便携式大坝监测数据采集装置研制与应用

张 鑫，董旭龙，韩晓涛，李志洪，易长春

（1．河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北省石家庄市 050300；2．国网新源控股有限公司检修分公司，北京市 100068；3．哈尔滨今星微电子科技有限公司，黑龙江省哈尔滨市 150000）

0 引言

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上。电站总装机容量1000MW，装机4台，单机容量250MW，担负调峰填谷、调频调相和紧急事故备用等任务。上水库位于下水库左岸的老爷庙山顶，采用开挖筑坝围库而成。上水库工程主要包括堆石坝、库盆沥青混凝土防渗面板、排水系统、库岸基础处理。上水库库盆采用沥青混凝土面板全库盆防渗，总防渗面积33.7万m2[1]。为了监测上下水库、地下厂房及输水系统工程安全情况，在上述工程相应部位布设了渗压计、测缝计、锚杆应力计、钢筋计、锚索测力计、混凝土应变计等振弦式及差阻式内部观测仪器，目前正常观测的内部仪器共有1787支。其中1359支采用自动化观测，每半年进行1次人工比测；剩余428支仪器采用人工观测方法观测。

目前，开展振弦式和差阻式内部观测仪器人工观测和比测工作，需要观测人员随身携带专用的频率读数仪、水工比例电桥或数字电桥等多个采集设备到采集现场逐点进行观测操作，当测点数量较多时，经常出现数据串点、漏测等问题，人工采集的数据需要手工录入数据库或者通过导数软件保存到观测数据库内，工作量大、效率低。2018年，河北张河湾抽水蓄能电站针对现场实际情况，研制了便携式大坝监测数据采集装置（以下简称便携式采集装置），2019年8月调试完毕，并在张河湾抽水蓄能电站投入试运行。

1 便携式采集装置测量原理

目前，国内常见频率读数仪、水工比例电桥或数字电桥等多个采集设备，在实际观测工作中，测量每个测点均需人工选点、换点，每次操作只能观测一个测点，不能自动批量采集多测点。便携式采集装置是在频率读数仪、数字电桥的原理基础上，将频率读数仪、数字电桥、电位器采集装置功能集成到一个综合数据采集装置上，并使用触摸屏式平板电脑控制综合数据采集装置现场测点进行批量自动采集，采集的数据和数据过程线直接显示在平板屏幕上，可在现场检查观测数据是否正确，监测数据自动保存在采集数据库中。现场采集数据结束后，将平板电脑接入观测网络或使用U盘拷贝采集数据库，使用数据库入库软件将现场采集数据库中观测数据导入观测数据库中，彻底解决观测数据串点、漏测、数据入库烦琐等问题。系统原理图见图1。

图1 便携式大坝监测数据采集装置原理示意图Figure 1 Schematic diagram of portable dam monitoring data acquisition device

2 系统组成

便携式采集装置由振弦式传感器采集模块、差阻式传感器采集模块、电位器式传感器采集模块、通信模块、蓄电池充电模块等组成，可直接批量控制测量振弦式、差阻式、电位器式等16支混接传感器，也可以进行单点测量[2]。实物图见图2。

图2 便携式采集装置实物图Figure 2 Portable acquisition device physical picture

便携式采集装置使用Wi fi信号与平板采集电脑通信，采集软件、采集数据库安装在平板电脑上，采集数据库中存储各采集站编号、各测点名称和传感器类型等相关参数。

现场采集时，使用平板电脑上的采集软件选择要采集的站号，即可一次性完成该站内16个测点仪器的数据采集，并存储到采集数据库中。

3 便携式采集装置功能

采集软件提供单点测量、多点测量、过程线、参数配置、自动存储等功能模块。

单点测量：用来测量单个传感器和读取数据等，通常用来检测单个传感器是否损坏，或者在水电工程基建期使用该功能进行新测点的现场测量。将插在便携式采集装置上的单通道测量数据线插接到仪器通信线上即可测量。

