伴随冰雹，设备运行检测传输数据收发正常，数据包无丢失，设备延时20 ms，通信传输裕度符合初步设计要求。

无线通信设备自投运半年以来，未发生任何中断现象，给电站运行提供安全保证，保证了大坝与厂房之间通信正常，及时提供水位水情信息。

5 结束语

经过此次对通信系统的应用改造，实现了电站大坝与厂房之间的通信安全，解决了水电站运行过程中的实际问题，取得了相当的经济效益，也避免了停机带来的安全隐患与经济损失，保障了业主的切身利益，对类似水电站及建筑工程存在的类似安全问题具有借鉴意义。