整理水情自动测报系统设计大纲.docx

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整理水情自动测报系统设计大纲

FCD11040FCD

水利水电工程初步设计阶段

水情自动测报系统设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1996年3月

水电站初步设计阶段

水情自动测报系统设计大纲

主编单位:

主编单位总工程师:

参编单位:

主要编写人员:

软件开发单位:

软件编写人员:

勘测设计研究院

年月

目次

1.引言4

2.设计依据文件和规范4

3.基本资料4

4.设计原则6

5.设计工作内容与方法6

6.应提供的设计成果18

附录A通信电路设计的主要内容19

附录B应用软件模块目录23

附录C水情自动测报系统总体设计报告编写提纲24

1引言

本工程是以为主，兼顾的综合利用工程。

属等工程。

工程位于（省）县村（镇）。

工程总装机容量MW，多年平均发电量亿kW.h。

正常蓄水位m，校核洪水位m，死水位m，水库总库容亿m3。

2设计依据文件和规范

2.1有关本工程的文件

可能有的文件：

（1）流域规划报告及其审查意见；

（2）预可行性研究报告及其审查意见；

（3）可行性研究（初步设计）报告及其审查意见；

（4）水文、水库运行报告；

（5）其他。

本工程有上述的等项。

2.2设计规范

（1）SL44-93水利水电工程设计洪水计算规范；

（2）SD138-85水文情报预报规范；

（3）SL61-94水文自动测报系统规范；

（4）DL5020-93水利水电工程可行性研究报告编制规程；

（5）DL5021-93水利水电工程初步设计报告编制规程。

2.3参考规范或规定

（1）水电厂通信设计技术规定；

（2）能源部、水利部水利水电规划设计总院（89）水规规字第74号文：

新建大、中型水利水电工程设计中水情自动测报系统设计的几点意见；

（3）水利水电工程水情自动测报系统设计规定。

3基本资料

3.1流域资料

3.1.1自然地理

工程位于江（河）上。

江（河）发源于山脉（岭）。

流域面积km2。

坝址以上集水面积km2，占流域总面积的%。

3.1.2水情及现有测站

全流域多年平均降水量mm，年径流总量亿m3。

江（河）洪水一般多发生在月份，造成江（河）流域大范围降水的天气系统主要为雨。

坝址处多年平均流量m3/s，实测最大流量m3/s，实测最小流量m3/s。

流域内现有水情测站见表1。

表1现有水情测站

水系

河名

站名

站别

集水面积km2

设站日期

东经

北纬

位置

高程,m

备注

注：

站别包括水文站、水位站、雨量站、蒸发站、水库站等。

对于现有水情测站，除收集表1所列项目外，尚应收集典型暴雨一次降水量、降雨强度和1、3、5日降水量分布图；各水文站间的洪水传播时间、典型暴雨降雨终止到预报站出现洪峰的时间；各水文站的最高、最低水位、最大流量、最大流速；连续降雨的最多天数和与之相应的最少日照时数，雷电情况等。

