某水电站工程安全监测自动化系统改造

黄会宝，文 豪，彭 勃

（1.国电大渡河流域水电开发有限公司库坝管理中心，四川乐山，614900；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春，130061）

1 概述

1.1 工程概况

某水电站为大渡河干流规划的第十八级电站，其上为瀑布沟水电站，为瀑布沟水库的反调节电站，下为正在施工的枕头坝电站，是一座以发电为主的枢纽工程。电站为Ⅱ等工程，主要水工建筑物及工程边坡为2级，次要建筑物为3级。该工程由左岸泄洪闸、排污闸、右岸河床式发电厂房、右岸泄洪冲沙洞等建筑物组成，最大坝高106.00 m，坝顶长222.50 m。水库正常蓄水位为660.00 m，死水位655.00 m，总库容3 200万m3，具有日调节能力。电站安装4台单机容量为165 MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660 MW，多年平均年发电量32.35亿kW·h。

该工程于2006年4月开工建设，2007年11月截流，2010年6月下闸蓄水，首台机组投产发电，2012年10月通过工程竣工安全鉴定。

1.2 工程安全监测设施情况

根据该水电站工程所处地形、水文地质条件、工程规模、地震设防烈度及其枢纽建筑物布置和运行特点，对工程布设了可靠的监测系统，包括变形、渗流、应力应变以及环境量、强震监测等。其中变形监测包括厂坝区变形监测控制网、坝顶及尾水平台垂直位移、坝顶真空激光准直系统、倒垂线、双金属标、多点位移计、裂缝计及基岩变位计等观测项目；渗流监测包括绕坝渗流、坝体排水量、坝基扬压力观测项目；应力应变监测包括钢筋计、应变计、无应力计、锚杆应力计、锚索应力计观测项目。

在工程建设期，由武汉理工大学负责建设完成了该水电站工程安全监测自动化系统（以下简称原系统），系统设l个监测管理中心站和5个现场监测站，使用多台RS-485光电转换器并联组网，实现自动化监测。

2 原系统存在问题及改造必要性

（1）原系统故障频发，无法满足水工管理要求。原系统建成后，因测量控制单元故障、电路板锈蚀、无防雷电设备、通讯光缆多处断裂等问题，系统故障频发，基本失去自动化监测功能，所有监测内容均以人工观测为主，工作量大，观测周期长，数据后处理繁琐，尤其在特殊工况下（如洪水、暴雨、地震等）更是无法及时完成加密观测，难以适应现代水工管理的需要。

（2）原系统无远程监控功能，信息无法异地备份。原系统基于本地局域网实现工程区内的自动化监测，无法实现管理人员异地自动化控制，与集中、高效的运行管理要求不相适应。原系统每次实时采集数据均需要到电站现场操控服务器才能完成，失去了建设自动化系统的目的和意义。同时，原系统采集服务器均布置在工程现场，无监测数据异地备份功能，一旦发生故障或突发灾害，数据极易丢失。

（3）原系统采用简单并联的采集网络设置，采集效率低。原系统中央控制方式下采集监测数据等命令发出后，系统自动进行逐点逐个依次测量，通讯干扰大，测点数据等信息反馈和响应十分缓慢，采集效率低下，与当今科学技术水平不相适应。

（4）原系统缺失必要的监测项目，无法满足规范要求。原系统建设阶段未接入工程常用的环境量监测指标，例如雨量、温湿度、风速风向等，且大坝渗漏量这一关键数据未实现自动化监测，对利用自动化监测成果准确评判工程安全运行状况不利，同时不利于寻找大坝监测信息的规律性，无法满足《混凝土坝安全监测技术规范》的技术要求。

（5）原系统采集控制软件落后，人机交互界面复杂。原系统配置的软件缺乏监测仪器的参数指标等信息，可用信息量不足，各项目均未设置警戒报警值，异常测值无直接的提醒功能，系统未开发相应的模块。

（6）原DAU遥控采集只能逐点测量，不支持群测及多重选点测量命令，因此采集速度慢，完成一次完整数据采集时间长。同时，原DAU无人工采集接口，传感器电缆接入DAU后人工测量极为不便，增加了人工观测的时间。

因此，为了彻底解决原系统存在的诸多问题，高效、集中地进行数据采集和数据处理，建立一套功能齐全、稳定可靠、使用方便的工程安全监测自动化系统，不仅可以满足水电站工程安全监测的需要，快速完成工程安全监测数据采集和整编工作，减轻人力劳动强度，还能够提高水工运行管理水平，提高工程安全监测人员的业务技能，促进监测自动化技术的发展，是保证大坝正常运行的有效措施。

