黃會寶，文 豪，彭 勃

（1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司庫壩管理中心，四川樂山，614900；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春，130061）

1 概述

1.1 工程概況

某水電站為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電站，其上為瀑布溝水電站，為瀑布溝水庫的反調(diào)節(jié)電站，下為正在施工的枕頭壩電站，是一座以發(fā)電為主的樞紐工程。電站為Ⅱ等工程，主要水工建筑物及工程邊坡為2級，次要建筑物為3級。該工程由左岸泄洪閘、排污閘、右岸河床式發(fā)電廠房、右岸泄洪沖沙洞等建筑物組成，最大壩高106.00 m，壩頂長222.50 m。水庫正常蓄水位為660.00 m，死水位655.00 m，總庫容3 200萬m3，具有日調(diào)節(jié)能力。電站安裝4臺單機(jī)容量為165 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量660 MW，多年平均年發(fā)電量32.35億kW·h。

該工程于2006年4月開工建設(shè)，2007年11月截流，2010年6月下閘蓄水，首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2012年10月通過工程竣工安全鑒定。

1.2 工程安全監(jiān)測設(shè)施情況

根據(jù)該水電站工程所處地形、水文地質(zhì)條件、工程規(guī)模、地震設(shè)防烈度及其樞紐建筑物布置和運(yùn)行特點(diǎn)，對工程布設(shè)了可靠的監(jiān)測系統(tǒng)，包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變以及環(huán)境量、強(qiáng)震監(jiān)測等。其中變形監(jiān)測包括廠壩區(qū)變形監(jiān)測控制網(wǎng)、壩頂及尾水平臺垂直位移、壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、倒垂線、雙金屬標(biāo)、多點(diǎn)位移計(jì)、裂縫計(jì)及基巖變位計(jì)等觀測項(xiàng)目；滲流監(jiān)測包括繞壩滲流、壩體排水量、壩基揚(yáng)壓力觀測項(xiàng)目；應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測包括鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索應(yīng)力計(jì)觀測項(xiàng)目。

在工程建設(shè)期，由武漢理工大學(xué)負(fù)責(zé)建設(shè)完成了該水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)（以下簡稱原系統(tǒng)），系統(tǒng)設(shè)l個(gè)監(jiān)測管理中心站和5個(gè)現(xiàn)場監(jiān)測站，使用多臺RS-485光電轉(zhuǎn)換器并聯(lián)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。

2 原系統(tǒng)存在問題及改造必要性

（1）原系統(tǒng)故障頻發(fā)，無法滿足水工管理要求。原系統(tǒng)建成后，因測量控制單元故障、電路板銹蝕、無防雷電設(shè)備、通訊光纜多處斷裂等問題，系統(tǒng)故障頻發(fā)，基本失去自動化監(jiān)測功能，所有監(jiān)測內(nèi)容均以人工觀測為主，工作量大，觀測周期長，數(shù)據(jù)后處理繁瑣，尤其在特殊工況下（如洪水、暴雨、地震等）更是無法及時(shí)完成加密觀測，難以適應(yīng)現(xiàn)代水工管理的需要。

（2）原系統(tǒng)無遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，信息無法異地備份。原系統(tǒng)基于本地局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工程區(qū)內(nèi)的自動化監(jiān)測，無法實(shí)現(xiàn)管理人員異地自動化控制，與集中、高效的運(yùn)行管理要求不相適應(yīng)。原系統(tǒng)每次實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)均需要到電站現(xiàn)場操控服務(wù)器才能完成，失去了建設(shè)自動化系統(tǒng)的目的和意義。同時(shí)，原系統(tǒng)采集服務(wù)器均布置在工程現(xiàn)場，無監(jiān)測數(shù)據(jù)異地備份功能，一旦發(fā)生故障或突發(fā)災(zāi)害，數(shù)據(jù)極易丟失。

（3）原系統(tǒng)采用簡單并聯(lián)的采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，采集效率低。原系統(tǒng)中央控制方式下采集監(jiān)測數(shù)據(jù)等命令發(fā)出后，系統(tǒng)自動進(jìn)行逐點(diǎn)逐個(gè)依次測量，通訊干擾大，測點(diǎn)數(shù)據(jù)等信息反饋和響應(yīng)十分緩慢，采集效率低下，與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)水平不相適應(yīng)。

（4）原系統(tǒng)缺失必要的監(jiān)測項(xiàng)目，無法滿足規(guī)范要求。原系統(tǒng)建設(shè)階段未接入工程常用的環(huán)境量監(jiān)測指標(biāo)，例如雨量、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向等，且大壩滲漏量這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測，對利用自動化監(jiān)測成果準(zhǔn)確評判工程安全運(yùn)行狀況不利，同時(shí)不利于尋找大壩監(jiān)測信息的規(guī)律性，無法滿足《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

