陈村大坝监测自动化三期系统技术升级改造

张骏

（江苏南水科技有限公司，江苏南京，210000）

1 概述

陈村大坝始建于1958 年，1982 年竣工验收，坝址位于安徽省泾县青弋江上游，控制流域面积2 800 km2，总库容27.06亿m3，是一座以防洪发电为主，兼灌溉、航运、养殖等综合效益的大（1）型水利枢纽工程。枢纽建筑物主要由混凝土重力拱坝、坝顶开敞式溢洪道、坝内溢洪中孔、放空底孔、发电引水钢管、坝后式厂房组成。重力拱坝坝高76.3 m，顶宽8 m，最大底宽53.2 m，坝顶高程126.3 m，坝顶弧长419 m，共分28个坝块。

陈村大坝设计监测项目有环境量、混凝土温度、垂线、垂直位移、排水孔、扬压力、裂缝和绕坝渗流，测点总数507 个。为了实现管理现代化和“无人值班、少人值守”，1998 年和2005 年分别实施陈村大坝监测自动化一期和二期系统。系统采用水利部水文自动化研究所的DG型分布式自动化数据采集系统，由中央控制装置CCU 和测控装置MCU构成数据采集网络，共对243 个测点实施自动化，其中环境量5 个、混凝土温度59 个、垂线19 个、排水孔33 个、扬压力56 个、裂缝47 个、绕坝渗流24个。中央控制装置CCU位于副厂房内，接入信息管理系统，可以实现定时自动测量、手动测量、数据采集、数据计算入库等功能，现场共设置28台MCU测控装置，系统框架见图1。

图1 陈村大坝一期、二期监测自动化系统框架Fig.1 Framework of the first and second phase automatic mon⁃itoring system of Chencun dam

多年来，一、二期自动化系统运行稳定且故障率低。为了进一步降低人工劳动强度，2018年4月实施了自动化系统三期升级改造，对除大坝沉降外的所有剩余197 个人工测点实施自动化（排水孔166 个和裂缝31 个）。截至2018 年底，陈村大坝监测自动化系统运行正常，三期改造的测点完好率100%，数据缺测率0%，且未发生故障，与人工测量数据对比超限率小于2%，达到了改造的目的。

2 陈村大坝监测自动化系统技术升级改造控制节点

2.1 整体设计提高自动化程度

陈村大坝监测自动化系统经历了一期、二期改造并通过了实用化验收，系统性能满足规范要求。三期改造主要任务是在原系统基础上增加197 个测点，因监测自动化系统为分布式，只需在原有MCU端串联MCU扩容并安装新测点仪器。升级改造设计考虑以下几个方面。

（1）系统供电容量。改造应首先设计系统供电容量。陈村一期、二期监测系统共243 个测点，供电需求4 860 W，采用机房集中供电方式（具体分3条线路向系统供电，每路1 620 W），UPS容量为5 kW，供电电源220 V。三期改造新增仪器197 个，按MCU、流量计、测缝计和渗压计额定功率计算供电需求，经计算共计需增加3 500 W。重新设计系统供电及线路改造，采购一台10 kW的UPS及对应蓄电池组，并对机房的供电线路进行更换（4 mm2电源线改为6 mm2电源线），系统内部的电源线路满足要求，无需更换。

（2）改造新测点与老测点充分整合。改造设计应考虑系统测点整体布置，从全局考虑，进行系统图设计，见图2。陈村一期、二期系统实施的测点为各坝块个别主要监测点，当时为节约投资，一个MCU 测控装置基本要覆盖多个甚至十余个坝块的测点。如果三期改造单纯在此系统上增加测控装置和新测点仪器，是可行且相对容易的，但会造成现场走线、测点布置混乱，相邻两个测点可能被相隔很远的测控装置控制，不利于故障排查和处理。三期改造打破了简单的新增测点扩容的思路，对已安装自动化测点和未安装自动化测点进行统筹设计，充分利用已安装的现场测控装置，并按“就近布置”的原则布置新测控装置，将附近几个坝块的测点均引入其中。该设计一是测点布置清晰明了，二是充分利用了未接满仪器的老测控装置，可节约投资，如简单新增测控装置需要26台MCU，通过优化设计后共新增20台MCU，节约费用约10万元。

图2 陈村大坝监测自动化系统三期改造设计Fig.2 The third phase renovation design of automatic monitoring system of Chencun dam