3 安全监测自动化系统改造方案

3.1 改造的基本原则

监测自动化系统设计应以工程安全监测为目的，充分利用现代先进的通讯技术、计算机技术、自动化技术和软、硬件技术，遵循“实用、可靠、先进、经济”的基本原则，实现智能化的数据采集、数据管理、信息综合分析，实时掌握和反馈枢纽工程的安全运行状况，以便满足现代化水工管理的需要。同时系统纳入的监测点应能够反映大坝及其基础的工作性态，力求结构简单，仪器完好，稳定可靠，维护方便。

（1）先进性的原则。通过高性能的计算机网络环境，采用先进的数据库管理软件、信息管理软件、图形处理软件及数据处理方法来实现系统功能[1]。

（2）稳定性的原则。要求系统在恶劣的环境下能够长期稳定地运行，具有完善的数据备份功能，能够方便地对重要的数据进行备份和恢复[2]；实现监测自动化时，还应设置人工监测手段，以便定期比测，并保证当自动化系统发生故障时，能及时测得人工监测数据，保证资料的连续性。

（3）安全性的原则。要求系统具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能，防止非法用户对数据进行操作[1]。同时对监测系统的操作权限及信息修改权限进行分层级设置。

3.2 改造的主要内容

3.2.1 优化通讯组网方案

图1 自动化采集网络结构拓扑图Fig.1 Topological diagram of the structure of automatic acquisition network

针对原系统采集网络通讯干扰大、稳定性差、运行速度慢等特点，采用双环自愈网络结构（如图1所示），在监测站增设RS-485集线器，实现了每台数据采集装置（DAU）之间信号的隔离。采集网络采用光缆作为通讯介质，建立基于TCP/IP的以太网络，实现监测管理中心站内的远程控制计算机与采集工控机的以太网连接。监控服务器发出命令后，各监测点仪器同时触发，提高系统运行速度和数据采集效率，保证了通讯的可靠性和安全性。

3.2.2 完善系统的监测项目

根据DL/T 5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》和DL/T 5211-2005《大坝安全监测自动化技术规范》要求，在原有监测仪器设备的基础上，增补了简易气象站及大坝总渗流量监测仪器，其中简易气象站监测项目包括温度、湿度、风速、风向、雨量等；大坝总渗流量采用量水堰进行观测，安装了量水堰计进行自动化监测数据的采集，实现了工程监测项目的全覆盖。

3.2.3 增设安全防护和人工比测装置

针对原MCU无防雷电装置、易受雷击破坏的现状，在每个监测站增设1台稳压电源、1套电源防雷器、1套通讯防雷器和1套防雷接地体，降低了雷电对设施造成故障的频次。

为防止一个监测站内安装多台DAU后的通讯干扰问题，在DAU设备集中部位增加RS-485集线器，以保证采集网络的通讯可靠性。调整现场采集网络的架构，采用双环自愈网络模式，安装双环自愈式RS-485光电转换设备，提高数据通讯可靠性及安全性。

配备了人工比测装置，可以方便进行人工与自动监测数据的比对分析，确保系统采集数据真实可信。

3.2.4 更新了数据采集装置（DAU）

针对原DAU的弊端，本次改造更换了原DAU设备，更换后DAU提供全中文液晶菜单显示及键盘操作，具有良好的人机交互性；支持传感器类型齐全，可接入振弦式、差阻式、电压式及电流式等多种传感器；提供丰富的控制命令，在上位机的控制下可完成设备复位、自检、单点测量、任选多点测量、定时测量等多种测量控制方式；同时，提供人工观测数据接口，可快速完成人工比测工作，并且该DAU采用模块化设计，方便将来故障时快速维护。

3.2.5 开发了监测自动化采集、信息管理软件

针对原系统软件开发存在的问题，开发了集系统自动检查、自动巡测和选测功能于一体的软件，系统数据采集支持现场控制方式和远程控制方式，可根据用户需求提供五种自动控制方式实现自动观测的触发、采集和存储，系统拥有实时完成观测数据的整编计算及在线检测、自动触发复测等保证观测数据准确性及时效性的功能。

对采集工控机、现场工控机及监测管理中心站进行联网并实现远程监控，在远程上位机处安装远程控制采集软件，完成远程数据采集、数据提交入库等工作。监测管理中心站内建立基于SQL Serv⁃er 2008 R2版数据库，以完成前期观测数据的整编计算、粗差剔除、入库等工作。

