1、黄河宁夏段干流水位自动遥测站设计 陈生俊 王彦兵 李硕 温晓嵘 徐景东 宁夏回族自治区水文水资源勘测局 宁夏渠首管理处 中国水利水电科学研究院水利研究所 摘 要： 水位作为河道水文监测系统中的重要参数, 该数据的准确连续获取对保障河道防洪和航运安全具有重要意义。本研究采用物联网和信息传输技术, 设计了一种新型水位自动遥测站, 在黄河宁夏段干流得到应用, 该水文自动遥测站主要包括雷达水位计、遥测终端 RTU、GPRS 通信模块、太阳能电池板和蓄电池, 系统软件系统包括数据传输方式、采集站编码方法和信息传输网络和数据流程, 该自动遥测站的成功应用为河流水位数据的自动获取提供有效的技术途径。关键词：
2、 水位; 防洪; 雷达; 模块; 引言大型河流的水位数据是水文监测的重要参数, 该数据的准确、便携、实时获取为河道防洪和航运安全提供重大保障, 因此在河道中建立数据监测系统, 对水位数据进行自动实时观测具有重要意义。根据黄河宁夏段干流水情监测系统工程建设规划, 宁夏水利厅建设覆盖黄河宁夏段 397km 干流的全区域水情监测系统。水位自动遥测站建设是黄河宁夏段干流水情监测系统工程建设的重要内容。为了进一步加强黄河汛情、凌情监测的时效性和准确性, 充分发挥自动化建设成果在监测工作中的作用, 提高信息采集、传输、处理和防汛、防凌指挥调度决策的时效性和准确性, 本研究将设计一种水位自动遥测站, 该技术
3、为远距离实时观测干流水位信息, 有效管控干流水情, 提高黄河宁夏段干流水利信息化水平提供重要技术保障。1 水位自动遥测站的设备组成水位自动遥测站设备由水位计、遥测终端 (RTU) 、无线通信模块、太阳能电池板、蓄电池、充电控制器、避雷设备等组成, 本期工程需建设水位测站 14 处, 均为水位视频一体化测站, 其中新建 13 处, 更新原何营测站水位计设备 1 处。水位自动遥测站的设备构成示意图如下图 1 所示。图 1 水位自动遥测站的设备组成及结构图 下载原图为提高系统的可用性, 水位采集设备采用独立于视频系统之外的太阳能供电系统, 水位采集设备与视频系统从传输体制、供电设施上均相互独立并互为
4、补充。2 水位自动遥测站设备配置及性能指标2.1 设备配置每处水位自动遥测站单站设备配置如下表 1 所示:表 1 水位自动监测站单站设备配置表 下载原表 2.2 主要设备性能指标(1) 雷达水位计工作频率:26GHz;量程:030m;精度:3mm;分辨率:1mm (全量程) ;测量原理:脉冲式;发射角度:12;模拟信号输出:4-20m A;数字信号输出:RS485;传感器保护:喇叭天线 (40mm) ;供电电压:24DCV;工作功耗:0.5W;工作温度:-4080;防护等级:IP68;无盲区;天线结构:密封天线;接口方式:RS-232、RS-485。(2) 遥测终端 RTU根据需要工作制式可设
5、定为自报式、查询-应答式或兼容式;具备定时报、超限加报功能;可以发送人工置数数据;具备本地和远程修改配置参数的功能;具有本地和远程提取固态存储数据功能;具有自动校时功能;支持 PSTN、以太网、GPRS、CDMA、SMS、超多波等通信方式 (任选) , 可具有多信道自动切换功能。遥测终端机可以通过 GPRS/GSM/CDMA 方式进行通信组网, 也可通过短波、超短波、微波、3G、卫星通信等方式进行通信组网, 具有一站多发功能, 可同时支持发送 4 个接收端。具有标准的 RS-485 接口和 RS-232C 接口的设备, 具有 2 路开关量输入。具有自报、应答、自报加应答三种工作模式, 可定时自