3.1.3已建工程

流域内已建大、中型水利水电工程见表2。

表2已建水利水电工程

工程

名称

工程所在河流

名称

工程

地点

控制集水

面积,km2

总库容,

亿m3

库区面积

km2

水库调节

性能

备

注

注：

同时收集水库运行方式、泄流曲线、堤防防洪标准等资料

3.1.4现有电信台站

流域内及邻近流域现有电信台站见表3。

表3现有电信台站

站名

站别

高程,m

东经

北纬

位置

交通条件

防雷措施

接地电阻,Ω

备注

注：

站别包括微波站、雷达站、电视差转台、高山气象站等。

3.1.5已建自动测报系统的工程

流域内已建水情自动测报系统的工程见表4。

表4已建自动测报系统的工程

工程

名称

预报

方案

预见期

d

系统组成，个

通信

方式

组网

方案

工作

体制

备

注

中心站

中继站

遥测站

注：

（1）通信方式有短波通信、超短波通信、卫星通信等；

（2）工作体制包括自报式、应答式和混合式。

3.1.6区域地形图

地形图的比例尺一般不宜小于1/50000。

3.1.7社会经济

（1）建制镇；

（2）交通和通信情况；

（3）历史洪涝灾害及其损失程度。

3.2工程特性资料

见第1章。

还应深入了解本工程水库运用情况及其对测报系统的要求。

3.3水情自动测报系统规划报告初拟方案

包括拟定的系统主要功能、预报方案和初拟的系统规模、工作体制、通信方式等。

3.4调查与测报系统有关的设备资料

与测报系统有关的设备资料、型号、性能、硬软件配置、接口的技术要求和价格。

4设计原则

4.1应深入调查研究，精心设计，积极慎重地采用新技术，使设计的系统实用、可靠、经济、技术先进、便于建设和维护管理。

4.2应充分利用原有测站的水情、雨情资料、站网布设应在原有站网基础上，根据水情预报要求，适当增补和调整站点。

4.3应充分利用已建水情测报系统，并注意与有关测报系统在站网布设、通信方式和组网方案以及系统工作体制等方面的相互衔接协调。

5设计工作内容与方法

提示：

本阶段设计工作是在工程预可行性研究阶段所编制的水情自动测报系统规划专题报告的基础上开展工作的。

内容是总体设计。

为此应进行现场查勘和必要的调查研究，补充收集满足总体设计的有关资料。

本章涉及开展总体设计的主要工作内容、原则和方法。

5.1确定测报系统的功能要求和主要技术指标

5.1.1测报系统的功能与选择原则

5.1.1.1测报系统的基本功能与辅助功能

（1）基本功能

1）遥测功能

限于目前仪器设备水平，只有对水位、雨量、温度、闸门开度能实现传感器自动遥测；

对于其他水情要素，如流量、蒸发等需人工采集后置数传输。

2）数据处理功能

数据处理必需具备的功能有：

−实时接收遥测站数据，并能进行检错、纠错和插补缺测数据；

−数据分类，格式化处理，建立数据文件或数据库；

−查询、检索数据，显示流域特征及实时水情图（表）；

−水情预报作业；

−预报成果输出。

可增加的数据处理功能：

−接收、处理水情电报和其他测报系统传送的数据和资料，通过电文翻译和数据格式转换，并纳入本测报系统的数据库；

−向有关部门传送水情预报成果或有关数据；

−接受、处理测报系统的监测、监控信息；

−进行水库调度和闸门启闭控制

