沐若水电站安全监测自动化系统设计

李泽源 陈 军

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410007）

1 概述

沐若水电站监测项目埋设的仪器均为振弦式仪器，监测项目主要包括变形监测、渗流渗压监测、混凝土应力应变监测、温度监测和强震监测。

大坝区变形监测主要项目包括坝体水平位移（坝顶测墩与坝体正倒垂线结合）；坝体垂直位移（坝顶水准点及坝基廊道水准点结合）；坝肩边坡变形（多点位移计及测量墩结合）；监测控制网等；渗流监测项目主要有坝基渗漏量，基础廊道渗压监测；应力应变及温度监测主要布置在大坝中间坝段10#坝段，监测内容为混凝土温度、横缝开合度及局部结构混凝土应力。

主厂房区边坡及建筑物监测项目以渗流和边坡变形监测为主，在进水口调压井、主厂房及厂房边坡布置有永久的测墩、多点位移计和渗压监测设施。

根据相关资料，沫若水电站所在地区最大可能地震强度（MCE）为5.5 级，为获取速度和加速度记录，在大坝坝体设置有3 台强震监测仪，坝体下游自由场地设置1 台强震监测仪，组成强震动监测台阵。

2 设计依据及原则

2.1 设计依据

本自动化工程设计及实施依据均采用国内相关标准及规范。

2.2 设计原则

根据项目EPC 总承包合同的特点，在满足系统功能要求的前提下尽量节约投资。主要设计原则有：

（1）兼容性：根据业主要求，能与其同一流域的其他梯级电站自动化体系具有良好的兼容性。

（2）时效性：良好运用现代网络技术、计算机技术、软件工程技术等，实时动态监控大坝安全。

（3）可靠性：系统应能长期稳定可靠运行；数据采集要求准确可靠；关键部位应有人工监测的接口，以保证即使自动化系统发生故障，也不会丢失监测数据；应用软件应运行稳定，确保不发生致命错误。

（4）适应性：测量控制单元应能适应这些复杂仪器的接口。

（5）开放性：能方便地进行升级、扩展、修改、增加和替换。

（6）易维护：系统必须具有较强的自诊断能力，自动查出系统故障并发出信息，以便及时修复；系统维护操作应简易。

（7）经济性：在满足业主功能要求的同时，根据EPC 合同特点尽量避免重复投资，节约成本。

3 系统结构及构成

3.1 系统纳入的仪器

纳入监测自动化系统的监测部位主要为大坝和电站主厂房，以大坝坝体为主。强震仪系统作为单独系统另外设计，预留接口纳入本监测自动化系统。

设计方案从电站管理角度出发，满足动态监测的功能要求下，考虑EPC 合同特点，结合现场实际监测项目布置，对影响大坝安全的重点监测项目纳入自动化。主要项目包括坝体应力应变计温度监测、渗压渗流监测、强震监测、坝体变形监测（以正倒垂为主）。大坝安全监测项目仪器总计349 支，纳入自动化仪器共计228 支。

3.2 系统总体结构

沫若水电站监测自动化系统采用南京某公司DAMS－Ⅳ型分布式大坝安全自动化监测系统，其数据采集装置采用DAU2000，将分布在坝体各个部位共9个采集测站内，总计13个。由于坝体埋设的仪器均为振弦式仪器，故采集单元均采用NDA14 系列振弦式模块，共计24 块。

自动化系统由采集测站、监测管理站和监测中心站组成。采集测站内的采集单元DAU2000 使用RS485 通讯电缆与监测管理站连接。监测管理站与监测中心站之间采用机电通讯光缆连接实现网络通信。系统数据采集网络采用总线拓扑结构，即以数据采集计算机作为中央节点用总线向外延伸，连接相应监测站内的采集单元。总线通讯架构结构简单，具有良好的通用性和兼容性。

3.2.1 采集测站

采集测站主要分布在坝体内部各层廊道观测房。大坝共布置了8个采集测站，测站内布置采集单元共12个（DAU01～DAU12），与大坝监测管理站通过敷设RS485 线缆进行通讯连接。主厂房GIS 控制室布置1个采集单元（DAU13）,接入厂房区域拟纳入自动化系统的传感器，通过光缆直接接入监测中心站。

3.2.2 监测管理站

监测管理站设置在坝前生态电站控制楼。所有纳入自动化系统的传感器通过敷设观测电缆，与测量控制装置相连，经数据控制总线连接等方式引入管理站内，再通过现场机电通信光缆引至电站GIS控制室的监测中心站，接入监测自动化系统。

3.2.3 监测中心站

监测中心站设置在厂房GIS 控制室内，其主要功能是通过安全监测信息采集管理对监测管理站自动和半自动采集的数据、人工测读的数据、安全监测相关的文档资料进行集中统一管理，可向监测管理站的采集计算机或直接向分布于各部位测站发布相关控制指令，同时预留远程服务功能接口。

