天台龙溪水库大坝自动化升级及标准化平台

李 锐、施达栋、王 鼎

（1. 浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310009；2. 天台县龙溪水力发电站，浙江 天台 317200）

1 引言

龙溪水电站位于浙江省天台县龙溪乡始丰溪支流黄水溪中游，距离县城约40 km。主坝坝址位于黄水溪源头天柱溪和龙溪汇合口下游约150 m的河谷中，副坝坝址位于主坝右侧约700 m处；电站厂房位于黄水溪左岸支流石坦坑出口右侧的长天上山脚，距离坝址2.42 km。

龙溪水电站是一座以发电为主的中型水库。水库坝址以上集雨面积35.5 km2，跨流域实际引水面积31.5 km2，合计集雨面积67 km2。水库正常蓄水位为398 m，相应的正常蓄水库容为2 257万m3，发电死水位372 m，相应的死库容为251万m3，调节库容为2 006万m3，为年调节水库。电站装机容量为2×8 000 kW，水轮机额定水头234 m，设计流量2×4.13 m3/s，属三等工程，电站厂房按30年一遇洪水标准设计，200年一遇洪水标准校核。枢纽工程主要由主坝、副坝、泄洪建筑物、放空建筑物、发电输水建筑物和发电厂等组成。1985年10月由浙江省水利水电勘测设计院编制完成《龙溪水电站枢纽工程初步设计报告》，跨流域引水部分的勘测设计由天台县水利局完成。1987年9月由浙江省水利水电勘测设计院开始枢纽工程的施工图设计，于1988年11月完成施工图设计。1990年3月通过水库蓄水前验收后下闸蓄水。1990年7月通过机组启动前验收后正式投入发电。2016年3月，由浙江省水利水电勘测设计院编制完成《浙江省天台县龙溪水电站报废重建工程初步设计报告》。

2 大坝安全监测升级

2.1 现状介绍

龙溪水库大坝监测包括表面变形监测，坝体内部变形监测、面板接缝位移监测及大坝渗流监测。

表面变形监测共设有基点和位移测点39个，分别为左右岸水准基点2个，坝顶下游侧及两条马道所设位移测点21个，6个校核基点和6个工作基点分别设于坝顶下游侧及两条马道的两头积岩上，大坝下游两处观测房设有2个位移测点并配置2个起测基点。基点及位移测点均采用观测墩上安装简易标点形式，利用全站仪测量坝体沉降及水平位移量，现观测墩出现剥落、标点出现锈蚀情况。

坝体内部变形监测包括内部水平位移及内部沉降监测。坝体水平位移监测在0+060 m断面，373.042 m高程设有两条引张线，在下游观测房内设有测读装置，采用人工测读方式进行监测，需人工加、卸砝码。坝体内部沉降监测在0+060 m断面设有10个测点，其中385 m高程设有2个测点，372.1 m高程及361.5 m高程均设有4个测点，测读装置分别位于下游观测房内，采用人眼观察有机玻璃管内液面最低处的高度进行监测。

面板周边缝位移监测共设5个测点，TS1、TS2、TS4、TS5为三向测缝计，TS3为两向测缝计且在河谷底，TS2和TS4在发电死水位以下，设备无法正常采集观测数据。

渗流监测通过人工观测坝体下游测量水堰三角堰板处的液位高度进行监测。

2.2 改造方式

龙溪水库大坝安全监测系统于1990年开始投入使用，随着自动化、信息化的高速发展，自动化监测系统发展水平、技术及理念的提高，原监测系统耗费大量人力且不能满足当前需要，现对大坝监测系统进行自动化改造，改造内容如下：

（1）表面变形监测

坝体共设3条视准线，建议将观测墩进行改造，加装强制对中基座替换原有水准点，保留水准基点及观测房测点。采用全站仪对视准线上的测点进行观测，通过换算可得出各测点的水平及垂直位移量。保留的水准基点用于校核各工作基点的高程。

（2）坝体内部水平位移监测

将原观测台架进行更换，同时配置砝码自动升降装置与动力电机、位移传感器、自动测控单元、现地控制单元，实现加载、卸载的过程全自动控制和各测点位移的自动化测量与数据采集。