3）接收与传输功能；

4）预报功能。

（2）辅助功能

1）监控功能

包括：

−水情要素越限告警；

−设备事故告警；

−遥测站电源电压监测告警；

−遥测站校正时钟、开关机。

2）通话功能。

5.1.1.2功能选择原则

（1）必须具备测报系统的基本功能；

（2）对于辅助功能，应根据工程环境条件、对测报系统自动化和可靠性的要求程度，以及投资、设备条件等因素综合比较分析确定。

5.1.2测报系统的主要技术指标及选择原则

5.1.2.1主要技术指标及规定

（1）响应速度

完成一次全部水情要素的收集、处理和预报作业的时间不宜超过20min，

（2）测报系统的测报精度

1）水文要素采集精度，应达到表5规定。

表5水文要素采集精度

水文要素

采集分辨率

允许误差

测试条件

备注

雨量

0.5mm

≤±4%

年雨量

<800mm

1.0mm

≤±4%

年雨量

≥800mm

水位

1.0cm

2cm

水位量程

≤10m

2～3cm

水位量程

10～15m

3cm

水位量程

>15m

闸门开度

≤1cm

≤±3%

以垂直开度计算

气温（水温）

0.1℃

≤±3%

2）水情预报主要方案的合格率应不小于70%，或确定性系数应大于0.70。

（3）系统的可靠性指标

1）遥测站、中继站和中心站单站设备的无故障工作时间（MTBF）应大于5000h；

2）一般遥测站至中心站数据传输的月畅通率应大于90%，重要遥测站数据传输的月畅通率宜大于99%，误码率均不应大于1×10-4；

3）水情自动测报系统设备的有用度应大于90%，在大暴雨时，水情自动测报系统应不中断预报作业。

（4）测报系统设备正常工作指标

测报系统设备在表6所列条件时应能正常工作。

表6设备正常工作环境

设备名称

气温，℃

相对湿度，%

中心站设备

+5～+40

≤90

遥测站、中继站的室内设备

－10～+45

≤90

遥测雨量站的传感器及室外设备

0～50

≤95

遥测水位站的传感器及室外设备

－10～50

≤95

5.1.2.2主要技术指标的选择原则

（1）所选技术指标应满足5.1.2.1款的规定；

（2）若限于条件，部分指标达不到规定要求时，应进行论证并报请《水情自动测报系统设计规定》的审批单位批准。

5.2初步编制水情预报方案，基本确定站网布设

5.2.1初步编制预报方案

（1）编制预报方案的工作内容

1）明确预见期及预报要素；

2）明确预报范围；

3）选择预报方案；

4）选择预报模型；

5）对编制的预报方案进行评定或检验。

（2）编制预报方案的原则

1）编制水情预报方案的水文资料应具有代表性和可靠性，资料系列不宜少于10a，并包括有大暴雨洪水年、平水年和枯水年的资料，未经审核的资料不能作为依据；对于降雨径流预报方案，宜采用不小于1/50000的地形图作为量算集水面积的依据；

2）水情预报范围，一般仅编制闸坝处的预报方案。

当工程建成后，有可能发生坝址洪水与入库洪水差异较大时，宜分别编制上游入库控制断面以及入库与坝址区间的洪水预报方案；对于梯级工程，一般仅编制已建水情测报系统的工程与本工程区间的水文预报方案，若上游工程未建水情预报系统，而且水库调度由本工程负责，才同时编制上游工程的预报方案；