6、动唤醒, 以完成定时测报、响应中心站提取固态存储数据和修改参数等指令, 支持远程诊断和管理。可配置的系统参数包括:可现场或远程修改站址、发送工作参数、报送时段制、水位基值、雨量初值、另一处接收地址等参数。具备数据现地存储功能。终端机内置大容量存储器, 同时外置 SD 卡。固态存储器的存储容量不小于 8MB, 可存储 3 年以上的数据, 并提供数据过滤、查询功能。RTU 必须同时支持 PC、PDA 和人工置数器, 可发送人工观测数据, 可现地显示测站状态、蓄电池电压、时间及水雨情数据等。遥测终端 RTU 的数据统一传输到宁夏水利数据中心统一遥测平台中, 通讯协议必须符合 (SL-SZY206-2
7、012) 国家水资源监控能力建设项目标准水资源监测数据传输规约或 (SL651-2014) 水文监测数据通信规约的要求, 并由水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心进行符合性测试, 提供全项目合格检验报告;且测试合格功能码项目数 ASC码、HEX 码为 30 (以测试中心网站上公布的为准) , 所提供的 RTU 站址必须支持 8 位测站编码, 能够满足宁夏水利数据中心统一遥测平台的接入要求。(3) GPRS 通信模块性能参数工作频率:支持双频 GSM/GPRS, 符合 ETSI GSM Phase2+标准;协议:支持 TCP/IP, 支持标准 AT 命令集;发射功率:2W (900M
8、Hz) /1W (1800MHz) ;功耗 (m A12V) :140m A (工作) , 25m A (空闲) ;电源:+3.3V+26V;频率误差:0.1ppm;电压范围:DC5V35V;数据接口:DB9 RS-232/485;工作温度:-25+60;湿度范围:095%, 非冷凝;支持中国移动 WMMP M2M 协议;具有防病毒、攻击和死机复位功能;采用超低功耗高性能的嵌入式处理器;内嵌看门狗、不死机、掉线自动恢复;提供用户设置软件、开放接口、方便其他软件连接;永远在线。一旦加电运行, 即可自动进入数据通信状态并一直保持;工业级品质保证、性能稳定可靠;断线自动重拨, 网络异常检测;GPRS
9、 远程在线设置和短信息远程设置功能。(4) 太阳能电池板峰值功率:40W;工作电压:17.5V;工作电流:2.29A;开路电压:21V;功羞:+3%/-3%;短路电流:2.31A;二极管:10A;接线盒类型:通过 TUV 认证的接线盒;绝缘系数:100Mohm;击穿电压:DC3000V;抗风力系数:60m/s (200kg/sq.m) ;转换效率:15.25%。短路电流温度系数:0.05%;开路电压温度系数:-0.33%;功率温度系数:-0.23%;工作电流温度系数:+0.08%;工作电压温度系数:-0.33%;环境温度:45 () 。(5) 蓄电池 (太阳能专用电池) 电池容量不低于 65A
10、h, 12V, 胶体蓄电池, 免维护。海拔高度 4000m 以下均可使用;环境温度:-20-+50 (最佳使用环境温度+20-+30) , 相对湿度90%;电池应远离火源、有机溶剂, 避免阳光直晒、同组电池使用环境温度一致;蓄电池浮充工作寿命大于 5 年;均充电压:14.28-14.52V/unit;最大充电电流:C10A 的 20%。容量:要求连续 10 天无充电设备正常工作;为阀控式密封铅酸蓄电池, 可充电、免维护;蓄电池技术标准符合国家有关规范, 采用优质阻燃材 ABS槽壳;端子:M8L 型。3 数据报送和信息传输3.1 数据报送方式目前国内的水文水资源信息采集系统通常采用的数据报送方式
