李凯 李鹏 李彦昭 刘晓俊
国网新源山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司 山西省忻州市 035500
摘要：抽水蓄能电站机组检修时，需要落下尾水闸门，由于闸门密封效果有限，尾水管内会有少量漏水流入，对电站运行会造成极大的风险。本文提出并设计一套尾水管水位智能预警装置系统，该系统旨在通过技术手段，科学高效地监视尾水管水位，在尾水管开门期间，智能分析安全风险，为运维人员提供信息。实施结果表明，该系统实现了在检修期智能监视尾水管水位变化情况，科学管控尾水管内作业安全风险，能够很好地应用于尾水管设置的水位预警工作。
关键词：水位监测；预警系统；数据采集；智能分析；
1绪论
当前，智能化浪潮由线上向线下奔涌，大数据、云计算、人工智能和5G技术等数字技术与传统产业加快融合。这些新技术的出现，改变了传统的工业模式，同时也使工人的工作风险大大降低。电力行业是我国的重要基础工业，也是智能化浪潮中的排头兵，目前，国网新源公司在大力倡导“两型两化”建设，智能设备和科技手段在电站运行、检修中将逐步推广应用，具有重要意义。
西龙池抽水蓄能电站有限责任公司（以下简称西龙池公司）位于山西省五台县，滹沱河与清水河交汇处上游约3km的滹沱河左岸。电站距忻州市及太原市公路里程分别为74km和154km。西龙池公司的1-4号机组具有尾水管，尾水管设置有尾水进人门，每年检修期间打开一次。检修时，由于闸门密封效果有限，尾水管内会有少量漏水流入，这是检修期间较大的风险点，一旦闸门漏水量增大、尾水管水位上升，将有尾水流出进人孔，会造成水淹厂房的后果，因此需要加强对尾水管水位的监视。
本文的研究成果将实现在检修期智能监视尾水管水位变化情况，科学管控尾水管内作业安全风险。通过技术手段，科学高效地监视尾水管水位，在尾水管开门期间，智能分析安全风险，为运行人员提供信息。本文的研究成果主要有以下特点：
1.1智能性：实现成套的便携式尾水管信息采集系统，用于检修期间尾水管开门后的尾水管水位信息监测、图像回传、告警功能，实时监视检修机组的闸门漏水、尾水管水位情况，并分析评估当前尾水管水位的安全性，给电站运维检修人员提供管理参考。
1.2便携性：实现的成套设备需要将尾水管内部信息实时传送至电站运维管理人员的移动终端，保证在远程可以获取尾水水位、图像等。
2研究背景
目前，中国变电所、水电站厂房等的排水设施基本未装设自动监测装置，其水位和排水情况主要依靠人工巡检或视频监控系统，存在劳动强度大且效率低下、无法持续监视画面等缺点[5]。
当进行抽水蓄能电站机组检修时，需要落下尾水闸门，排空尾水管积水后打开尾水管进人门搭设检修平台后由工作班成员检查、检修，在此期间，由于闸门密封效果有限，尾水管内会有少量漏水流入，这在检修期间，对电站运行是较大的风险点，一旦闸门漏水量增大、尾水管水位上升，将有尾水流出进人孔水淹厂房的风险，因此需要加强对尾水管水位的监视。本文旨在通过技术手段，科学高效地监视尾水管水位，在尾水管开门期间，智能分析安全风险，为运行人员提供信息
尾水管安全自动监测系统建设是发电站检修的重要组成部分，可以带动水电站管理规范化建设，提高管理和公共服务水平。国网新源公司在大力倡导“两型两化”建设，智能设备和科技手段在电站运行、检修中将逐步推广应用，公司生产力水平会进一步提高。
3研究现状
当今社会，智能化技术发展越来越快，向更多的行业结合。传统行业中，人工操作往往会遇到一些危险场景，而且基于人工的判断会受环境和经验因素影响，使得误判情况出现，在安全性方面与要求相差较多。对于智能化系统在工业上的应用一直是研究中的热点问题。
3.1国内研究现状