3）应合理配置水文预报方案，对暴雨中心在流域上、中游的工程，可采用降雨径流预报与河系水位（流量）预报结合的方案。

对于大流域（特别是长条形流域），宜采用长、短预见期组合的预报方案；

4）水文预报的预见期应根据工程运行的要求和测站的测报条件，以及流域产汇流特性综合分析确定，对于梯级工程，上、下梯级应该协调；

5）水情预报模型应符合流域的水文规律、站网条件并便于操作。

模型的选用，主要依据合格率的高低，对于梯级工程，上、下梯级也要协调；

6）对预报方案的评定，应以预报的全部点据的合格率为准；重点评定洪峰流量和峰现时间的合格率；应重视利用对工程威胁较大的大洪水资料检验预报方案。

5.2.2基本确定站网布设

5.2.2.1站网组成、工作内容和原则

（1）站网组成

水情自动测报系统的站网由中心站与遥测站组成。

遥测站包括水文（位）站、雨量站、气象站、库坝区水位站以及出库控制站等。

根据对雨洪的控制性和测报项目在预报中的作用，遥测站分为重要遥测站和一般遥测站。

（2）站网布设的工作内容

1）规划遥测站网；

2）选定站址；

3）确定遥测项目、量程和精度。

（3）站网规划的一般原则

1）能反映测报系统覆盖范围雨情和水情的变化；

2）满足水情预报要求；

3）尽量利用现有测站，测站应力求精简；

4）便于通信组网；

5）便于系统的建设和维护管理；

6）为满足水文预报方案的扩展和可靠性要求，可适当增加遥测站数目，但冗余度应小于10%；

7）水位雨量遥测设施宜布设在现有人工观测设施附近，并应进行对比观测，时间不少于一年。

5.2.2.2站址选择

（1）遥测雨量站的选择方法

1）对现有雨量站密集的地区，可通过选择其中部分站的不同组合计算流域的面雨量，然后与以全部站计算的面雨量结果相比，经误差分析优选部分测站作遥测站；

2）研究场次大暴雨的分布，并绘制场次大暴雨等值线图，选择暴雨中心附近的代表性站作为遥测站；

3）结合模型参数率定来优选遥测站网，这是一种最直观、最有效的方法。

它的主要特点是将布站与采用的预报模型精度联系起来，不仅作定性分析，而且能作定量计算；

4）对现有测站稀疏的地区，可依据暴雨洪水资料的对比、测站的高程分布和平面分布情况，选择和增补遥测站。

（2）遥测水文（位）站的选定

1）根据工程对预见期的需要，在分析洪水传播时间、测站条件和其对主要产洪区控制情况的基础上，选定水文（位）遥测站；。

2）尽量利用现有测站和上游已建水库的水文站。

除非上游已建水库属无调节性能的小型水库，否则，应将遥测站布设于上游已建水库的下游；

3）水文（位）站应避开可能塌方、滑坡或泥石流的危害区，避开河床冲淤及冰凌漂浮物容易撞击的地方。

（3）中心站的选定

1）中心站的位置，要有利于水情数据的接收，一般宜设置在地势高亢开阔的地方。

既要便于水情预报作业，有利于与水库调度、闸门控制管理工作的配合，也要便于与工程调度中心的联系；

2）梯级电站的中心站，应与水库调度中心一致，宜设置在总厂；

3）若工程设有气象测报系统，则两系统的接收中心应相邻，以便于信息交流与会商；

4）应远离强电磁场、强震动、强噪声等干扰源和严重腐蚀气体等污染源地。

5.2.2.3确定遥测项目、量程和精度

（1）确定遥测项目

遥测站网的测报项目和段次，不仅直接关系到测报系统的工作强度，也涉及电源的消耗，影响设备的工作状况和寿命，因此应依据水情预报方案的要求（特别是有不同预见期预报方案组合时）予以合理地确定。

（2）量程

1）雨量计的量程应大于当地实测降雨量；

2）水位计量程视水文（位）站所处位置分别确定。

−坝上站为校核洪水位至水库死水位；

−坝下站为校核洪水位至设计最低水位；

−其他遥测站为50年一遇洪水位至传感器运用期间的最低水位，但应有超限的测报措施。

（3）精度

应满足表5规定。

5.2.3附图附表

在本节实施过程中或完成后，应绘制必要的附图附表，包括：

（1）流域水文测站分布图；

（2）降雨经流相关图；

（3）上下游水位相关图；

（4）合成流量相关图；

（5）流域日平均雨量与n站日平均雨量相关图；

（6）n次场次暴雨等值线图；

（7）水情自动测报系统遥测站一览表，表格型式如表7。

表7水情自动测报系统遥测站一览表

水系

河名

站名

站别

高程,m

集水面积,km2

遥测项目

东经

北纬

位置

注：

必要时还可增加“功能”栏

5.3确定通信方式、工作体制，初步确定组网及电路设计方案

在预可行性研究（或水利系统的可行性研究）阶段的水情自动测报系统规划中已初步选择了测报系统的工作体制和通信方式，在本阶段需在5.1、5.2节中选定的功能、指标、水情预报方案和基本确定的站网基础上进行必要的现场查勘、测试与计算，通过方案分析与比较，确定通信方式、工作体制，并初步确定组网与电路布置方案。

