曹坤

摘要：烏溪江水電廠水情自動測報(bào)系統(tǒng)在電廠日常運(yùn)行調(diào)度中地位舉足輕重，保證其可靠穩(wěn)定運(yùn)行更顯得尤為重要。通過對GPRS和超短波中繼站的改造，降低能量消耗，提高數(shù)據(jù)精度，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)，充分發(fā)揮水情自動測報(bào)系統(tǒng)防汛調(diào)度作用。

關(guān)鍵詞：GPRS；超短波；中繼站；水情自動測報(bào)系統(tǒng)

引言

我國的水情自動測報(bào)系統(tǒng)從70年代末起步，并在1986年引入烏溪江水電廠（下簡稱烏電），從半人工發(fā)報(bào)到現(xiàn)在的無人自動測報(bào)系統(tǒng)的建立，已經(jīng)伴隨烏電走過了30年的風(fēng)雨歷程。在目前流行的超短波通信、PSTN、衛(wèi)星通信、GPRS、GSM等中，烏電使用的是超短波通信和GPRS兩種。由于超短波通信是一個(gè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，不借助全球定位系統(tǒng)和通信衛(wèi)星，不受外部條件的制約，因而使用最為廣泛，同時(shí)也成為烏電水情自動測報(bào)系統(tǒng)的主要通信方式，而GPRS作為超短波通信的一種備用通信。通過對水情自動測報(bào)系統(tǒng)改造，保證中繼站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，充分發(fā)揮水情自動測報(bào)系統(tǒng)的防汛作用。

一、改造背景

黃壇口壩址以上控制流域面積2388平方公里，流域多年平均降雨量為1770毫米，水情自動測報(bào)系統(tǒng)根據(jù)水情需要分別設(shè)有11個(gè)雨量站，3個(gè)水文站，6個(gè)水位站，3個(gè)中繼站。各測站每天發(fā)送定時(shí)數(shù)6個(gè)，水位變化每5厘米發(fā)一次，雨量變化每1毫米發(fā)一次。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)GSM短信模式和超短波中繼雙電臺模式，短信和超短波每站每年各發(fā)送兩千次左右，每個(gè)中繼站需要轉(zhuǎn)發(fā)達(dá)到四萬多次，能量消耗大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度卻并不高，并且系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本高。

二、超短波中繼站改造

超短波傳播具有視距傳播特性，即電磁波沿直線傳播，而地球表面是個(gè)曲面，因此若在通信兩地直接通信，且天線架高有限，當(dāng)通信距離超過一定數(shù)值時(shí)，電磁波傳播將受到地面的阻擋，要想傳播得更遠(yuǎn)，就必須依靠中繼站轉(zhuǎn)發(fā)，因而中繼站是水情自動測報(bào)系統(tǒng)的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以提高中繼站的可靠性尤為重要。

超短波通信系統(tǒng)由終端站和中繼站組成。終端站裝有一部電臺和天線。中繼站則有通達(dá)兩個(gè)方向的電臺，以及相應(yīng)的天線。烏電中繼站共3個(gè)，中心站1個(gè)，分別是大風(fēng)嶺中繼站、茶園中繼站、湖南鎮(zhèn)中繼站和基地中心站。中繼站承擔(dān)了轉(zhuǎn)發(fā)各個(gè)測站的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，每年轉(zhuǎn)發(fā)幾萬數(shù)據(jù)，能耗大，讓蓄電池經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。到了汛期，連續(xù)數(shù)月的陰雨天，為保證安全度汛都要提前更換電池，更換難度大，同時(shí)費(fèi)用高。在環(huán)境無法改變的情況下，通過降低設(shè)備能量消耗，延長電池使用時(shí)間，從而提高中繼站的可靠性。

過去設(shè)備超短波電臺頻率設(shè)定，普通測站設(shè)為1頻道，大風(fēng)嶺中繼站設(shè)為4頻道接收和2頻道發(fā)送，湖南鎮(zhèn)中繼站5頻道接收和3頻道發(fā)送，中心站設(shè)置為6頻道接收。

烏電中繼站使用的蓄電池容量為100安時(shí)，電壓12V。電臺發(fā)數(shù)功率為50W，上電延時(shí) 100毫秒，待機(jī)電流100毫安，保持正常工作電池電壓必須大于11V。