刘旭东介绍了大唐广西 （红水河） 集控中心智能预警系统的主要框架及功能实现。监控信号众多和监控屏幕的人员较少是集控中心面临的主要问题，集控中心通过不断调研，同时优化系统结构，开发了一套智能预警系统，智能预警系统主要依托监控系统监控画面、 简报触发和综合光字系统共同实现对于大量监控信号的筛选和告警[1]。但是该系统无法解决数据卡死的问题，随着数据量增大，系统压力增加，会导致服务停止。
喻洋洋等人对三菱MELHOP计算机监控系统结构和网络通信方式进行了研究分析,实现了南瑞NC2000监控系统与三菱现地控制单元核心控制器的数据交互,并完成了现场动态试验验证;此外,他们还提出了两种国产化升级改造的技术方案,为西龙池电站和其他有改造需求的抽水蓄能电站提供了较好的参考方法[7]。
颜萌构建了基于传感视觉智能化的工业污水监测系统,对提高污水处理质量具有重要作用。该系统包括现场智能化视觉监控模块、管理服务器以及数据库服务器。智能化视觉监控模块通过图像采集模块、目标检测模块、视频录像模块和污水跟踪模块对工业污水进行实时监测。结合视觉污水泄漏点检测算法,控制智能视觉监控模块,实现对工业污水泄露情况的监测[4]。
樊亚萍利用图像识别技术对水位图像进行处理识别出水位线，使用多媒体传输技术将采集到的多媒体数据(文本、图片、视频等)准确传送到监控端,综合两种技术设计开发除了远程水位智能监测系统,可以远程实现对水位实时监测。该系统解决了测量精度问题,而且提高了工作效率。研发的基于图像识别理论的智能水位监测系统经过测试,系统运行稳定,测量数据比较准确,基本达到了预期目标,可以较好的满足市场需要[2]。
郭丰田等人在齐齐哈尔市建设了山洪预警监测系统，该系统在防洪中发挥了很大作用[3]。首先，市级利用系统关注山洪暴雨情况，可以及时做出研判；其次，该系统实现了站点自动报警功能；最后，该系统监测了雨水对河流，水库的影响，为人员和财产安全提供了保障。但是该系统专业性强，需要专门的人眼来维护，对于未接受培训的普通人，操作难度大。
王静怡提出一种基于单片机和 4G 通信的变电所局部短时暴雨水位预警系统灾害预警[5]。该方法通过设置监测节点，在监测地点采集水位数据，通过WIFI将数据传输至服务器，并提供实时数据查询及告警服务。通过实验，作者提出的预警系统监测结果稳定可靠，应用于防灾预警工作的效果好，能够为相关部门做好防灾抗涝决策工作提供可靠依据。
李广凯在抽水蓄能电站的建设情况后，发现抽水蓄能电站的选址绝大多数处于山区,当发生极端降雨时, 特殊的山区地形会产生山洪灾害，目前抽水蓄能电站对防灾极端降雨带来的山洪减灾能力加强的需求越来越迫切[6]。作者对泰山抽水蓄能电站的雨情进行调研，使用无人机技术对厂区的数据流域进行构建，对高精度的数字流域进行分析，可以得到较精确的厂区关键风险点集水面积和洪水流量，为电站防洪提供关键信息。
3.2国外研究现状
在容易发生洪水的地区，人们需要监测河流的水位，以预测洪水的发生。Riny等人设计并开发了使用超声波传感器和基于微控制器的Android智能手机的河流水位监测系统[8]。传感器系统将有关河流水位的信息连续发送到微控制器。微控制器对信息进行分析，并通过配备了洪水检测应用程序的Android智能手机将分析结果发布给公众。
传统的水位检测装置仅关注变电站的整个水位。但是实际上，分配设备的安装位置以及它们的体系结构和大小是完全不同的。Lin等人针对特定设备的水环境，设计了一种安装在每个接线盒上的水位检测和报警设备。压力硅传感器用于收集水位信息，激光测距传感器用于获取水位高度。作者提出了一种基于CC2530硬件和基于Z-Stack协议栈的Zig Bee无线传感器的解决方案，将水位信息传输到监控中心[9]。