（3）坝体内部沉降监测

更换原有人工测读观测屏及给水装置，配置自动充水系统、微压液位传感器、电池阀系统、自动测控单元，实现全自动加水过程和各测点水位高程的自动测量与数据采集。

（4）面板周边缝位移监测

由于TS3两向测缝计位于水库死水位以下，无法更换修复。TS1、TS5三向测缝计进行更换，同时配置自动测控单元实现数据自动采集。

仪器外部结构包括位移传感器、两端的万向节、滑动测杆及固定支架等，具体见图1。

（5）渗流监测

建议在量水堰中设置量水堰仪对量水堰中水位进行监测，同时将量水堰仪接入自动测控单元，实现自动监测。

图1 测缝计安装示意图

量水堰监测系统由量水堰板、量水堰仪等组成。量水堰仪通过仪器下部的连通管将监测对象的水引入仪器圆筒内，仪器中悬挂的圆柱不锈钢浮筒浸在水中，当水位计水位变化时，浮筒所受的水浮力发生变化引起感应部件的应力发生变化。测量时利用感应部件产生信号经电缆传输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到水位的变化量。同时由仪器中的热敏电阻可同步测出仪器安装点的温度值。

图2 量水堰仪安装示意图

（6）自动化系统

1）自动测量单元（MCU）分布

自动化采集系统接入设备包括引张线式水平位移计2个，水管式沉降仪10个，三向测缝计4组12支，单向测缝计2支，量水堰仪1支。根据仪器接入数量及仪器分布，自动测量单元安装位置如表1所示。

表1 测缝计配置表

2）自动测量单元功能

①MCU采样通道能适配选用的传感器，容易检测维修。

②配备数据采集软件时，MCU单机能正常观测。交直两用电流，具有掉电自保护功能，外电切断后，仪器能正常工作7 d。

③装置具有实时观测、数据处理、存储、输出等功能。

④有RS485通信接口。

⑤MCU、电源系统、通信系统、传感器线路均设置了有效的防雷措施。

⑥每通道观测时间不超过5 s。

⑦装置具备有线、无线通信方式，且两者可以互为备用。具有至少1.5 MB大容量存储器，模块存储数据至少达到10万个。

（7）监测软件

监测软件支持多串口协议和路由，能胜任负责的分布式测量系统的数据采集、传输和管理，并具有充分的可拓展性，适应任何新增加的需求。通过提供固定算法和用户自定义算法，实现各种不同监测成果的计算和输出。具有超强的适应能力，适应不同规模不同形式的应用。提供多窗口应用界面，窗口间相互联动，多样化窗口界面输出风格满足用户的不同要求。

监测软件包括系统管理、自动化配置、自动化控制及数据管理。

1）系统管理：可进行新建、删除用户等操作，并对用户权限、日志等进行管理；

2）自动化配置：可对自动化采集单元和安全监测设备进行增加、删除以及修改等配置；

3）自动化控制：系统能够显示采集单元及现场网络的工作状态，并获取采集单元的参数和数据等信息，同时可在线测量测点的监测数据，获取测点当前时间点的即时数据。

4）数据管理：可实现对数据库中的监测数据进行查询、整编等功能，并可通过测点配置的测值转化公式，计算结果测值，将结果生成报表并导出。

3 视频监视系统建设

3.1 技术实现

图像监视系统，由前端摄像机、图像传输网络、硬盘录像机及控制系统等部分组成。

系统前端采用高清一体化网络球形/枪型摄像机（带夜视功能），采集的图像信号通过光纤网络传至水库中心站的视频控制、录像设备，实现系统控制、录像和图像显示。库区内较远监视点通过租用网络运营商专线将信号传至水库中心站。

通过硬盘录像机可将图像信号压缩转换成数字信号后接入以太网交换机，完成视频图像在内部LAN网络上的传输，通过连入以太网交换机的视频多媒体工作站实现对该监视系统的数字控制、管理和设置，视频多媒体工作站利用视频软件通过网络来对各现场图像进行监视、存储，同时可控制现场一体化球型摄像机云台的上、下、左、右旋转；电动变焦镜头的变焦、聚焦和光圈的可变调节，可通过网络在线对软件进行升级和设置，使运行人员在控制中心室内能够直观地看到现场及设备运行情况，足不出户地对视频系统进行控制、管理和设置。