（5）原系統(tǒng)采集控制軟件落后，人機(jī)交互界面復(fù)雜。原系統(tǒng)配置的軟件缺乏監(jiān)測儀器的參數(shù)指標(biāo)等信息，可用信息量不足，各項(xiàng)目均未設(shè)置警戒報(bào)警值，異常測值無直接的提醒功能，系統(tǒng)未開發(fā)相應(yīng)的模塊。

（6）原DAU遙控采集只能逐點(diǎn)測量，不支持群測及多重選點(diǎn)測量命令，因此采集速度慢，完成一次完整數(shù)據(jù)采集時(shí)間長。同時(shí)，原DAU無人工采集接口，傳感器電纜接入DAU后人工測量極為不便，增加了人工觀測的時(shí)間。

因此，為了徹底解決原系統(tǒng)存在的諸多問題，高效、集中地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，建立一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便的工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，不僅可以滿足水電站工程安全監(jiān)測的需要，快速完成工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和整編工作，減輕人力勞動強(qiáng)度，還能夠提高水工運(yùn)行管理水平，提高工程安全監(jiān)測人員的業(yè)務(wù)技能，促進(jìn)監(jiān)測自動化技術(shù)的發(fā)展，是保證大壩正常運(yùn)行的有效措施。

3 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造方案

3.1 改造的基本原則

監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以工程安全監(jiān)測為目的，充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和軟、硬件技術(shù)，遵循“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的基本原則，實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、信息綜合分析，實(shí)時(shí)掌握和反饋樞紐工程的安全運(yùn)行狀況，以便滿足現(xiàn)代化水工管理的需要。同時(shí)系統(tǒng)納入的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)能夠反映大壩及其基礎(chǔ)的工作性態(tài)，力求結(jié)構(gòu)簡單，儀器完好，穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便。

（1）先進(jìn)性的原則。通過高性能的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管理軟件、信息管理軟件、圖形處理軟件及數(shù)據(jù)處理方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[1]。

（2）穩(wěn)定性的原則。要求系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行，具有完善的數(shù)據(jù)備份功能，能夠方便地對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)[2]；實(shí)現(xiàn)監(jiān)測自動化時(shí)，還應(yīng)設(shè)置人工監(jiān)測手段，以便定期比測，并保證當(dāng)自動化系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)測得人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證資料的連續(xù)性。

（3）安全性的原則。要求系統(tǒng)具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能，防止非法用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[1]。同時(shí)對監(jiān)測系統(tǒng)的操作權(quán)限及信息修改權(quán)限進(jìn)行分層級設(shè)置。

3.2 改造的主要內(nèi)容

3.2.1 優(yōu)化通訊組網(wǎng)方案

圖1 自動化采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.1 Topological diagram of the structure of automatic acquisition network

針對原系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)通訊干擾大、穩(wěn)定性差、運(yùn)行速度慢等特點(diǎn)，采用雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖1所示），在監(jiān)測站增設(shè)RS-485集線器，實(shí)現(xiàn)了每臺數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）之間信號的隔離。采集網(wǎng)絡(luò)采用光纜作為通訊介質(zhì)，建立基于TCP/IP的以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測管理中心站內(nèi)的遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)與采集工控機(jī)的以太網(wǎng)連接。監(jiān)控服務(wù)器發(fā)出命令后，各監(jiān)測點(diǎn)儀器同時(shí)觸發(fā)，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)采集效率，保證了通訊的可靠性和安全性。

3.2.2 完善系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目

根據(jù)DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5211-2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》要求，在原有監(jiān)測儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，增補(bǔ)了簡易氣象站及大壩總滲流量監(jiān)測儀器，其中簡易氣象站監(jiān)測項(xiàng)目包括溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等；大壩總滲流量采用量水堰進(jìn)行觀測，安裝了量水堰計(jì)進(jìn)行自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測項(xiàng)目的全覆蓋。

3.2.3 增設(shè)安全防護(hù)和人工比測裝置

針對原MCU無防雷電裝置、易受雷擊破壞的現(xiàn)狀，在每個(gè)監(jiān)測站增設(shè)1臺穩(wěn)壓電源、1套電源防雷器、1套通訊防雷器和1套防雷接地體，降低了雷電對設(shè)施造成故障的頻次。

為防止一個(gè)監(jiān)測站內(nèi)安裝多臺DAU后的通訊干擾問題，在DAU設(shè)備集中部位增加RS-485集線器，以保證采集網(wǎng)絡(luò)的通訊可靠性。調(diào)整現(xiàn)場采集網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，采用雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)模式，安裝雙環(huán)自愈式RS-485光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，提高數(shù)據(jù)通訊可靠性及安全性。

配備了人工比測裝置，可以方便進(jìn)行人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的比對分析，確保系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