Lin等人开发了一种基于单相机图像的自动水位检测方法，这种方法采用数字图像处理技术来最大程度地减少环境噪声并实时检测水位[10]。除此之外还引入了摄影测量技术以严格地跟踪相机的运动并准确确定物体空间中的水位。
Lai等人的基于IoT的水位监控系统使用超声波传感器和ESP8266 NodeMcu V3板微控制器来实时测量水位[11]。从超声波传感器检测到的实时数据将通过无线连接发送到ThingSpeak IoT平台，用户也可以通过互联网云对其进行监视，并在其手机或个人计算机上进行浏览。如果水位达到预设阈值，ESP8266 NodeMcu V3微控制器会通过激活带有红色LED闪烁的蜂鸣器来触发警报。另一方面，ThingSpeak物联网平台的动作ThingHTTP调用Twilio（云通信API）将SMS通知发送给社区中的人们。
Suresh等人提出了用于农场的智能水位监控系统，他们使用物联网技术的系统，该系统将以具有成本效益的价格监控水位，并提供准确和可靠的结果。该原型将定期监控水位，捕获的数据将存储在数据库中，以帮助农场改善他们管理水资源的方式。农民可以能够在任何给定时间从任何位置监视水位[12]。
4 系统设计
4.1 工作原理
为了实现对水流速度、液面高度以及现场场景的集中检测和管理，本文中的系统使用了树形拓扑结构进行构建。叶结点对应了传感器（包括流量传感器和液位传感器）及摄像头，随后叶节点将得到的数据分别传入信号采集器和视频推流器，他们通过交换机进行路由传输，将数据传输至服务器并进行分析存储。服务器是整套系统的关键部分，对于上游，它提供了实时监控视频、实时水位数据显示、实时流量数据显示等功能；对于下游，它提供数据采集服务、视频转发服务等功能。其系统结构如图 4-1 所示。
图4-1 水位实时预警系统架构
4.2 网络拓扑
图4-2 网络拓扑图
根据水位实时预警系统的树形拓扑结构，本文同样选择了树形网络拓扑，该结构的叶节点是便携式尾水管智能预警装置，根节点是中控室的光收发器，将接收到的光信号转换成电信号，输入到接收端。叶节点的便携式尾水管智能预警装置，按照设定的时间间隔，自动地从各传感器读取数据，随后按预先设置地规则发送数据。监测数据会被组成网络层的IP数据包，通过网线把数据发送各个机柜的光收发器。从叶节点至各个机柜的光收发器的这个过程主要使用了网线传输数据。在各个机柜至中控室的光收发器之间，一般距离较远，而且对数据的实时性要求较高。考虑到网络信号传输较慢且不稳定，光信号提供超低时延的数据传输，因此使用了光纤进行传输，能够满足实时监测的需求。其网络拓扑结构如图 4-2所示：
4.3 功能实现
尾水管水位智能预警装置设计方案中主要涉及到五大模块，分别是数据采集模块、软件服务模块、访问方案、app设计和规则模块。下面分别介绍这些模块的原理及功能。
4.3.1 数据采集模块
数据采集模块由仪表、摄像头、信号采集器组成，是系统的基础部分。信号采集器随后将数据推送至仪表数据采集服务。具体的工作流程如下所示：
1)仪表：将测量液面高度的液位计与测量水流速度的流量计分别接入信号采集器获取数据。随后，信号采集器定时将获取仪表数据，并将仪表数据推送到仪表数据采集服务。
2)摄像头：将摄像头与视频推流器连接，视频推流器获取到rtsp视频流之后将其推送至视频转发服务。
4.3.2 软件服务模块
软件服务模块主要提供两种服务：仪表服务和摄像头服务。该模块主要负责将数据采集模块获得的数据进行处理，并且将结果及时推送至app。
1)仪表服务：主要包含了仪表数据采集服务和仪表数据提供服务，仪表数据采集服务从信号采集器接收并解析仪表数据，并且将仪表数据加时间戳之后缓存到数据队列。仪表数据提供服务在请求时，读取数据队列中队尾数据，并且要求请求时间与队尾数据时间戳在1分钟内，否则则视为无数据。最后app 模块定时请求仪表数据提供服务,更新app仪表数字并超值报警