多点测量：①自动化观测点人工比测：利用现有的监测自动化系统采集模块提供的人工观测接口，使用便携式采集装置一次性自动测量该模块的所有测点仪器，将多通道测量数据线直接插入人工观测接口，在平板电脑采集软件的多点测量界面中首先选择MCU号，然后点击“一键数据保存”，即可自动采集各测点数据并将采集数据存储到采集数据库中；②人工观测点：将各测点集中接到专用集线器上，每16个点一组，组号与自动化的MCU编号结构相同，形成一个MCU编号序列。测量方法与人工比测相同，见图3。

图3 多点采集软件界面图Figure 3 Multi-point acquisition software interface diagram

参数配置：通过采集软件，将观测站号（自动化MCU编号）、各测点名称、仪器类型、对应的通道顺序号写入采集数据库，以便于采集软件后台调用。

自动存储：将测量的观测数据自动存储到采集数据库中，现场采集数据结束后，将平板电脑接入观测网络或使用U盘拷贝采集数据库，使用数据库入库软件将现场采集数据库中观测数据导入观测数据库中[3]。

4 便携式采集装置技术参数

便携式采集装置主要技术参数见表1。

表1 便携式采集装置主要技术参数Table 1 Main technical parameters of portable acquisition device

5 便携式采集装置采集的数据可靠性及复测误差

5.1 采集数据可靠性

采用人工比测方法进行可靠性分析：振弦式传感器采用GK405读数仪人工观测并记录数据，差阻式传感器采用南京卡尔胜水电科技有限公司NCT102数字电桥人工观测并记录数据，电位器式传感器采用NDA161数字电桥人工观测并记录数据。人工测量完成后，使用便携式采集装置测量，计算各测点测量成果。人工比测结果见表2。

表2 人工比测统计表Table 2 Manual comparison table

从比测结果看：使用便携式采集装置采集的多点位移计、测缝计等变形仪器数据计算成果与GK405读数仪、NCT102数字电桥采集数据成果差值较小，测压管渗压计比测差值10cm，应力应变类数据差值小于测值的1%，双金属标测值电压比小于0.0001，满足水利水电工程监测及规范要求，便携式采集装置采集的各类数据可靠性好[4]。

5.2 采集数据复测误差

使用便携式采集装置在短时间内采集各类型测点仪器5个数据，分别计算成监测数据分析所需结果值并进行分析[5]。复测误差结果见表3。

表3 便携式采集装置复测误差统计表Table 3 Portable acquisition device retest error statistics

续表

从表3可看出：除了钢板计测值略有不稳外（受水道运行工况影响），其他使用便携式采集装置采集的数据计算成果复测误差很小，变形类仪器复测误差小于0.01mm，满足水利水电工程监测要求[6]。

6 便携式采集装置使用条件

6.1 人工比测

该装置是在南京水文所的自动化采集系统人工比测接口基础上开发的。应用于其他厂家自动化采集系统时，需在传感器接入自动化系统采集模块前，增加集中式专用传感器接口（见图4），测点接入顺序与自动化采集主板通道顺序相同，便携式采集装置通过数据排线直接插在专用传感器插板接口上，即可实现测量功能。

图4 集中式专用传感器插板图Figure 4 Centralized special sensor board

6.2 人工观测项目

便携式采集装置用于人工观测项目时，将人工观测集线箱内人工选择测点装置改为集中式专用传感器插板接口，测点较多时，将测点分组，按每16个测点接入一块专用传感器插板，测点接入顺序与便携式采集装置数据库内测点分配的顺序相同。便携式采集装置通过数据排线直接插在专用传感器插板接口上，即可实现测量功能。

7 总结

便携式采集装置将频率读数议、数字电桥、电位器采集装置功能集于一身，适用于人工观测和各种监测自动化系统的人工比测工作，主要功能是在现场通过选择MCU编号批量自动采集数据并存储，现场工作完成后在办公室将采集数据自动导入监测数据库中，完全可以替代频率读数仪、水工数字电桥电位器采集装置，彻底解决人工观测、比测时经常出现的观测数据串点、漏测及数据入库烦琐等问题，当观测点较多时，可以大幅降低观测人员工作量和劳动强度。