通過計(jì)算由此可以得出：P=12V*100A=1200W=1.2KW

按照使用兩部電臺，并且同時(shí)提供GPRS電量的情況下，中繼站蓄電池可以保持3個(gè)月左右的穩(wěn)定電量。經(jīng)過研究將3頻道接收頻率由原來的163.65改為2頻道163.6成功解決了雙電臺的問題，普通測站用2頻道發(fā)，小中繼用3頻道，大風(fēng)嶺中繼用5頻道，中心站用6頻道，用1頻道與4頻道通話。測站通過2頻道發(fā)送數(shù)據(jù)到大風(fēng)嶺5頻道，再通過5頻道發(fā)送至小中繼3頻道，最后發(fā)往中心站，由于不成對，所以無法進(jìn)行通話只能單向傳送數(shù)據(jù)。這樣一來中繼站只需要一部電臺就可以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少接近一半的能源損耗，完全能夠保證中繼站在沒有太陽能的條件下正常工作6個(gè)月，增強(qiáng)了水情自動測報(bào)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)節(jié)省了大量的人力物力。

三、GSM模塊改造

GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊電路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。GSM模塊根據(jù)其提供的數(shù)據(jù)傳輸速率又可以分為GPRS模塊、EDGE模塊和純短信模塊。

改造前，烏電水情系統(tǒng)使用純短信模塊，短信模塊只支持語音和短信服務(wù)，訪問速率也僅有9.6kbps，再加上工作于原始森林深處，存在傳輸數(shù)據(jù)速度慢，短信費(fèi)用相對較高。在考慮到經(jīng)濟(jì)性，水位站只能設(shè)置為相對較高的5公分變化，這就給水位變化的時(shí)效性、準(zhǔn)確性相對滯后。GPRS的傳輸速率從56K到114Kbps不等，理論速度最高達(dá)171k。GPRS模塊區(qū)別于傳統(tǒng)的純短信模塊，相對于短信模塊的訪問速度而言，GPRS擁有更快的訪問數(shù)據(jù)通信速度，GPRS技術(shù)還具有在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)連接，永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)。GPRS模塊就是一個(gè)精簡版的手機(jī)，集成GSM通信的主要功能于一塊電路板上，具有發(fā)送短消息、通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋PRS模塊相當(dāng)于手機(jī)的核心部分，如果增加鍵盤和屏幕就是一個(gè)完整的手機(jī)。普通電腦或者單片機(jī)可以通過RS232串口與GPRS模塊相連，通過AT指令控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)各種基于GSM的通信功能。提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，更準(zhǔn)確和穩(wěn)定，水位變化可以調(diào)整到每變化1公分發(fā)數(shù)一次。

同時(shí)增加了藍(lán)牙模塊，調(diào)試只需要攜帶手機(jī)即可，擺脫了必須通過電腦來調(diào)試設(shè)置的問題，減輕了負(fù)重。

在能耗方面，GPRS模式等待電流特別小，小于10微安。增加了GPRS上線檢測功能，一旦檢測到數(shù)傳儀的GPRS穩(wěn)定在線，即進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，進(jìn)一步減少運(yùn)行的時(shí)間，降低功耗。

采用GPRS模式，僅用6V電池供電，購買太陽能電池板的瓦數(shù)減少一半，蓄電池的體積減少一半，大大減少購買太陽能電池板與蓄電池的成本。數(shù)傳儀的外殼里裝有10安時(shí)的鋰電池，該電池充滿電，用于水位、雨量站每五分鐘發(fā)一個(gè)數(shù)可運(yùn)行半個(gè)月，因此須接太陽能電池板，實(shí)際上遙測數(shù)傳儀可以不用太陽能電池板，以免安裝的煩惱與破壞景觀。可只用蓄電池，1個(gè)100安時(shí)的6V蓄電池測站五分鐘發(fā)數(shù)一次可運(yùn)行一年。

四、結(jié)語

烏溪江流域面積廣，系統(tǒng)維護(hù)難度大，通過對系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的改造，降低能量消耗和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠性，充分發(fā)揮了超短波通信和GPRS通信的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下可持續(xù)性大大提高，成功肩負(fù)起水情自動測報(bào)系統(tǒng)在水電廠運(yùn)營過程中的重要使命。

參考文獻(xiàn)：

[1]漆凌云.提高超短波中繼站可靠性的經(jīng)驗(yàn)和體會.水電自動化與大壩監(jiān)測，第28卷第1期.

[2]黃勇峰.介紹幾種超短波中繼站信號干擾分析及解決方法.水利水文文化，2007年第四期.endprint