寒区水库水情自动测报系统的推广应用

刘 宇，胡宝军，于 爽

（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔161005）

1 项目概况

1.1 项目由来

尼尔基水利枢纽水情自动测报系统站网覆盖面积大，遥测站点分布不十分均匀，并且多建于无人区、湿地和林区内，道路崎岖、维护难度大；测站设备频繁拆卸安装，一定程度上影响设备的稳定性。基于上述原因，嫩江尼尔基水利水电有限责任公司（以下简称尼尔基公司）着手筹建水利部科技推广计划项目——寒区水库水情自动测报系统的推广应用项目（以下简称寒区推广项目）。

1.2 项目简介

寒区推广项目应用于尼尔基水利枢纽，示范区域推广使用南京南瑞集团公司和成都国星通信有限公司生产的水情自动测报系统软硬件产品，该系统是集现代通讯技术、信息化技术和计算机技术为一体的水文监测新技术，其特点是不受恶劣自然气候和地形限制，能够及时准确将水雨情信息进行实时传送。

寒区推广项目解决了设备在北方严寒地区野外越冬问题，实现了严寒地区设备常年运行，达到无人值守、少人维护、提高运行维护效率、减少运行维护费用的目的，为高寒地区其他大型水利枢纽水情自动测报系统越冬维护提供经验和技术支撑。

2 项目建设的主要内容

寒区推广项目于2011年1月开始，2013年6月结束。建设高寒地区水情自动测报系统，进行设备在冬季野外极寒条件下的应用检验，全面详细地检测设备的运行状态，针对出现的问题，提出改进意见。经过试验论证设备能否在极寒的条件下正常工作。

3 技术措施

为使寒区水库水情自动测报系统达到无人值守，少人维护的目的，减少春季安装和秋季拆卸的维护环节，节约维护费用，对遥测站设施设备采取了防潮、防冻、节能供电等方面技术措施，保证了遥测站设备常年安全稳定运行。

3.1 防潮措施

寒区推广项目在安装过程中，对法拉第筒和设备机箱（筒）均加设了密封胶圈，对出入外筒及设备机箱（筒）的数据线、电源线的接口处均做了密封技术处理，避免了水汽在筒内对流凝结，保证了设备在密封、干燥的环境下运行。对设备采用防潮措施，保证了设备运行的稳定性。

3.2 防冻措施

寒区推广项目遥测终端机采用南京南瑞集团公司生产的具有抗低温功能的ACS300MM设备，通过加大法拉第筒填埋深度，起到了保温防冻的作用，解决了设备在寒区防冻问题。

3.3 其他措施

寒区推广项目遥测终端机采用微功耗元器件，设备采用省电模式，采用每日两段制报文发送，极大地减少了能源消耗；遥测站采用免维护防冻蓄电池供电，比普通蓄电池电压更具稳定性；系统采用太阳能电池板对蓄电池进行充电，保障了系统的供电能力。

4 技术分析

2011和2012 年，本项目所属的10套遥测站设备冬季运行状态良好，多次巡视检查过程中均未发现设备冻损现象。通过中心站软件，提取该项目所属10个遥测站20个月的数据进行分析，遥测设备通过了应用考验，充分体现出设备的优越性能。系统各项技术指标正常，运行稳定、可靠，满足规范要求。

4.1 系统通畅率分析

寒区推广项目系统采用单一的卫星通讯组网，遥测站采用自报-确认式工作方式。采用作业完成率的计算方法统计月通畅率。截至2013年2月28日，系统运行时间为20个月，共接收实时数据信息（平安报）11 571条，应来12 180条，系统平均通畅率为95%。通畅率指标达到水利部SL61-2003《水文自动测报系统技术规范》要求，系统运行稳定。

4.2 系统可靠性分析

设备可靠性用平均年故障率和平均无故障工作时间MTBF来衡量。截至2013年2月28日，10个遥测站共运行609 d，14 616 h。所有遥测站没有出现设备和通信故障。系统故障率为0，平均无故障工作时间为10年。满足规范要求，运行稳定可靠。

4.3 系统设备极寒条件下工作状态分析

系统设备经过近2年的应用考验，经受了约-40℃的极寒温度（2011年加格达奇气象站年最低温度-37.7℃），设备无冻损现象发生。提取了系统所属的10个测站、20个月的运行状态参数（温度和电压），分别制作了月最低温度、月最低电压过程线图，如图1，2所示。