（3）管理软件升级。原监测数据管理软件开发较早，只有数据提取、计算、检查、报表等基本功能，且均需人工控制实施。为了进一步降低人工劳动强度，提高自动化程度，三期改造对监测数据管理软件也进行了升级。对原有数据管理系统的资源进行了整合，在保留原软件数据管理、项目管理、系统管理等主要核心功能模块的基础上，增加了许多自动控制功能：一是由手动提取计算数据改为自动提取计算数据，自动判别数据是否缺测、是否异常并报警，将实时数据采用后台处理的方式进行预处理，进而构建数据信息库，并对涉及的空间信息、属性数据进行集成管理，观测数据处理过程见图3；二是增加数据报表统计生成、剖面图、极值图、模型分析等数据分析模块，海量数据通过高效的检索技术手段以图形、图表等多元化方式展现，结合科学合理的分析模型进行资料分析，最终提供辅助决策；三是增加系统运行情况统计、水工问题库管理等管理模块，在系统运行的全生命周期内，系统运行、维护、问题处理、指标统计及总结等工作贯穿始终。管理软件主要功能见图4。

图3 观测数据处理流程Fig.3 Processing of monitoring data

图4 监测数据管理软件系统功能Fig.4 The function of monitoring data management software

2.2 优化流程避免数据缺失

按国家标准GB/T 51416-2020《混凝土坝安全监测技术规范》及国家能源局《水电站大坝运行安全信息报送办法》要求，陈村大坝每日监测数据通过报送软件实时上报国家能源局大坝安全监察中心。为做到三期自动化改造不影响数据正常采集、上报，优化了改造方案，改造时没有把一期、二期系统全部断开，而是在保证原系统正常运行的情况下，先安装新仪器设备，最后按设计调整老仪器设备。

具体现场改造流程如下：（1）新测控装置MCU 安装到位，并与布线槽线路及老系统的电源通讯线路连接；（2）MCU 布线至新老测点，安装线槽护管等；（3）新安装仪器测点孔口处理及仪器安装接线等；（4）新仪器电缆接入MCU；（5）调整MCU 的老测点布线至新MCU；（6）老测点MCU 端拆除并接线。按此流程改造只会在最后一个环节出现短期系统中断，能最大程度减少大坝监测数据缺失。三期改造工期为三个月，按此方案只在最后一周缺少自动化采集数据，并且可用人工手动采集的数据代替，保证了数据的正常采集和上报。

2.3 现场施工标准化

改造现场施工时严格按SL 531-2012《大坝安全监测仪器安装标准》要求执行，结合现场施工实际，主要分进场验收、现场安装、质量控制和试验调试四部分进行。

2.3.1 渗压计

（1）进场验收。检查仪器和电缆的包装、外观，用仪表测试零点值和温度值是否与出厂参数一致。

（2）现场安装。先改造测点孔口，在孔口下端焊φ8三通连接管并安装固定渗压计电缆的密封装置，处理好渗压计透水石后，按设计高度将渗压计放入监测孔内，按规范要求进行电缆接线。

（3）质量控制。渗压计下端透水石在水中煮沸1～2 h，随后在冷水中浸泡12 h 后在水中装入渗压计；电缆连接时各芯线焊接头需错开，并用锡焊及热缩套管，因水压都在0.5 MPa以下，电缆采用双套热缩连接代替硫化连接，两头采用双层热熔胶，以提高防水性能。

（4）试验调试。渗压计安装完成后0.5 h 测量频率和温度值，再放入测孔中测量频率和温度值，通过公式计算出水深，并与实测人工值比较，误差需小于1%，填写渗压计安装考证表。

