大坝安全监测自动化系统在黄金坪水电站的应用
2018-03-09
(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 康定，626001)
黄金坪水电站位于大渡河上游河段，系大渡河水电基地干流水电规划“三库22级”的第11级电站，上接长河坝水电站，下游为泸定水电站。电站的安全与稳定关系到上下游人民的财产与安全，因此，时刻监测大坝的安全起着至关重要的作用。随着电子、计算机网络、通信和传感器技术的发展，大坝安全监测自动化的技术已日趋成熟，已广泛应用到水电站坝工建设和坝体安全监测中。本文依托黄金坪水电站，介绍安全监测自动化系统在黄金坪水电站的应用情况。
1 工程概况
黄金坪水电站的坝址控制流域面积56942km2，占全流域面积的73.58%，多年平均流量847m3/s。水库正常蓄水位为1476.00m，相应正常蓄水位库容为1.28亿m3，校核洪水位为1478.93m，相应水库总库容为1.4亿m3，死水位1472.00m，汛期运行水位1472.00m，坝壅水高73m，最大坝高95.5m，水库具有日调节能力；电站总装机容量850MW(大800MW、小50MW)，多年平均年发电量38.61亿kW·h。黄金坪水电站是以发电为主的大(2)型工程，无航运、供水、防洪、灌溉等综合利用要求。水电站由挡水大坝、溢洪道、泄洪洞、左岸引水发电建筑物、右岸引水发电建筑物及工程边坡组成，黄金坪大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，黄金坪厂房为引水式地下厂房。
2 监测自动化的总体设计方案
黄金坪水电站安全监测自动化系统采用分布式、多级连接的网络结构形式。其安全监测自动化系统按两级设置，即前方现场监测站和后方监测中心站。现场监测站主要作用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中心站上机位的控制指令。监测中心站主要作用是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并进行转换、按规定的格式统一存放在原始和整编数据库中，工作站和服务器通过安全监测信息管理系统对现场测站自动采集、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，且通过安全分析评价系统进行监测资料的分析和发布工作。
2.1 自动化监测系统总体功能
2.1.1 监测功能
系统应具备多种采集方式和测量控制方式：
(1)数据采集方式应有选点测量、选箱测量、巡回测量、定时测量，并可在测量单元上进行人工测读。
(2)测量控制方式为应答式(由采集机或联网计算机发出命令，测量单元接收命令、完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并根据命令要求将测量的数据传输至计算机中)，能够对每支传感器设置其警戒值，当测值超过警戒值时，系统能够进行自动报警；系统具备接收和上传上级主管部门监测数据及信息的功能。
2.1.2 显示功能
显示监测布置图、过程曲线、监测数据分布图、测点布置图、报警状态窗口等。
2.1.3 存储功能
系统应具备数据自动存贮和数据自动备份功能，在外部电源突然中断时，保证内存数据和参数不丢失。
2.1.4 操作功能
从现场或监测中心的计算机上可实现监视操作、输入/输出、显示打印、报告现有测值状态、调用历史数据、评估运行状态等功能。
2.1.5 自检和报警功能
系统应具有自检能力，对现场设备进行自动检查，能在计算机上显示系统运行状态和故障信息，以便及时对系统进行维护；应具有运行日志、故障日志记录的功能。
2.1.6 供电功能
系统采用220V交流电源，测量单元配备备用蓄电池，在系统供电中断的情况下，能保证现场测量单元至少连续工作一周。
2.1.7 耐恶劣环境功能
系统应具有较强的环境适应性和耐恶劣环境性，具备防雷、防潮、防锈蚀、防鼠、抗振、抗电磁干扰等性能，能够在潮湿、高雷击、强电磁干扰条件下长期连续稳定运行。
2.1.8 比测功能
系统应备有与便携式检测仪表或便携式计算机通信的接口，能够使用便携式检测仪表或便携式计算机采集监测数据，进行人工补测、比测，防止资料中断；应具有方便可操作的人工比测专用装置和设备。
2.1.9 远程操作功能
对于授权用户，可远程实现上述功能或部分特别功能。
2.1.10 数据通讯功能
系统应具备数据通信功能，包括测量单元之间以及测量单元与监测管理站计算机之间的双向数据通信，以及监测管理站与其他网络之间的数据通讯。
2.1.11 综合信息管理功能
系统应有在线监测、离线分析、数据库管理、安全管理等功能。
2.1.12 网络安全防护功能
具有多级用户管理功能，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，确保网络的安全运行。
2.2 自动化监测系统的项目及测点
