猴子岩水电站监测自动化系统设计

胡升伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 设计的必要性

猴子岩水电站建成投入正常运行后，监测系统若以人工观测为主，无法适应现代企业管理的需要，具体问题如下：

(1)猴子岩水电站工程安全监测项目布设比较齐全，测点较多，直接导致人工观测工作量大，观测周期长，单靠人工观测无法满足及时掌握工程建筑物和边坡的工作性态，保证工程安全运行的要求。

(2)人工观测采集到的监测数据还需要人工输入计算机中，需要人工进行整理计算，在整理计算过程中如若发现原始观测数据或计算结果有问题，需返回现场重新观测。

(3)在枢纽汛期高水位时，要求枢纽观测频次加密，现场观测工作将更为紧张，劳动强度更大；由于人工观测的数据入库比较缓慢，观测数据得不到及时处理，上级主管部门及各级领导将无法及时了解枢纽的工作性态，严重影响流域防汛指挥的调度与决策。

因此，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，不但能够达到快速完成工程安全监测数据采集工作，做到观测数据快速整编、及时分析、及时反馈；同时也可降低现场工作人员工作强度。

2 设计范围和内容

在综合考虑整个枢纽区的监控体系布置基础上，接入监测自动化系统的各监测部位的监测设施必须具有针对性和必要性。监测测点接入太多使得系统庞大、可靠性降低；监测测点接入太少又不能达到有效安全监控的目的。为使进入自动化系统的的监测设施控制在适度、合理的规模，在综合考虑监测部位的重要性、目前的安全现状和监测仪器的可靠稳定性等因素[1]的基础上，确定的监测自动化设计范围及内容如下：

图1 监测自动化组网连接示意

图2 监测站、管理站、中心站组网配置示意

(1)挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统建筑物、工程边坡、堆积体及业主营地等为纳入安全监测自动化系统的重点部位，除部分施工期监测项目及非电测类仪器外，其余监测项目均考虑接入监测自动化系统；枢纽区水力学监测项目和堆积体测斜孔不接入安全监测自动化系统。

(2)导流洞进口边坡及进口段在蓄水后全都淹没在水中，其埋设的监测仪器将不考虑接入自动化，后期进行人工测读，重点考虑堵头及下游监测部位的监测仪器接入监测自动化系统。

(3)大坝水管式沉降仪、引张线式水平位移计、左右岸灌浆廊道内绕渗孔和量水堰、两岸坝肩绕渗孔及坝后和厂区量水堰等考虑改造为电测以便实现自动化监测。

3 监测自动化系统

3.1 系统组网

猴子岩水电站内观监测自动化系统按三级(监测站、监测管理站和监测管理中心站)规划。安全监测自动化系统设备采用分布式、RS- 485与TCP/IP综合组网；测站内的数据采集装置之间采用RS- 485总线连接；监测站与管理站之间采用星形连接及TCP/IP光纤通讯的网络拓扑形式；监测管理中心站与监测管理站之间通过厂内TCP/IP网络进行远程通讯。

现场监测站与监测管理站、监测管理站与监测中心站之间的自动化组网连接及配置示意图详见图1、2。

3.2 监测站

现场监测站是数据采集装置对监测传感器进行数据采集、存储、电源管理及监测数据上传和接收监测管理站上位机的控制指令。

根据猴子岩水电站枢纽建筑物布设特点及监测管理站的环境要求，监测站布设原则是监测仪器相对集中的部位集中布设，主要考虑交通、通风、远离强电磁干扰设备以及施工期监测电缆的走线情况等因素；以利于监测电缆的牵引方便和牵引长度最小，同时使自动化数据采集模块的利用率最大化。

监测站主要布设在面板堆石坝坝顶及坝后观测房、深孔和非常泄洪洞出口边坡及工作闸室、溢洪洞出口边坡、泄洪放空洞出口边坡及工作闸室、电站进水口边坡、地下厂房水轮机电气夹层、尾调室安装场、尾水隧洞出口边坡、开关站边坡和角坝、泥洛堆积体等。

3.3 监测管理站

监测管理站的数据采集计算机通过数据采集系统接收数据采集装置的数据、进行转换，并按规定的格式统一存放在原始和整编数据库中；另外还接收监测管理中心站上位机的相关指令，对数据采集装置下达控制指令。监测管理站应具备有适合工业应用环境，具备良好的接地、防雷、抗干扰功能，具备净化电源和不间断电源，确保系统稳定供电。有较高运算速度、较大存储容量和远程通讯的的控制计算机。

根据工程规模和特点，结合监测项目布设情况，便于将分散的监测站集中管理，在大坝坝顶右岸布设监测管理站，管理右坝肩及附近边坡区域的监测站；地下副厂房布设监测管理站，管理三大洞室及其相邻区域的监测站。另外，坝顶左岸监测管理中心站兼有管理站的功能，负责管理左坝肩及附近边坡区域和堆积体的监测站。

3.4 监测管理中心站

监测管理中心站布设于大坝坝顶左岸，负责猴子岩水电站工程全部安全监测管理工作。监测管理中心站通过安全监测信息管理或综合分析系统对监测管理站和监测站自动采集、其他半自动、人工测读的数据、工程所有与安全监测相关的文档资料进行集中统一管理，具有监测资料的初步分析和发布功能；并将初步分析成果反馈给监测管理站和监测站的采集计算机相关控制指令，同时后期与库坝流域综合信息管理系统无缝连接。