通信方式、工作体制，并初步确定组网与电路布置方案。

5.3.1通信方式选定

（1）可供选择的通信方式及其特点、适用性

1）短波通信

短波通信频段为3～30MHz，数据传输速率可选用25、50、100bit/s，不宜超过200bit/s，它受地形限制少，抗破坏能力强，投资省，但信道不稳定。

适合于地形复杂、测站距离远、测点数目少、应答式（经论证也可采用自报式）工作体制的测报方案，或作为备用方案。

2）超短波通信

超短波通信的频段为30～300MHz，数据传输速率可选用300、600bit/s，不宜超过1200bit/s。

它信号传播较稳定，通信质量较高，受外界干扰较小，但受地形、距离限制（当站距大于50km时需设中继站，但级数不宜超过三级），适合于站距短、中继站建设条件好、自报式工作体制的测报系统，特别适合于地形变化较小的中、小流域（F<3000km2）测报系统。

3）卫星通信

卫星通信采用微波频段（通信卫星）和超短波频段（气象卫星），同步气象卫星和通信卫星的数据传输速率可分别选用100bit/s和1200bit/s。

卫星通信利用同步和极轨卫星转发器转发数据，传输距离远、覆盖面广、通信质量好、可靠性高、受地形限制少，特别适合于地形条件复杂、实时性要求高的大、中型流域的测报系统。

同步气象卫星宜用定时自报式，同步通信卫星可采用定时自报或增量自报两种方式。

（2）选择通信方式的原则

1）应切合实际、技术先进、经济合理。

应依据通信要求、地形地势、通信设备的条件和运行维护能力、建设运行费用等综合分析确定；

2）应适应测报系统的工作体制；

3）应满足迅速、可靠、准确、方便地传输数据的要求，通信电路的质量保证在90%的时间内信道误码率不大于1×10-4。

5.3.2工作体制选定

遥测站向中心站发送数据的体制称工作体制。

工作体制根据系统功能要求、电源、交通、通信方式和信道质量等条件，本着既经济合理，又便于维护的原则，从下述三种方式中选择。

（1）自报式

自报式分定时自报式与增量自报式两种，即遥测站按照规定的时间间隔或水文要素增量自动向中心站发送数据，中心站的数据接收设备始终处于工作状态，但测站全自动工作，不需人工干预，耗电低，维护工作量小，数据实时性强，系统运行可靠性高；

（2）应答式

应答式工作体制下中心站自动定时或随时呼叫遥测站，遥测站响应中心站的查询，实时采集水文数据并发送给中心站。

中心站控制性能强，但测站需兼配发射和接收机，并具通话功能，值守功耗大，结构复杂，可靠性低于自报式；

（3）混合式，

所谓混合式，就是在同一系统中，包含有自报与应签兼容的遥测站，或既有自报式测站，也有应签式测站。

5.3.3工作频率及组网方案

所谓通信组网是根据水情自动测报系统的要求选用合适的通信方式、工作体制、工作频率（和最少的中继站−对超短波通信而言）将孤立的遥测站、中心站联系成一个有机的通信网络。

