水文测验系统雷电自动化防御体系建设实践与思考

水文测验系统雷电自动化防御体系建设实践与思考

张海龙

（河北省张家口水文勘测研究中心，河北 张家口，075000）

摘要：水文监测是水利的前沿，水文监测设施设备雷电防御能力事关防汛减灾大局，本文指出了水文站雷电防御能力现状，并针对性的提出了水文站雷电防御设计思路和原则，搭建了雷电自动化防御架构，设计了包含电力通讯保障子系统、智能防雷及预警子系统和远程可视化监控分析平台子系统的雷电防御体系，以期为提高水文站监测人员及监测设备在雷电环境下的安全运行提供参考。

关键词：水文监测；雷电防御预警；主动防护；系统集成；Power BI水文应用

引言：水文站是水文监测研究的前沿，通常设在河流、湖泊、水库附近，观测的水文项目包括降水、蒸发、水位、流量、泥沙等。担负着日常水文勘测、水情报汛、水环境监测等多项重要任务，在国家防汛减灾、国民经济建设以及社会各项事业发展中发挥着不可替代作用。

随着国家对水文基础建设投入的不断增加，水文事业进入了一个飞速发展期，以河北省响水堡水文站为例，水文基础设施设备得到较大改善，先进仪器设备配备使得水文测报技术手段大幅度提升，水文信息的准确性和时效性显著提高，水文监测服务能力显著增强。但就目前来看，仍存在一些短板。一是水文站防雷建设还没有成熟的体系，只是简单的安装了避雷针、防雷插座等单一的防雷设备，主要采取单一防护、被动防护，各种自动监测仪器和网络通讯设备受雷击损坏的几率也大增，从而容易导致电力、通讯中断，影响水文监测。二是随着自动化仪器设备的普及使用，驻巡结合的水文监测新模式逐渐成为新的发展方向，高自动化程度对水文站的雷电防御及电力保障要求更高，目前水文站的雷电防御及电力保障能力偏低。因此，开展水文测验系统雷电自动化防御体系建设研究十分必要。

1.传统水文站雷电防御及电力通讯保障现状

张家口现有15处国家基本水文站，均位于洪涝灾害易发地区，也是强对流雷电天气的高发地区。现有的水文缆道、广电网络远程自动监测系统等水文设施设备的运行均需要安全稳定的运行环境。但现有的水文站防雷安全设施配备不足，未进行过专业防雷检测，水文站建筑、水文仪器设备设施及人员都存在雷击风险。

以响水堡水文站为例，因历史原因，缺少整体防雷系统化建设。目前只安装了避雷针、防雷插座等简单的被动防御设施设备，测验设施设备遇有雷电天气极易被损毁，并同步影响到电力和通讯设施，对水文职工及时开展水文监测及水情信息传输造成了巨大影响。水文站内现有发电设备无法自动化控制，雷电天气下的电力操作对人身安全也存在安全隐患。因此，探索实施水文测验系统雷电自动化防御体系建设对保障测验设施和人员安全具有极其重要的作用。

2.设计目标及原则

水文测验系统雷电自动化防御体系建设目标是对现有水文站进行自动化、现代化的补充，将水文站建成具有雷电主被动防御相结合，多手段保障水文监测、电力通讯保障、数据决策分析展示为一体的具有雷电防御及预警的自动化控制的“无人值守，远程监管”的智慧水文水文站。

水文测验系统雷电自动化防御体系建设坚持高效、安全、可视化原则，采用雷电主动预警、雷电数据实时采集、终端雷击自动防护手段，建成模块化、集成化、可定制、可拓展的水文站雷电自动化防御体系，向防雷专业化、精细化方向发展，从安全角度为水文数据监测保驾护航。通过对多数据源水文监测数据在自定义模式下的可视化分析展示，提升水文数据产品的应用决策能力。

3.系统总体设计

3.1设计思路

针对现有水文站整体防雷建设弱点，重点探索一套水文测验系统雷电自动化防御策略，通过对水文站环境系统进行综合勘查和研判，对水文设施设备运行条件及运行环境进行分析，因地制宜的制定符合水文监测标准的防御策略及技术路线，使水文设备的雷击坏损率大幅度下降，以降低水文运行维护费用，保障水文职工人身安全。雷电自动化防御系统具有自动预警、主动防御、实时监测、用电保障、平台集成等特点。