监测管理中心站应具备适合工业应用环境，具备良好的接地、防雷、抗干扰功能，具备净化电源和不间断电源，以确保系统稳定供电。

3.5 网络通讯方式

监测站和传感器之间、监测站和监测管理站之间、监测管理站和监测中心站之间都存在通讯，系统间各通讯接口与传输方式结合工程监控体系布置特点灵活选用。结合猴子岩工程监测布置特点以及自动化系统组网形式，各系统之间通讯方式规划如下：

(1)监测站(放置数据采集装置，简称MCU)与传感器之间，鉴于各类型数据自动采集装置均有自己的通讯方式，且不影响系统总体功能，只要满足能有效采集各类监测传感器的信号即可[2]。

(2)监测站和监测管理站之间的通讯方式根据建筑物和边坡的监测布置和监测管理站的设置综合考虑。挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统建筑物的监测站由于较为集中，与监测管理站之间通讯采用星形连接及TCP/IP光纤通讯的网络拓扑形式，实现系统的高速数据通讯、抗电磁干扰和雷暴，从而保证系统可靠安全运行。左岸边坡和堆积体把传感器引入附近的监测站，再以星形连接及TCP/IP光纤通讯的网络拓扑形式将汇集数据传送至坝顶左岸监测管理中心站；右岸边坡把传感器引入附近的监测站，再以星形连接及TCP/IP光纤通讯的网络拓扑形式将汇集数据传送至坝顶右岸监测管理站。

(3)监测管理站和监测中心站之间通过局域网连接，实现数据安全、快速传输。

(4)监测中心站后期与大渡河流域库坝信息综合管理系统采用专用网络实现接入。这种异地远程数据通讯，主要解决远程对现场监测数据的传输、共享和监控问题。

3.6 电源供电方式

(1)监测管理中心站。监测管理中心站采用双电源供电，多路输出220 V除对站内设备供电外，中心站配置一套交流不间断电源(在线式UPS)，蓄电池维持系统设备正常工作至少3 d。

(2)监测管理站。监测管理中心站采用双电源供电，多路输出220 V除对站内设备供电外，各监测管理站分别配置一套交流不间断电源(在线式UPS)，蓄电池维持系统设备正常工作至少3 d。

(3)监测站。监测站采用厂用电源供电，多路输出220 V除对站内设备供电外，各监测站分别配置一套交流不间断电源(后备式UPS)，蓄电池维持数据采集装置正常工作至少7 d。

3.7 系统防雷和接地

雷击对安全监测自动化系统危害较大；为提高监测系统的防雷避雷性能，必须采取相应的防雷措施。由于建筑物和边坡监测仪器埋设分布范围较广，为确保安全监测自动化系统正常运行，必需采取相应防雷措施防止雷电对监测自动化系统的破坏[3]。因此，结合本工程实际情况，主要从系统接地、电源防雷及通信防雷三方面进行设计。

(1)监测管理中心站、监测管理站。结合猴子岩电站的实际情况，监测管理中心站和监测管理站可直接利用工程的防雷、接地设施，但接地装置的电阻应小于4 Ω；机房内设备的工作地、保护地采用联合接地方式与工程区公用接地网可靠连接。电源防雷采用三级电源防雷，主要由三相并联式电源防雷器、隔离变压器、稳压电源等组成，同时兼防电网中的浪涌。应在监测管理中心站和监测管理站各配置1台220 V交流电源防雷箱和防雷隔离稳压电源。通信防雷要求进入监测中心管理站、监测管理站的所有金属管线和电缆金属外皮均应接地，同时还应选择适合的避雷器加以保护。

(2)监测站。监测站直接采用接地线(镀锌扁铁)与工程区公用接地网连接，接地装置的电阻应小于10 Ω；远离公用接地网的监测站，应在其附近设置接地点，采用Φ36 mm的钢筋打入地下2 m，然后采用接地线(镀锌扁铁)与其连接，接地装置的电阻应小于10 Ω；测站设备的引入电缆应采用屏蔽电缆，其屏蔽层应可靠接地。

3.8 系统运行方式

(1)中央控制方式。由监控主机或授权计算机，命令所有测控单元同时巡测或指定单台、单点进行选测，测量完毕将数据列表显示，并根据需要存入采集数据库。

(2)自动控制方式。由各测控单元自动按设定时间进行巡测、存储，并将所测数据送到监控主机备份保存。

(3)远程控制方式。由经授权的远程计算机，利用通信网络线路等方式对监测中心管理站以及监测管理站进行全过程操作或对现场测控单元进行连接控制、检测和管理。

(4)人工测量方式。利用人工接口装置进行人工测量，试运行期进行比测。

4 结 语

(1)基于猴子岩水电站工程进度以及枢纽区监测设计内容的重要程度和测点工作状况的评估，确立了监测自动化系统实施的范围，主要包括挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统建筑物、工程边坡、堆积体及业主营地等。

(2)猴子岩水电站枢纽工程安全监测自动化系统主要包括自动化数据采集系统和监测自动化信息管理系统。按监测站、监测管理站和监测管理中心站三级规划，后期实现大渡河流域库坝安全信息综合管理系统对现场监测管理中心站的远程管理工作。

(3)根据工程规模及特点，自动化系统共布设监测站29个，监测管理站2个，监测管理中心站1个；监测自动化系统设备采用分布式、RS- 485与TCP/IP综合组网，测站内的数据采集装置之间采用RS- 485总线连接，监测站与监测管理站之间采用星形连接及TCP/IP光纤通讯的网络拓扑形式，监测管理站与监测管理中心站之间通过厂内TCP/IP网络进行远程通讯。

(4)通过实施监测自动化系统，能够达到“无人值班、少人值守”的电厂管理要求，满足远程监控和专家领导系统分析决策的现代企业管理要求。