监测中心站主要配置的设备为数据处理服务器、Web 服务器和工作站计算机及相应的外部设备（包括网络设备、存储设备、打印设备、电源设备及防雷设备等）。与监测管理站通过光缆传输连接进行网络通信和数据采集。

3.3 系统供电与防雷

3.3.1 系统供电

监测中心站、监测管理站、测站均采用专线供电方式。大坝12 台数据采集单元（DAU），需配置1 台2KVA 稳压电源集中供电；监测管理站及监测中心站配置净化稳压电源，同时配置交流不间断电源（UPS）对站内设备供电。

3.3.2 系统防雷接地

监测中心站和监测管理站直接利用工程现有的防雷、接地设施。对于各传感器传输线缆，在传感器线缆引入采集测站前，都作屏蔽保护，屏蔽装置与工程接地装置相连。暴露在外的通讯线缆及光缆都加钢管保护。

3.4 系统结构图

系统监测中心站通过RS-232 单路光端机引出两路光缆，一路连接GIS 控制室的采集装置DAU13，一路连接监测管理站的采集装置DAU01～DAU12，网络结构图如附图所示。

4 系统功能设计

根据业主要求，自动化系统功能要求主要为：查询各安全监测仪器的工作状态、及时掌握工程建筑物的工作性态、能对工作性态进行综合分析并指导安全运行。因此，本工程自动化系统的功能设计主要表现在以下方面。

4.1 监测功能

包括对各类传感器的实测数据进行自动采集,备份测量数据；为满足电站对水工建筑物安全监测的各种不同的管理要求，本次设计的系统提供了4种不同的监测数据采集方式：

（1）定时测量方式（即无人值班方式）。根据监控主机所设定的测量时间及周期，DAU 能自动定时地进行选测和巡测，数据自动入库，主要用于日常常规测量；

（2）人工干预巡回测量、选点测量方式。必要时，安全管理人员可通过监控主机任意进行测量。

（3）人工采集。人工采集的对象为只能人工监测的项目和需要用人工方法作为对比的监测项目。

（4）半自动采集。作为一种后备方式，自动化系统故障或检修的情况下，当监控主机或通信线路发生故障时，在恢复通信之前采用便携式计算机通过现场采集装置预留的计算机接口实施现场人工数据采集。

4.2 预警功能

自动数据采集系统测量控制能够对每支传感器设置其警戒值，当测值超过警戒值，系统能够进行自动报警。

4.3 系统操作功能

能在监测服务器、监测工作站上实现监视操作、输入／输出、显示打印、报告当前测值状态、调用历史数据、评估运行状态；根据程序执行状况或系统工作状况发出相应的提示，进行整个系统的运行管理；可通过人机接口界面（如键盘等）控制各级画面显示，可对系统配置、测点信息及相应的参数、监测数据等进行编辑修改。

4.4 显示功能

可在窗口中显示厂区枢纽监测系统的总貌、各监测项目概述及面貌、监测布置图、过程曲线、监测数据分布图、监测控制点布置图等。

4.5 电源保护功能

在具备有备用电源情况下，交流供电断电时可自动切换，保证不影响正常的数据采集。

4.6 通讯及防雷功能

各采集装置和传输线缆均具有防雷条件。通讯功能包括采集测站与监测管理站的通信、监测管理站与监测中心站的通信，同时开放系统通讯协议。

4.7 人工接口功能

附图 沐若水电站安全监测自动化系统网络结构图

采集装置具有与便携计算机连接的接口，能够使用便携计算机从测控装置中读取监测数据，以保证在通信系统故障时可获得监测数据。

4.8 系统自检功能

系统自检功能确保及时提供维修，保证监测数据的连续并正确指导安全运行。

4.9 安全管理功能

对系统软、硬件配置防火墙和网关保护。设置有多级用户权限、多级安全密码，对系统进行有效的安全管理。

4.10 数据传输功能

能通过预留的接口进行网络发布和远程传输，便于业主对现场的调度和管理。

5 结语

大型水利建筑物的安全对国民生计有着重要的影响，因此，对其建筑物的安全监测工作也成为必不可少的一部分，尤其在进入运行期后，更是一项长期的、持续的工作。随着科技的发展，监测自动化将应用得更加普及。它极大地减轻了现场管理人员的工作强度，节省了人力资源配置。同时，其可靠、准确的监测数据和实时、全面的数据处理分析将为管理者指导安全运营提供科学客观的重要依据。

[1]关于进行沐若水电站大坝安全监测自动化系统的专题研究[R].武汉：长江勘测规划设计研究院，2012。

[2]DL/T 5211-2005.大坝安全监测自动化技术规范[S].北京：中国电力出版社，2005.