2)摄像头服务：摄像头提供的视频转发服务，接收视频推流器的rtmp视频流并转发，同时它还为 app 模块提供监控视频流，使视频可以在app中播放。
4.3.3 访问方案
为了使app可以成功访问数据，并增加安全性，我们设计了app对数据的访问方案。数据采集模块在采集数据后，部署在工控机服务器上的软件服务模块开始工作，然后将数据通过内部网络推送至app。
4.3.4 App设计
终端app的设计是整个系统方案中的关键一步，其主要作用是接收并管理各监测点的信息。系统启用前可以在设置界面定义仪表服务地址、是否开启警告、节点的水位警告值等信息，具体可以进行的设置如图4-3所示。设置完成后可在软件的主界面显示各个监测点的信息，主界面出该节点的相关信息和实时数据，
具体的设计界面如图4-4所示：
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图4-3 App设置界面设计图
该app具有的功能可总结如下为以下几个方面：
1)实时显示功能：可以获取生产现场实时监控视频，如发生断流自动查看；获取水位感应器信号并以数字形式显示；获取流量感应器信号并以数字形式显示。
2)监控警告功能：App可以对当前网络状态、服务连接状态、信号状态进行滚动显示提示；当信号超出设定阀值时显示红色警告闪烁，并发出蜂鸣警告声；当app在后台运行时，一旦信号超出设定阀值时，会弹出通知消息，并发出蜂鸣警告声。
3)系统配置功能：管理人员可定义监控视频服务地址、仪表服务地址、是否开启警告、流量水位警告值、是否开启后台警告、播放及网络。
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图4-4 App主界面设计图
4)适配功能：该app可根据不同的终端设备进行适配。
4.3.5 规则模块设计
由于整个系统需要实时监控各项数据，所以需要通过规则模块定义数据的刷新周期，保证数据的新鲜性，我们制定的规则如下：
1)信号采集器15秒采集一次数据。
2)App的前台服务20秒读一次仪表数据，后台服务30秒读一次仪表数据，一旦后台服务断开60秒，则执行重连操作。
3)当出现警告信息时，查看确认信息后，默认5分钟之内不再提醒该信息；当视频出错后，在8秒后重连，当视频暂停大于10秒后重连。
5 总结
本文所介绍的尾水管水位智能预警装置系统，主要测量了水流速度和水位高度，并且实现了对现场情况的实时监控。该系统对现场的数据进行传输，随后对数据智能分析安全风险，使运行人员能够及时获取信息。尾水管安全自动监测系统建设，使得西龙池公司在智能预警运行管理方面能更及时、客观的获得数据和信息，同时可以更准确、高效的预测、预报和预警等，以便更好服务于经济社会全面、可持续发展的科学决策。
参考文献
[1]刘旭东. 大唐广西(红水河)集控中心智能预警系统浅析[J]. 红水河, 2019.
[2]樊亚萍. 基于图像识别的水位监测系统的研究与实现[D]. 2020.
[3]郭丰田，文朝辉，郭闻鹤. 山洪灾害监测预警系统在防汛中的应用[J]. 水利科学与寒区工程, 2020, 3(2):123-125.
[4]颜萌. 基于传感视觉智能化的工业污水监测系统设计[J]. 现代电子技术, 2016, 39(14):143-146.
[5]王静怡. 电力厂区防涝水位实时预警系统设计与应用[J]. 中国电力, 52(5).
[6]李广凯. 极端降雨下抽水蓄能电站防洪技术研究[D]. 2020.
[7]喻洋洋, 单鹏珠, 胡峰超,等. 西龙池抽水蓄能电站监控系统国产化改造技术研究[J]. 水电站机电技术, 2018(8):55-58.