蒲石河抽水蓄能电站安全监测自动化系统设计

李俊富，姜盛吉，于秀莲，王晓丽，刘 洋，韩洪涛

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）

1 工程概述

蒲石河抽水蓄能电站为一等工程，工程规模为大 （1）型。枢纽主要建筑物的级别均为1级，其中包括上、下水库的大坝、下水库泄洪排沙闸、厂房输水系统，次要建筑物为3级建筑物。

上库坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝长714.0 m，最大坝高78.5 m，总库容为1 238万m3。下库为混凝土重力坝，坝长336.0 m，最大坝高34.1 m。地下厂房主厂房开挖尺寸为165.8 m×22.7 m×55.60 m （长×宽×高）， 主变洞为 132.6 m×22.4 m×24.4 m （长×宽×高）。

2 安全监测项目设置

根据工程的特点、建筑物的结构，安全监测的项目主要包括3大部分。

（1）上库安全监测。上库安全监测包括①面板堆石坝表面变形监测，监测内容为坝顶及下游坝坡的水平位移与垂直位移监测；②堆石坝内部变形监测，监测内容为施工期和运行期堆石体内部的水平和垂直位移监测； ③混凝土面板变形监测，监测内容为面板挠度、面板与垫层间脱空、面板接缝 （周边缝、板间垂直缝）开合度及剪切变形监测； ④混凝土面板应力监测，监测内容包括混凝土应力、钢筋应力；⑤渗流监测，监测内容包括坝体和坝基渗透压力、渗流量、绕坝渗流；⑥上库库周地下水位监测。

（2）下库安全监测。下库安全监测包括：①混凝土坝坝顶外部变形监测，包括坝顶水平位移与垂直位移监测；②渗流监测，包括坝基扬压力、渗流量、绕坝渗流；③预应力闸墩锚索监测。

（3）地下厂房及输水系统安全监测。地下厂房及输水系统安全监测包括：①结构应力应变监测；②结合缝开度监测；③岩体变形监测；④岩体渗透压力监测；⑤渗漏量监测；⑥岩体锚固效果监测。

3 设计目标

根据 《大坝安全监测自动化技术规范》、 《大坝安全监测自动化系统实用化验收细则》等文件并结合国内、国际工程安全监测自动化发展现状，对蒲石河抽水蓄能电站工程安全监测提出的目标要求如下：

（1）实现成熟可靠的自动化观测系统。

（2）开发完善的自动化数据采集系统。

（3）开发完善的远程测控系统，通过在现场办公区设立远程监测管理中心站及在长春设立远程维护中心站，实现枢纽工程安全监测系统的远程监测、远程管理及远程维护功能。

（4）建立完善的数据管理体系。

（5）完成枢纽结构性态及安全监控指标的研究、确立及在线分析检验，实现资料分析的自动化。

（6）与电厂MIS系统联网并实现观测数据整编结果的Web发布。

4 自动化系统网络设计

蒲石河抽水蓄能电站目前埋设的所有电测式一次传感器均可通过加装相应的DAU以实现自动化观测。设计中的部分安全监测项目其本身就已实现了自动化观测 （如：下库坝的真空激光准直变形系统），因此设计必需结合现有的自动化监测项目，统一实施，做到经济实用、技术可靠。

4.1 自动化采集网络设计

4.1.1 监测站布置

上库坝共建设6座监测站，其中1座位于坝体右岸 （编号为GCZS1），5座位于坝体下游侧马道上（按其高程及由右至左顺序分别编号为GCZS2～GCZS6）。

下库坝共建设2座监测站，也是真空激光准直系统的发射端控制室与接收端控制室。按其由右至左顺序分别编号为GCZX1～GCZX2。

下库坝外部变形观测项目采用真空激光准直变形系统观测坝顶的外部水平位移与垂直位移，共有测点25个 （21个真空激光测点，2个倒垂线测点，2个双金属标测点）。由于真空激光准直系统是一套比较完善及成熟的变形观测系统，该系统安装完成后即具备自动化观测功能。

地下厂房及输水系统共建设1座监测站，编号为GCZD1。

4.1.2 监测站仪器引入统计

上库坝、下库坝及地下厂房的可自动化观测项目及测点数量见表1，根据各仪器引入相应监测站内的数量及类型确定实施自动化所需的DAU类型及数量。

表1 GCZS1监测站仪器设置

上述仪器均为振弦式传感器，根据表1中数据，确定采用MCD-432型DAU实现自动化数据采集。

4.1.3 上库坝自动化采集网络构建

上库坝的6个监测站均安装1台RS485光电转换器，并于GCZS1监测站架设RS485光纤集线器，其余监测站通过光缆集中到GCZS1监测站，完成上库坝自动化采集网络的通讯线路构建。

上库坝为面板堆石坝，自动化系统的防雷问题非常严重，通过加装通讯防雷器及电源防雷器及良好的防雷接地系统可有效的降低系统的雷电破坏机率。设计在每一个监测站均建设可靠的防雷接地（接地电阻小于10 Ω），并安装通讯防雷器1套、B级电源防雷器1套。