在监测仪器接入监测数据采集系统前，对已埋设的每一支仪器的工作状态进行测试、评价，以确定该仪器测值的可靠程度。根据现场测点分布情况及其测点监测的作用及鉴定情况，布置监测仪器进行优化后接入自动化系统，纳入自动化系统的监测仪器包括：多点位移计、锚索测力计、钢筋计、锚杆应力计、测缝计、钢板计、温度计、测压管(渗压计)、渗压计等。
2.3 自动化系统网络结构型式
黄金坪水电站现场安全监测自动化子网络采用总线型分布式网络。各系统之间通讯方式如下：
(1)测站与传感器之间，采用各类型传感器的专用信号电缆，满足有效传输本工程各类监测传感器的信号；
(2)测站内采集单元之间通讯方式采用RS-485总线方式，测站之间通讯方式采用光纤通讯；
(3)监测中心与前方测站之间采用光纤信号传输。
系统整体分为二个层次：
(1)监测站：为了便于大坝安全监测自动化系统的管理，需要把25个临时监测站进行重新优化，优化后的监测站为永久监测站，根据现场情况进行实际优化，将25个临时监测站优化成10个永久监测站，其中个别测站仪器距离较远或者为施工期临时监测项目，准备取消接入自动化系统。现场传感器通过信号电缆将模拟信号传送至现场采集单元模块，采集单元模块安装在数据采集机箱内，整体构成数据采集前端单元(MCU)。1个或多个数据采集前端单元(MCU)集中放置在指定的专用成品标准工业保护机柜或观测房内，构成一个一般监测测站。
图1 黄金坪水电站大坝安全监测自动化系统网络结构示意
(2)监测中心站：为了便于各个测站的管理及整个自动化系统的操作及数据处理，在环境较好，适合工作的地方(现场管理房一楼的控制中心)设立监测中心站，监测中心站设置在厂房交通洞口的中控楼内，数据采集服务器等计算机、打印机、服务器等中心站设备全部安装在中控楼。中心站用于整个系统的管理、操作、数据处理。监测中心站内一般布设有数据服务器、交换机、工作站(计算机)、输出系统(打印机)、电源系统、防雷系统、防火墙、接口等设备，满足对系统内及对外通讯。
2.4 系统的防雷和防潮
黄金坪水电站夏季雷雨季节较多，空气湿润，处多雨季地域，部分测站分布在户外和基础廊道及交通洞内，因此要制定系统的防雷和防潮措施。
2.4.1 系统的防潮措施
(1)DAU防水防潮措施：采用南瑞DAU机箱，此机箱采用德国威图原装产品，机箱的防护等级达到了IP56，包括威图机柜的独一无二密封处理、威图机柜的表面处理层保护工艺、进线孔的密封处理、防潮加热器的应用；
(2)采集模块的防潮工艺；
(3)严谨的电缆接续工艺。
2.4.2 系统的防雷措施
(1)供电的防雷：采取的防雷措施是在各个区取电点进行隔离稳压保护，并设置有防雷保护器，对供电线路进行全面保护。
(2)通信的防雷：设置有通讯防雷保护器，对通信线路进行保护，同时对通信线的敷设和连接采取相应的防护措施。
(3)监测站和管理站的防雷：直接利用工程的防雷和接地设施，接地装置的电阻小于4Ω。
(4)其他防雷措施：所有暴露在外的电源电缆、信号电缆、通讯电缆采用镀锌钢管或PVC管保护。其中镀锌钢管之间以及镀锌钢管与接地网之间采用焊接的方式连接，室外镀锌钢管尽量敷设在沟槽内，并做好保护，以实现电缆及保护管的防雷。
3 自动化监测系统的运行
3.1 系统的运行和维护
黄金坪水电站自投入试运行以来，采用自动化监测系统通过采集软件(南瑞DSIMS4.0大坝安全监测管理系统软件)自动采集运行的模式，
每天定时测量采集1次，在各个测站测量完毕后，系统定时自动将各模块内的所有实测数据取回、进行成果计算，并将所有原始数据、计算结果等自动存入服务器的系统数据库中。
根据规范要求，定期对系统数据采集单元、模块和软件进行定期检查维护，对自动化设备定期巡视检查。试运行期以来，系统运行正常稳定，测值可靠，系统主要性能和功能满足规范要求，运行情况良好。
3.2 人工比测及监测资料对比分析情况
在试运行期间，自动化和人工测量结果定时进行比测分析，并通过二者过程线的比较，得出自动化测量结果变化稳定，过程线平滑，变幅和规律性与人工测值过程线一致，各监测点没有出现趋势性偏移，能反映监测对象的实际变化规律，系统的比测结果满足设计和规范要求。
3.3 监测系统运行情况评价
黄金坪水电站大坝安全监测自动化系统自投入试运行以来，按照《大坝安全监测自动化技术规范》要求，对系统功能、系统稳定性、系统可靠性等进行了考核，并进行了人工对比比测，考核结果显示，系统各项功能运行正常，自动化测值变化稳定，监测数据连续性、周期性较好，自动化采集数据与人工数据比较变化规律基本一致，变幅相近、能反映工程监测对象的变化规律。整个系统试运行情况表明，其功能、运行的稳定性、可靠性和人工比测精度满足设计和规范要求。
4 结语
黄金坪水电站大坝安全监测自动化系统具有实用、快读、齐全、高精度自动化等特点，系统试运行以来，其功能、运行稳定性、可靠性、测量精度等满足设计及规范要求，达到了工程设计的要求。自动化的实用性大大减轻了人工测量的工作量，提高了观测精度和观测频率，对大坝的安全运行起到不可或缺的作用，并为黄金坪水电站大坝安全监测实现“无人值班、少人值守”的运行模式打下了坚实的基础，对公司库坝中心建设管理起到了积极推进作用，也为水电站大坝安全监测自动化系统的建设和运行管理积累了宝贵的经验。