3.2系统架构

水文测验系统雷电自动化防御系统由智能防雷及预警子系统、电力通讯保障子系统、远程可视化监控分析平台子系统三部分组成。

3.2.1智能防雷及预警子系统设计

智能防雷子系统包含防雷智能监测、雷电峰值监测、接地电阻在线监测和系统集成通讯四部分。智能防雷子系统通过算法分析其劣化状态，实时采集雷电流的峰值、时间、次数、极性、能量大小等数据，集测量、显示和通信等功能于一体，在线监测接地电阻值，实时传输至本地主机或云端，发现问题和故障进行精准上报，可以有效降低水文站的运营维护成本并大幅的提高防护效率，保障水文站安全。

防雷智能监测终端采用SPD智能监测模块，集成了数据采集、数据存储、数据传输等功能。实时在线监测各保护器的工作状态和雷击数据。雷电峰值监测终端是采用罗氏线圈作为直击雷采集设备，对瞬间雷电进行实时监测，并将数据呈现给用户管理。接地电阻在线监测仪是一款采用精密三线法或简易二线法测试接地电阻值的设备，内置SPD防止设备受到浪涌冲击，起到防雷保护作用。系统集成通讯是一款高性价比的DTU，为用户设备提供一种无线远距离快速联网解决方案。

人员防雷预警主要依靠大气电场仪对局部地区潜在的雷暴活动及静电电击的危险性做出短期预报，在雷击发生前的10～30分钟左右发出预警，提醒野外水文监测人员及时撤离到安全地区或提前做好防护措施，确保人身安全和环境财产安全。

3.2.2电力通讯保障子系统设计

水文站地处偏远且位于洪涝灾害易发生的河道水库旁，遇到雷暴天气容易停电停网，而雷雨天是水文工作者工作的重点时间，为确保水文监测工作顺利开展，电力及通讯保障建设就显得尤为重要。结合目前水文站现状，从电源自动切换、自控发电、不间断电源、智能控制四方面来建设电力通讯保障子系统。

3.2.2.1电力保障设计

电力保障设计主要由无人值守ATS、自控发电机、UPS电源、RTU四部分构成。

无人值守ATS可通过对水文站电力线路及用电状况的监控，实现市电与自发电的自动化切换和发电机的自动化控制。自控发电机可解决传统的接地装置接地电阻的测量值与实际值之间存在较大偏差的问题，安全性更高。UPS电源可在电网供电正常时滤除电网中的高频干扰，得到纯净的电流，并实现无缝衔接更换供电来源，保障重要设施设备不间断供电。RTU(Remote Terminal Unit)是构成综合自动化系统的核心装置，主要负责对现场信号、专业设备的监测和控制。

3.2.2.2通讯保障设计

整合现有水文站通讯设备，申请光纤通讯、安装4/5G通讯设备、观测场安装北斗通讯设备，由路由器和交换机对三种通讯设备进行复合，通过网线、WiFi通讯、远距离网桥通讯实现水文站内外网多手段通信，确保通信畅通率，极端情况下，水文站还配有手持卫星电话，通过卫星电话人工报送数据。各通讯情况上传至系统平台，实现实时远程监控，发现通讯故障发出报警提醒。

3.2.3远程可视化监控分析平台子系统设计

Power BI是一种先进的自助式BI软件，以其强大的功能性，可视化交互能力，拖拽式设计的易用性著称，可以连接数百个数据源，简化数据的准备工作，即时完成数据的统计分析，并生成丰富的交互式可视化报告，发布到网页和移动设备上，供相关人员随时随地查询。远程可视化监控分析平台依托Power BI搭建，将电力保障数据、通讯保障数据、雷电预警数据、智能防雷数据、水文监测数据上传至远程可视化监控分析平台展示。各项自动监测的水文数据通过RTU收集并发送至搭建的水文站标准化信息服务平台，通过个性化的定制实时显示分析的数据及预警的相关信息，更好的指导水文站日常监测工作，实现对监测数据的深度应用，为更好分析决策、提供对外服务、进行水文深度研究奠定基础。

4.结语

水文测验系统雷电自动化防御体系建设解决了当前水文站所面临的整体防雷系统欠缺，电力系统欠缺，先进水文仪器设备数据分析展示等问题，将众多的水文仪器设备整合，形成标准化可拓展的安全、稳定、高效、快捷、准确的“无人值守，远程监管”的智慧水文站，为水文监测方式改革巡测提供技术支持，为全面提升水文高质量服务水平，筑牢防汛减灾的第一道防线，保障人民生命财产安全贡献水文力量。同时，也为今后开展水文数字孪生、水文数据资产价值化提供支撑。