上库坝自动化采集网络拓扑结构见图1。

图1 上库坝自动化采集网络结构拓扑图

4.1.4 下库坝自动化采集网络构建

下库坝2个监测站均安装1台RS485光电转换器，通过光缆集中到设置于办公区的监测管理站，完成上库坝自动化采集网络的通讯线路构建。

下库坝设备均安装在坝面监测站内，自动化系统的防雷问题也很严重，通过加装通讯防雷器及电源防雷器及良好的防雷接地系统可有效的降低系统的雷电破坏机率。设计在每一个监测站均建设可靠的防雷接地 （接地电阻小于10 Ω），并安装通讯防雷器1套、B级电源防雷器1套。

下库坝的真空激光准直系统采用工控机实现自动化数据采集，为防止系统因断电原因无法进行正常观测，设计在GCZX2监测站内安装大容量UPS（6 K+12 V×20电池组）为站内计算机、真空激光测点及其它DAU设备供电。

4.1.5 地下厂房自动化采集网络构建

地下厂房1个监测站安装1台RS485光电转换器，通过光缆集中到设置于办公区的监测管理站，完成地下厂房自动化采集网络的通讯线路构建。

由于地下厂房位于山体内，其自动化系统的防雷问题较轻，只需通过加装通讯防雷器及电源防雷器即可有效的降低系统的雷电破坏机率。设计在监测站安装通讯防雷器1套、B级电源防雷器1套。

4.2 自动化监测项目集成与统一

蒲石河抽水蓄能电站自动化监测系统采用分布式体系结构，一次传感器就近接入DAU，以缩短数字量与模拟量的转输距离，同时减少仪器电缆使用量。采用分布式体系结构能够保障整个系统的稳定性与可靠性，即使一个测控单元出现问题也不会影响整个系统的运行。

4.2.1 自动化监测系统集成

办公区设立现场监测管理站，安装RS485光纤集线器，通过光缆将上库坝自动化采集网络、下库坝自动化采集网络及地下厂房自动化采集网络集中至现场监测管理站。由安装在现场监测管理站的数据采集工作站完成现场实时自动化数据采集工作及远程控制数据采集工作。

4.2.2 自动化监测系统通讯控制

测控单元与采集工作站之间采用RS485通讯总线进行通讯连接， RS485通讯采用数字量传输方式，用电缆连接传输距离可超过1 km，通过埋设光缆，传输距离可超过20 km，同时也防止通讯总线过长及铺设范围过广产生的防雷问题。

考虑系统通讯数据流量较小，为保证系统通讯的可靠性，基于RS485通讯方式的通讯波特率暂定为2 400 b/s。

4.3 自动化系统管理网络的构建

蒲石河抽水蓄能电站工程安全监测管理网络基于Client/Server（客户端/服务器）工作方式搭建，枢纽现场设立现场监测管理站。现场监测管理站拟放置现场数据采集工作站1台、数据分析管理工作站2台及服务器2台，完成现场数据采集及枢纽的安全监测数据存储、管理及分析功能，网络结构拓扑示意见图2所示。

图2 监测管理网络结构拓扑图

5 自动化软件系统设计

5.1 系统开发工作原则

系统开发工作原则为：面向安全监测工程实际的原则；确保系统的先进性；系统的通用性要求；遵循软件工程开发的原则。

5.2 系统组成及功能

系统主要由4个子系统组成。

（1）数据库子系统。数据库子系统是整个软件系统的核心，为其他子系统提供底层数据服务支持，主要由原始数据库、整编数据库、分析数据库、系统配置库、模型库、方法库、工程资料库等组成。

（2）数据采集子系统。数据采集子系统包括人工观测数据输入模块、自动化数据采集模块、远程控制数据采集模块。

（3）数据管理子系统。数据管理子系统主要包括综合信息管理程序，能够灵活查询数据查询，进行数据处理，管理工程信息，分析观测数据图表、模型，输出成果的标准图形及报表。

（4）Web发布子系统。WEB子系统主要指观测数据Web浏览与查询系统，主要功能为：工程安全监测介绍；工程基本信息的存储与网页发布；工程相关资料的存储与网页发布；工程安全监测成果数据的网页式浏览、查询及图表统计；工程安全监测成果资料的存储与发布。

各子系统之间的关系见图3所示。

6 结语

蒲石河抽水蓄能电站由上库坝、下库坝、地下厂房及输水系统组成，具有工程规模大，地理跨度大，工程安全监测设置项目齐全，测点较多等特点。其自动化安全监测设计与实施难度均较大，因此其安全监测自动化的总体设计对于工程的顺利实施非常重要。

图3 安全监测自动化软件系统组成框图

蒲石河抽水蓄能电站安全监测自动化系统功能齐全、稳定可靠、使用方便，不但可以满足蒲石河抽水蓄能电站的工程安全监测的需要，同时也可以提高蒲石河抽水蓄能电站工程安全监测人员的业务水平，促进蒲石河抽水蓄能电站以至全国工程安全监测技术水平的发展。