3.2 测点布置

水利工程标准化管理要求中型水库在以下位置布置视频监视点：

（1）大坝的上游坝面及附近水域、坝顶、下游坝面；

（2）溢洪道、泄洪孔、泄洪洞等启闭机房和进出口一定范围；

（3）人工测读的水位尺及管理区出入口等。

水库部分设施设有视频监视，视频监视采用模拟摄像机，摄像机清晰度、位置、数量等无法满足实际需求。根据标准化要求和龙溪水库的实际情况，将原视频监视系统拆除重建，保留原光纤网络且采用网络红外摄像机，视频监视点布置如表2所示。

表2 视频监视点布置表

3.3 监视要求

视频监视的观测频次、数据保存与备份等，应与工程检查相衔接。

泄洪设施投入使用前至泄洪结束后的一段时间内，应落实专人进行连续观测，发现异常时应及时做好视频资料的保存、记录、归档并报告。

本次新建视频监控系统时，需充分考虑未来新增监控点位的需求，为系统的集成和统一管理预留扩展接口，满足水库信息化管理的需求和日常工作的正常开展。

4 传输及网络

水库网络构架包括数据采集网络和视频监视网络。整体系统集成网络如图3所示。

图3 系统网络结构图

（1）数据采集网络

大坝自动化监测包括坝体内部水平、沉降，面板周边缝位移及量水堰水位，通过自动测量单元采集并存储数据。大坝共设置6个自动采集单元，分别位于左、右坝头观测房和下游观测房，各采集单元通过光纤与中心站通信，同时配置光端机及监测工作站。渗流监测的量水堰计采用振弦式量水堰计，信号线接入右坝头自动采集单元。

（2）视频监视网络

库区共设置15个视频监视点，各监视点通过光纤将视频信号传输至中心站，同时配置光端机、交换机及硬盘录像机。

5 管理基础

5.1 制度手册

根据水库电站实际情况应建立、健全保障工程安全运行、具有针对性和可操作性的各项管理制度，汇编成册并定期修订与完善。

制度手册应涵盖工程检查、安全监测、维修养护、调度运行、值班报告、物资管理、档案管理、安全保卫等管理制度。同时，应保证手册内各项制度内容完整、要求明确，不可存在明显的不合理、缺乏针对性与可操作性的内容。

5.2 操作手册

应按照本工程实际情况编制实际可行的操作手册，操作手册中管理事项应涵盖全部主要管理内容。管理事项应全面、合理，保证各事项工作要求、工作流程及记录（台账）明确合理。

6 标准化运行管理平台建设

6.1 巡查系统

本项目拟配置巡查终端和配套的射频标识，实现巡查人员、巡查对象的定位和数据上传。巡查终端和射频标识配合使用能够达到巡查点位的自动识别辨认，为巡查软件平台提供设备支撑。巡查系统共配置巡查设备6台，射频标识150个。

6.2 云平台

采用公有云计算平台作为系统运行环境，可以节约服务器购置费用，同时也减轻了系统建成后硬件系统的运维压力。系统将采用公网带宽5 M，云存储500 G云盘数据云平台作为系统运行的基础平台。依据国家相关网络安全的法律法规采取严格的网络安全措施保证系统安全，防止网络入侵。

6.3 数据建设

包括数据的收集、整理、校对、入库、更新等工作，数据范围包括水利工程属性信息（包括地理位置、工程图片、水工特征、控运计划等）、空间地理信息、管理单位信息、人员信息、管理制度、资料档案、预案方案等。

其他工程相关数据如巡查、检查、台帐等数据在工程日常运行中产生的数据在工程运行管理平台中随系统的使用产生，水雨情、视频等实时数据由基础设施建设中的采集系统提供或已建系统中进行接入。

（1）数据收集及整理

基于水雨情监测、视频监视、工情监测、安全监测等各类实时系统的数据按照通信协议要求进行统一采集处理，并按标准接口要求写入综合数据库。

工程特性、工程图纸、人工观测、人工巡检等静态数据按照数据标准进行收集、筛选、整理、校核后采用人工录入的方法录入综合数据库。

采用GIS桌面软件和空间数据库引擎建立空间数据库，以权威测绘单位（如国家测绘局）提供的电子地图或公用网络地图为基础，根据水利地理信息分类与编码标准，利用空间数据库提供的多用户空间数据模型组织复杂的空间数据，以GIS桌面工具为开发平台，建立一个开放的、灵活的基础空间数据库。