3.3 改造后的技术指标

（1）通讯方式：光缆通讯，RS485通讯总线控制；

（2）网络通讯速率：＞2 400 bps（RS485）；

（3）传输距离：80 km（采用光缆通讯）；

（4）测量方式：可实时、定时、单检、巡检、选测或任设测点群；

（5）监测准确度：满足规范DL/T 5178-2003规定要求；

（6）定时间隔：分钟间隔触发、小时间隔触发、天触发、星期触发、月触发，可选；

（7）采样时间：差阻式≤0.1s/点；振弦式≤0.5s/点；

（8）工作温度：-20～+60℃；

（9）工作湿度：≤85%；

（10）平均无故障时间：≥6 300 h；

（11）系统防雷电感应：500～1 500 W。

3.4 改造的主要特点

（1）改单一并联为双环自愈网络模式，建立了基于TCP/IP的以太网络，进一步优化采集网络组网架构，实现大坝安全监测自动化系统的异地远程操控和观测数据的异地存储备份。

（2）增设了自动化设备的防雷电装置。在每个监测站均增设1套电源防雷器、1套通讯防雷器及1套防雷接地体，提高系统防雷电感应能力，防止设备因雷电造成损坏。

（3）独立配置了读数仪人工接口模块，能够使用读数仪采集监测数据。通过按动模块上的通道切换键即可实现通道转换，便于对接入MCU的监测仪器进行人工测量，亦方便对观测数据进行人工比测。

图2 自动化系统功能结构图Fig.2 Structure and function of the automatic system

4 系统改造后的运行状况

4.1 数据自动采集系统短期稳定性测试

针对大坝布设的监测仪器，使用信号发生器及直流电阻箱检测振弦式传感器测值测量精度及差动电阻式传感器测值测量精度。用信号发生器将幅度为0.5～10 mV的输出信号接入采集装置进行测量，调节频率在400～5 000 Hz之间，对同一个物理量连续进行15次测量，计算最大测量误差，测量频率差不大于0.2 Hz，结果表明测值稳定性好。用两只0.01级直流电阻箱按五芯方式接入采集装置，使电阻值分别在0.01～60.01 Ω范围内变化，电阻比在0.080 0～1.200 0之间变化。对同一个物理量连续进行15次测量，测量电阻值之差不大于0.02 Ω，电阻比不大于0.002，结果表明测值稳定性好。另外对DAU的单点测量、选点测量、定时采集、数据存储、参数设置及自诊断等功能进行测试，测试结果正常，满足规范要求。

4.2 测值比对分析

系统建成投入试运行期间，选取典型测点对其人工测值与自动化系统采集数据进行对比分析，人工与自动化监测测值吻合度高（如图3所示），表明自动化监测数据可靠性良好。

图3 人工及自动观测模数过程线对比Fig.3 Comparison of the modulus measured by automatic sys⁃tem and by manual work

4.3 系统实时性分析

系统投运后运行实践表明，各采集控制系统运行稳定，采集命令发布后信息反馈迅速，软件功能齐全、界面简洁、升级维护方便、自动化程度高，提高了工作效率，节约了人力资源成本。

系统可采集模拟量信号和数字量信号，采集时间：内观测点≤2 s/（点·次），真空激光测点≤15 s/（点·次），差阻式≤0.1 s/点，振弦式≤0.5 s/点。

5 结论及建议

本次对该水电站工程安全监测自动化系统的改造增加了必要的监测项目，优化了网络结构，实现了异地远程监控和数据信息的异地备份功能，采集及信息传输更加顺畅、快捷，有效地提高了工作效率，进一步减轻了人工观测的劳动强度。系统运行稳定，日常维护量小，测值可信度高，达到了监测自动化系统改造的预期目的，有效解决了原系统存在的诸多问题。但大坝安全监测自动化系统的采集控制设备多为非标准通用设备，型号及生产厂家等都不统一，如何进一步规范和统一采集控制设备，避免不同生产厂家设备接口不兼容造成改造成本增大问题，如何解决不同厂家无法协同使用的弊端问题等仍需进一步研究。

[1]施永新.湖南镇大坝安全监测系统自动化改造[J].大坝与安全，2012(6)：33-36.

[2]宁德兴,褚彩菊,郭俊,简树明.漫湾水电站大坝安全监测自动化系统更新改造[J].大坝与安全，2012(2):30-34.

[3]王科峰，金正浩.尼尔基水利枢纽工程安全监测技术[M].北京：中国水利水电出版社,2010.