2.3.2 测缝计

（1）进场验收。检查测缝计、套筒、加长杆、电缆、地脚螺丝、固定支架、保护罩是否齐全及其外观情况，用仪表测试电阻值是否正常。

（2）现场安装。在裂缝两侧置入地脚螺丝，安装固定支架，将测缝计安装在固定支架上，调整加长杆的长度，预拉使测缝计处于适当的张开位置，安装仪器保护罩。

（3）质量控制。裂缝安装仪器部位表面需平整，不平的地方需磨平或用水泥抹平；仪器安装时控制轴线与裂缝的不垂直度偏差小于2%；测缝计预拉1/3～1/2量程。

（4）试验调试。现场安装固定后测定初始值，填写测缝计安装考证表。

2.3.3 翻斗式流量计

因规范中没有流量计的安装调试方法，故参考雨量计及实际情况。

（1）进场验收。检查基座、翻斗、电磁阀、舌簧管和变送器等是否齐全及其外观情况，检查翻斗翻转是否顺畅。

（2）现场安装。安装地点混凝土需平整，砌筑挡水装置用于安装流量计，电缆接线。

（3）质量控制。混凝土基座水平度允许偏差1°，用人工注水计量法测试翻斗计量误差，允许误差为±4%。

（4）试验调试。安装后测量流量值，与实测人工值比较，误差需小于5%，填写流量计安装考证表。

2.4 解决老系统遗留问题

系统改造前应整理原系统存在的问题，改造时统筹处理。陈村一期、二期系统主要存在所有流量计不能同时测量的问题，陈村大坝渗流监测均为单孔测量，且渗流量都小于1 L/s，按规范要求均应为容积法测量。原二期自动化系统流量计采用水文所研制的SFG 型翻斗式管口渗流量计，主要测量原理是模仿雨量计，用电磁阀控制翻斗接水，待翻斗注入一定水量后，翻转力矩大于翻斗部件自重平衡力矩时，翻斗发生偏转将水排出，同时磁控开关采集一个触发信号，由此得出接水时间，此时仪器测量结束，用翻斗室的容积除以接水时间即所得流量。

虽然该流量计精度能达到与人工测量比较误差小于5%的要求，但存在一个缺点即同一个测控装置MCU 内的所有测点只能单个轮流测量，无法实现规范要求的同时测量。三期改造在现场和实验室做了大量的试验，分析无法同时测量的主要原因为MCU测控装置的供电功率不足以同时控制所有流量计，一个MCU 内六台流量计同时工作需要的功率较大，且经长线路损耗后到达流量计测点时无法带动电磁阀工作，如果把电源关口移动到流量计附近，就可解决该问题。改造时升级测控装置内测量模块，在MCU端增加隔离变压器，降低电压不稳对测量的影响；在仪器端增加变送器（内含电源盒变压和通讯控制模块），成功解决了无法同时测量的问题。流量计测量系统改进见图5。

图5 流量计测量系统改进Fig.5 The renovation of flowmeter measurement system

2.5 设备管理维护标准化

为使大坝监测系统设施设备整体布置整齐、美观，改造时开展了设备标准化及标识工作，主要参照《大唐集团公司安全设施规范标准》执行，为日后系统维护、故障排查提供便利。

（1）系统内线路布置整齐统一。室内部分布置于统一高度的PVC线槽内，室外部分布置于镀锌钢管内并埋地（起到防雷作用），电缆与MCU 连接处PVC线槽穿孔引入，并用透明热缩套管标记测点名称，与仪器端连接处采用PVC 套管连接并固定，达到美观、整齐、实用的目的，见图6。

图6 陈村大坝监测自动化系统走线Fig. 6 The cable route of automatic monitoring system of Chen⁃cun dam

（2）设备统一标识并登记台账。监测系统内所有设备均需建立设备台账，编号并贴标识牌，标明设备名称和型号，电缆起始位置均挂电缆标牌，明确起始地点、型号、长度等信息，方便设备管理及现场故障点查找，见图7。

图7 陈村监测自动化系统设备和电缆标识Fig.7 The nameplate of equipments and cables of the automat⁃ic monitoring system

（3）制作系统布置图和线路图。将系统布置图和线路图加入到观测规程中，并悬挂于观测机房，有利于培训及系统故障分析，见图8。

图8 陈村大坝监测系统布置图和线路图Fig. 8 Layout and wiring diagram of the automatic monitoring system

3 结语

对分步实施的大坝观测自动化系统，在实施前应全面设计，统筹考虑后期改造的主要内容。选择可扩容的分布式监测系统，并在改造时为日后扩容改造预留硬件接口和软件接口。系统供电通讯线路等基础设施容量应考虑充分，布设位置应兼顾大坝主要监测断面，且布置整齐。

分布式大坝观测自动化系统扩容改造时，主要有以下几个关键部分：（1）系统设计，包括系统电源供电负荷设计和改造系统图设计；（2）合理制定系统改造流程，减少数据中断；（3）标准化施工，台账记录；（4）系统设备标识，以及后期观测制度规程、系统维护制度的修定。

陈村大坝三期自动化系统改造完成后，还遗留有沉降项目需每月进行人工测量，当技术成熟时对其进行改造，从而实现大坝观测自动化系统的全覆盖。■