4.3.1 温度

该项目系统设备工作环境温度范围在-35～70℃，从月最低温度过程线图可以看出（见图2）：

1）遥测站筒内的最低温度明显高于加格达奇气象站实测的最低温度（参考加格达奇气象站2011年最低气温资料），夏季明显偏低，体现了法拉第筒冬暖夏凉的特点。

2）设备试运行期间，法拉第筒内最低温度只有-25℃，抵御了至少-37.7℃的低温，用温度差进行衡量，筒保温作用为12.7℃。2011年、2012年冬季遥测站巡检时，实测筒内外温度差，平均温度差为12.5℃，两证数据吻合，证实了筒的保温效果的准确性。设备最低工作温度-35℃，加上筒的保温作用，系统可以抵御近-50℃的极寒天气。

图1 遥测站采集设备月最低温度过程线图

4.3.2 蓄电池电压

寒区推广项目设备具有低功耗的特性，可以在无交流电环境下连续工作；静态功耗不大于50 uA@12 Vdc；工作功耗不大于100 mA@12 Vdc图1，2分析可以得出：1）设备工作最低电压冬季与夏季的变幅很小（约1 V），最低电压为12.9 V，满足设备工作电压要求（见图2）。2）电压受温度影响较大，冬季温度低，蓄电池放电不充分，数值较低，两过程线相背离；春季温度回升，电压过程线上涨，两过程线相靠近；夏季，降雨多，设备发送数据功耗大，太阳能浮充但时间短，过程线有升有降，大体呈下降趋势。电压过程线在温度、太阳能充电、雨季设备功耗等多因素共同影响下，形成周期性的升降变化（见图3）。

图2 遥测站采集设备月最低电压过程线图

图3 罕诺河站5日平均温度和电压对比过程线

4.4 系统全年运行的优点

2011，2012 年遥测站全年运行，春季，雨量站4月中下旬开始发送雨量数据，汛末一直可监测雨量至11月初，每年至少多接收2个月的雨量数据，为春汛预报、枯季径流预报积累了宝贵的雨量资料，为抗旱调度奠定了坚实的基础。

2013年冬天，系统接入全天候雨雪量计，运行状态良好，实现了无人值守雨量站全年自动监测降水。

5 技术成果及考核指标

经过两年多的实践证明，在北纬52°以南地区，寒区水情自动测报系统冬季运行状态完好，雨季运行指标正常。寒区推广项目实施后，解决设备野外越冬这一难题，减少冬季拆收春季安装维护这一环节，每站每年减少运行维护费用约0.30万元，每站减少看护人员1名，每年减少看护费用约0.50万元，每站每年可节约0.80万元。

初步统计，包含尼尔基测报系统在内的4家单位应用此项成果，测站数量约200个。每站每年按0.80万元统计计算，5年可节省费用800万元。此项成果在保温措施上继续加以改进，将会在北方推广至北纬55°。

6 存在的问题及对策

1）此项目通讯方式采用单一的北斗卫星通讯信道，没有备用信道，客观上存在通讯安全问题。北斗卫星是我国自主研发的，通讯保障率高，但也存在信号碰撞因素。条件允许的地区，可采用短信、卫星双信道或双卫星信道。

2）冬季时常出现极端低温天气，裸露在外的通讯电缆极其脆弱，容易发生折断，给冬季设备检查带来不便。遥测站普通电缆，可更换防冻电缆，每站设备均外加一根数据维护专用的防冻网线，可在设备不拆卸的情况下，通过此数据线读取设备参数。

3）随着设备位置纬度逐渐升高，冬季极低气温和最大冻土层厚度均有所增加，对设备在极端环境下生存是个重大考验，做好设备及蓄电池的防冻工作显得至关重要。寒区水库项目继续向北纬52°以北地区推广，加大法拉第筒高度以及筒的埋深（埋深至少达到2 m），可以提高设备本身的抗低温能力，增强设备保温措施，提高防冻效果。

7 结 语

寒区推广项目建成后，经过了2011和2012年两个冬季的运行检验，系统运行稳定，在2013年嫩江超50年一遇特大洪水中，雨情信息提供及时准确，为尼尔基水库防洪调度提供了信息保障，为寒区水情自动测报系统建设提供了经验，经济效益和社会效益显著，在北方寒冷地区起到了示范推广作用。

［1］SL61-2003，水文自动测报系统技术规范［S］.