通信组网是通信设计的重要环节，它直接关系到测报系统可行性和是否经济合理，故要求进行不同方案的技术经济比较。

（1）工作频率选择，应根据：

1）使用要求（通信线路的容量和可靠性）；

2）现场地形；

3）使用设备的技术指标；

4）无线电管理委员会的规定。

国家无线电管理委员会（1989）无办字75号批准的超短波水情测报专用频率见表8。

表8超短波水情测报专用频率表单位：

MHz

单工

228.425228.575

228.600228.800

双

工

主台发射频率

231.050231.250

231.750231.800

属台发射频率

224.050224.250

224.750224.800

（2）组网方式选择考虑的因素为：

1）使用要求；

2）组网方案应满足遥测水文（位）站位置不变，遥测雨量站位置少变的要求，并便于系统的建设和维护管理；

3）遥测站较少或地形不太复杂的地区，宜采用单一方式组网；

4）组网方式需与所用的通信方式相适应，如对于超短波通信，为避免某一中继站的故障对系统产生严重的影响。

为此，宜根据地形特点，采用多支或交叉组网。

5.3.4电路设计

在进行电路设计前，首先应该弄清楚测报系统的使用要求、线路容量、可靠性等技术指标。

当需要图上作业时，所用的地形图比例尺应为1/50000或1/100000。

短波通信、超短波通信、卫星通信电路设计的主要内容见附录A。

5.4拟定电源、过电压保护和接地方案

5.4.1电源

（1）电源应稳定、可靠，保证用电设备长期正常工作。

直流供电电压一般采用12V或24V，电压变化范围应能保证用电设备正常工作；交流供电电压，应采用周波50±1Hz的单相220V或三相380V，电压变幅均应不超过±10%。

（2）遥测站、中继站宜用不间断太阳能蓄电池组直流供电方式。

中心站宜用不停电供电方式。

5.4.2过电压保护与接地

（1）遥测站、中继站、中心站均应设置避置装置、过电压保护装置及接地装置。

（2）在多雷地区的中继站和遥测站应设置防直接雷的措施。

天线应在避雷针的保护范围内，房顶四周应敷设闭合均压带，机房内应围绕机房敷设环形接地母线，闭合均压带和环形接地母线间至少应有4个对称布置的连接线互相连接。

（3）专用变压器的高低压侧应装设避雷器，通信机输入端应安装同轴避雷器。

（4）接地电阻：

遥测站、中继站小于10Ω；中心站小于5Ω。

（5）进入机房的电力线、通信线应有金属外皮或金属屏蔽或敷设在金属管内。

金属外皮或金属管埋入室外地中的水平长度不小于10m，并沿长度均匀安排两处接地，每处接地电阻小于10Ω。

（6）根据实践经验，遥测站和中继站采用法拉弟筒防雷效果最好，既免设接地装置和引线，也无接地电阻要求。

5.5拟定设备配置方案，并初步确定主要设备的类型、规格

设备包括遥测站（中继站）和中心站的设备，本阶段只初步确定主要设备的类型、规格，以满足编制概算的需要。

选择设备时应考虑如下原则：

（1）根据系统的功能、技术指标要求配置设备；

（2）应选用技术成熟的定型产品。

尽可能选用同一厂家的产品，便于维修；

（3）设备性能应满足表5、表6的规定；

（4）中心站、中继站和重要遥测站的关键设备须备份

5.6分析数据处理流程，拟定软件目录

（1）软件类型

1）计算机操作系统（应优先选配单用户汉字操作系统，必要时也可配置实时多任务的磁盘操作系统）；

2）辅助软件（包括控制与联机通信软件；文件管理、数据管理、图表处理、文字处理、高级语言等）；

3）应用软件。

（2）应用软件开发宜采用模块化结构，以便功能的扩展和修改，并预留缺口。

附录B列出了一些应用软件模块目录，供参考。

5.7分析水情自动测报系统的可靠性

系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

尽管5.1节对系统规定了一些可靠性指标，但鉴于目前水情自动测报系统建设时间尚短，缺乏系统分析，而且目前部分设备性能尚不够稳定，系统的管理维护经验也不多。

因此系统可靠性论证，除了对可靠性指标进行定量计算外，重点从水情预报方案的配置、遥测站网的布设、通信方案、设备的性能和备品、备件的安排，以及维护措施等方面分析论证。

（1）保证系统可靠性的主要措施

1）完善水情预报方案的配置，改进水情预报方案；

2）选用技术成熟、经过实际使用、性能合格的定型产品；

3）合理地配置设备的备品、备件、重要遥测站和重要环节加强设备配置或增设备用方式；

4）针对测报系统的薄弱环节，改善环境条件，运行人员的合理配备及培训，加强维护措施等。

（2）可靠性指标计算

系统设备的有用度用下式表达：

（1）

式中：

A−系统设备有用度，%；

MTTR−系统设备平均维修时间，h；

MTBF−系统设备平均无故障工