11、有自报式、应答式, 自报/应答兼容式三种。(1) 自报式自报式分为定量和定时自报两种方式, 这类报送方式的原理是当采集站在水位等参数发生一定量的变化或达到一定的时间间隔时, 把采集数据发送出去, 其遥测终端结构相对简单, 值守功耗极低, 对遥测站附属设施如供电和发射设备要求较低, 适合采用太阳能浮充蓄电池的供电方式。(2) 应答式这类工作体制的原理是采集站在水位等参数发生变化时不主动将被测值传送给中心站, 只有当中心站发出查询命令时, 才将即时或存储的被测参数值采集、发送出去。这种工作方式具有可控性, 但接收机长期处于守候状态, 因此值守功耗相对较大, 设备配置较复杂。(3) 自报/应答兼容式
12、综合了自报和应答两种工作体制的优点, 既能实时自报, 又具有受控应答功能, 功能相对较强、通信保障好, 但功耗相对较大。按照水文自动测报系统 (SL61-2013) 、水文情报预报规范 (SL250-2000) 及水情信息编码标准的有关规定, 本系统采用定时自报, 时段自报, 增量自报和召测兼容的工作方式, 对人工置数信息要有反馈确认的功能。综合上述三种方式的优点, 要求系统能够定时自动向中心站报送数据, 又能在黄河水位突变或达到警戒水位情况下, 根据中心站指令, 主动增加传送数据频度。因此, 本系统采用自报/应答兼容式数据报送方式, 采用 GPRS 方式传输, 正常情况下按每 5 分钟上报一
13、次数据的方式运行, 凌汛或洪水易发期间远方调度侧可设置上报频率。3.2 采集站编码为了规范信息系统对采集站的信息管理, 同时方便管理单位对所辖测站的日常维护管理, 需要对每个采集站进行统一编码。根据全国水文测站编码规范, 本系统采集站编码规则按照“从上至下, 先干后支, 先左后右”的原则进行编码, 与水利厅保持一致, 便于测站扩充。测站编码要具有唯一性, 由数字和大写字母组成的 8 位字符串。3.3 信息传输网络和数据流程(1) 根据黄河干流水情监测系统现状, 并结合宁夏水利信息化系统的整体建设模式, 本系统拟采用大集中式数据流程。每个采集站采集数据后全部发送到数据中心, 存储到数据中心数据库
14、, 然后再分发给各管理用户。(2) 水位自动监测站点实时数据通过 GPRS/GSM/CDMA 无线网络发送至水利厅数据中心数据库和宁夏水情中心。(3) 视频监测站点实时数据通过光纤传送至宁夏水利厅数据中心视频监控平台, 图像抓拍监测站视频图像通过 4G 网络传输至宁夏水利厅数据中心视频监控平台, 水情中心及各分局通过水利专网进行访问。4 结束语本研究设计了一种新型水位自动遥测站, 在黄河宁夏段干流应用, 该水文自动遥测站主要包括雷达水位计、遥测终端 RTU、GPRS 通信模块、太阳能电池板和蓄电池, 同时分别介绍了数据传输方式、采集站编码方法和信息传输网络和数据流程, 该自动遥测站的成功应用为
15、河流水位数据的自动获取提供有效的技术途径。参考文献1黄伟, 郝润科, 尹刚, 等.水位自动监测系统的研究与设计J.电子科技, 2015, 28 (4) :65-68. 2马福昌.水情动态监测新技术J.山西水利, 2005 (1) :32-34. 3郝迎吉.远距离水位智能监控系统的研究与实现J.仪器仪表学报, 2004 (1) :809-812. 4葛司远, 侯震.高清视频处理技术对水库水位远程自动监测系统应用J.水科学与工程技术, 2015 (1) :15-19. 5战需文.水文自动测报系统太阳能供电的设计J.水利水文自动化, 1988 (04) :6-9. 6张大钧, 徐卫东.水文遥测系统的供电设计J.水文, 1988 (02) :32-37.