（2）数据集成及综合数据库

系统建设采用一体化平台化的设计思路，综合集成现有和新建系统，打通信息孤岛，建立统一的综合数据库，并提供统一的访问机制，实现不同权限用户的数据访问和业务应用，达到信息资源共享和业务协同的目标。

建立综合数据库，数据库主要由水雨情监测数据、工程运行数据、工程安全监测数据、视频图像数据、工程管理业务数据等内容组成。对各已建系统数据综合分析后按照一定规则对数据进行同步、抽取，对各系统数据进行集成。

（3）数据管理及数据服务

建立统一的数据资源管理和数据服务平台，提供实时数据库、关系数据库、文件数据库等标准接口，从而实现水库监控、安全监测、视频等各类信息的存储、管理及与应用系统、信息采集平台的交互。

形成统一的数据存储与交换和数据共享访问机制，提供数据共享服务，为一体化应用平台建设及水情、安全监测等应用系统提供统一的数据支撑。实现与浙江省水利厅、台州市水利局、天台县水利局等上级主管部门的信息化系统通信互联。

（4）全景图

利用全景图和无人机飞测展示工程全景信息和最新正射影像。整个水库共配置5张全景图以反映水库全貌。

1）坐标系统

坐标系统：CGCS2000大地坐标系。

高程基准：1985国家高程基准。

地图投影：高斯—克吕格投影，按3°分带。

2）坐标精度

平面坐标以米为单位，小数点后保留两位数据，大地坐标系以度为单位，保留小数点后6位，航摄点空间位置平面精度应优于5 m，高程精度应优于5 m。

6.4 平台软件

（1）信息总览

对水库运行数据进行统计分析，使管理人员能够了解水库实时运行情况，从而为工程运行管理提供参考，为水库管理的优化、灌区效益分析提供数据分析基础，具体包括水库水位库容情况、巡查情况统计和岗位任务情况等。

（2）综合地图

综合地图是系统应用平台最基本，也是最重要最常用的功能。综合地图基于地理信息，提供对水库工程情况、水雨情、工情、大坝安全监测、视频等各类信息的集中统一展示，实现水库全景情况的实时监视和历史数据查询等功能。

基础地图基于公网地图，局部重要区域结合大比例尺地图（来源于无人机飞测）和工程布置图。通过地图对水库大坝、泄洪建筑物、水库管理区域及水雨情、工情、视频等实时监测数据进行分层集中统一展示，直观地反映水库基本信息和灌区运行实时情况，方便水库运行管理。

（3）组织管理

人事组织管理主要对人事信息、组织机构，职责分工，岗位变动等信息进行采集、管理及辅助鉴定整理。对考勤情况、教育培训等进行管理。实现用户管理和用户权限管理。

结合管理事项对岗位职责进行细化分解，对人员岗位任务实现日常提醒和工作完成提交，将岗位职责和日常工作相结合，全面反映人员工作情况。

组织管理具体包括管理机构、管理人员、岗位管理、事项管理、管护经费、培训管理、制度手册、物业化管理等内容。

（4）工程信息

对水库内各类工程的设计指标、技术参数、缺陷及其养护处理设施状态、鉴定评级、工程建设和加固改造情况、工程大事记等信息进行分类管理。

将水库工程按水库基本情况及水文特征、水库历史运用挡水建筑物、泄水建筑物等进行分类，能够进行信息的添加、编辑、修改等，提供按单个工程、某种类型工程等不同组合条件的查询功能。

工程信息包括水库基本信息、水库工程特性、图纸图表、标识标牌、确权划界、工程图片等模块。

（5）巡查检查

按照水库的日常检查、汛前检查、年度检查、特别检查要求，实现检查表的填写、审核和自动生成检查报告。

对日常巡查情况进行统一管理，包括巡查路径、巡查时间、巡查人、巡查情况上报及处理等信息的管理。

对所有工程的工程观测信息进行管理，包括观测项目、观测仪器、观测资料等，并能够进行资料整编，方便查询。

巡查检查主要包括工程巡查、定期检查、特别检查等模块。巡查检查结果应和相关设施相关联，并和移动应用进行结合。

（6）维修养护

以预算管理为控制手段，全过程管控设备日常维护和检修工作，提高设备检修资金利用率；对每年所有工程的维修、养护项目进行管理，方便进行查询统计。对每年的维修养护项目的立项批复、实施方案、实施过程、验收等过程管理，并形成维修、养护项目管理卡。针对水库日常维修资金（人工费、日用劳保）的管理。

建立设备编码系统和电子设备台账，反映设备的基本情况以及变化的历史记录，通过对设备的管理和维护，使设备处于良好的运行状态，展示设备基本信息、设备重要参数、备品备件定额以及设备的启停情况、设备的重要故障、设备的评级情况、设备的历次检修情况、设备的异动情况、设备缺陷情况，为设备的运行信息、检修信息、变更信息等方面的综合分析和日常设备的管理和检修提供相应的依据。

维修养护包括年度维修养护计划、维养项目、设备管理、技术推广等模块。

（7）应急管理

管理各类预案，包括预案的录入和报批及查询；预先设定各种参数的报警值，当设备参数超限时向相关人员报警，在线统计实时数据的超限情况，在线提供超限的开始时间，结束时间，最大值时间，累计时间等，并将数据保存到数据库中。

对防汛抢险物资进行登记及管理。汛期时，通过该系统可以迅速按相关预案开展工作，协调相关部门，并调度相应物资，保证防汛工作有序进行。

对巡查检查中发现的隐患和异常情况进行记录，并跟踪处理情况，实现闭环控制。

应急管理主要包括防汛物资、应急预案、隐患管理、异常管理等模块。

（8）调度运行

对水库调度运行规程和经批复的水库年度控运计划进行管理。根据接收到的调度指令，按照相关管理手册规定的操作指南能够记录、跟踪调度指令的流转和执行过程。

调度运行主要包括调度运行规程、控运计划、调度令、调度运行记录等模块。

（9）档案管理

档案管理包含工程技术档案管理和年度数据整编文档管理。发布完善的档案管理制度，支持档案信息的检索，可以根据档案名称、存档编号、存档日期、保管期限等检索所需的信息。

各类文档管理可根据不同要求分别进行目录管理。如可根据水库标准化管理专题将相关文档按达标要求进行分类，形成水库标准化管理文档目录。目录应可根据需要进行定制。

（10）达标考核

达标考核管理模块能够按照有关工程标准化运行管理考核办法和标准，进行年度工程管理考核，制订达标计划，申报创建或复核，反映达标情况。

与省市县监管平台实现数据对接，按要求上报工程的标准化管理工作考核相关数据，实现标准化管理的监督考核，并提供考核结果查询展示功能。

（11）移动应用

移动巡查应用是在巡检值班人员的手机设备上安装。巡查人员可以通过移动巡检应用完成巡检工作，包括根据巡查任务的内容，按照指定的路线、时间、巡查节点和检查项目，填写巡查日志。对于发现的情况可以拍摄照片、录制视频并上传到数据中心。移动巡查应用中还可以实现对系统和设备的运行状态进行实时的监视，调用视频监控画面查询。

7 结束语

通过建设“浙江省天台县龙溪水电站报废重建工程标准化运行管理平台”，对工程标准化管理在管理责任、安全评估、运行管理、维修养护、监督检查、隐患治理、应急管理、教育培训、制度建设、考核验收等各环节提供全面支撑。新建洪水预报调度系统和视频监控系统，全面把握电站水库运行情况，对洪水情况进行科学预测，同时整合已建水位、雨量、大坝安全等各个单列系统，形成工程统一管控平台，满足工程标准化管理要求，保障工程安全、提高电站发电效益和工作效率，切实提高工程管理水平。

（1）建成标准化运行管理平台，以“管理手册”为基础，健全管理工作流程，为工程管理提供工作平台，实现工程管理信息的全景可视，实现与上级监管平台的无缝连接，为工程标准化管理在管理责任、安全评估、运行管理、维修养护、监督检查、隐患治理、应急管理、教育培训、制度建设、考核验收等各环节提供全面支撑。

（2）改造大坝安全监测系统，完成从人工监测到自动监测的转变。

（3）实现龙溪水库坝址所在流域内水文、汛情等参数的实时采集、传输和分析处理，形成水位、流量等洪水预报结果，为工程防洪、调度服务。

（4）建成视频监视系统，对水库主要设施和管理区域实现全面的动态监视，全面掌控工程运行情况。