3.2.4 更新了數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）

針對原DAU的弊端，本次改造更換了原DAU設(shè)備，更換后DAU提供全中文液晶菜單顯示及鍵盤操作，具有良好的人機(jī)交互性；支持傳感器類型齊全，可接入振弦式、差阻式、電壓式及電流式等多種傳感器；提供豐富的控制命令，在上位機(jī)的控制下可完成設(shè)備復(fù)位、自檢、單點(diǎn)測量、任選多點(diǎn)測量、定時(shí)測量等多種測量控制方式；同時(shí)，提供人工觀測數(shù)據(jù)接口，可快速完成人工比測工作，并且該DAU采用模塊化設(shè)計(jì)，方便將來故障時(shí)快速維護(hù)。

3.2.5 開發(fā)了監(jiān)測自動化采集、信息管理軟件

針對原系統(tǒng)軟件開發(fā)存在的問題，開發(fā)了集系統(tǒng)自動檢查、自動巡測和選測功能于一體的軟件，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集支持現(xiàn)場控制方式和遠(yuǎn)程控制方式，可根據(jù)用戶需求提供五種自動控制方式實(shí)現(xiàn)自動觀測的觸發(fā)、采集和存儲，系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)完成觀測數(shù)據(jù)的整編計(jì)算及在線檢測、自動觸發(fā)復(fù)測等保證觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及時(shí)效性的功能。

對采集工控機(jī)、現(xiàn)場工控機(jī)及監(jiān)測管理中心站進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在遠(yuǎn)程上位機(jī)處安裝遠(yuǎn)程控制采集軟件，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提交入庫等工作。監(jiān)測管理中心站內(nèi)建立基于SQL Serv?er 2008 R2版數(shù)據(jù)庫，以完成前期觀測數(shù)據(jù)的整編計(jì)算、粗差剔除、入庫等工作。

3.3 改造后的技術(shù)指標(biāo)

（1）通訊方式：光纜通訊，RS485通訊總線控制；

（2）網(wǎng)絡(luò)通訊速率：＞2 400 bps（RS485）；

（3）傳輸距離：80 km（采用光纜通訊）；

（4）測量方式：可實(shí)時(shí)、定時(shí)、單檢、巡檢、選測或任設(shè)測點(diǎn)群；

（5）監(jiān)測準(zhǔn)確度：滿足規(guī)范DL/T 5178-2003規(guī)定要求；

（6）定時(shí)間隔：分鐘間隔觸發(fā)、小時(shí)間隔觸發(fā)、天觸發(fā)、星期觸發(fā)、月觸發(fā)，可選；

（7）采樣時(shí)間：差阻式≤0.1s/點(diǎn)；振弦式≤0.5s/點(diǎn)；

（8）工作溫度：-20～+60℃；

（9）工作濕度：≤85%；

（10）平均無故障時(shí)間：≥6 300 h；

（11）系統(tǒng)防雷電感應(yīng)：500～1 500 W。

3.4 改造的主要特點(diǎn)

（1）改單一并聯(lián)為雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)模式，建立了基于TCP/IP的以太網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步優(yōu)化采集網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的異地遠(yuǎn)程操控和觀測數(shù)據(jù)的異地存儲備份。

（2）增設(shè)了自動化設(shè)備的防雷電裝置。在每個(gè)監(jiān)測站均增設(shè)1套電源防雷器、1套通訊防雷器及1套防雷接地體，提高系統(tǒng)防雷電感應(yīng)能力，防止設(shè)備因雷電造成損壞。

（3）獨(dú)立配置了讀數(shù)儀人工接口模塊，能夠使用讀數(shù)儀采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過按動模塊上的通道切換鍵即可實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換，便于對接入MCU的監(jiān)測儀器進(jìn)行人工測量，亦方便對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行人工比測。

圖2 自動化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure and function of the automatic system

4 系統(tǒng)改造后的運(yùn)行狀況

4.1 數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)短期穩(wěn)定性測試

針對大壩布設(shè)的監(jiān)測儀器，使用信號發(fā)生器及直流電阻箱檢測振弦式傳感器測值測量精度及差動電阻式傳感器測值測量精度。用信號發(fā)生器將幅度為0.5～10 mV的輸出信號接入采集裝置進(jìn)行測量，調(diào)節(jié)頻率在400～5 000 Hz之間，對同一個(gè)物理量連續(xù)進(jìn)行15次測量，計(jì)算最大測量誤差，測量頻率差不大于0.2 Hz，結(jié)果表明測值穩(wěn)定性好。用兩只0.01級直流電阻箱按五芯方式接入采集裝置，使電阻值分別在0.01～60.01 Ω范圍內(nèi)變化，電阻比在0.080 0～1.200 0之間變化。對同一個(gè)物理量連續(xù)進(jìn)行15次測量，測量電阻值之差不大于0.02 Ω，電阻比不大于0.002，結(jié)果表明測值穩(wěn)定性好。另外對DAU的單點(diǎn)測量、選點(diǎn)測量、定時(shí)采集、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設(shè)置及自診斷等功能進(jìn)行測試，測試結(jié)果正常，滿足規(guī)范要求。

4.2 測值比對分析

系統(tǒng)建成投入試運(yùn)行期間，選取典型測點(diǎn)對其人工測值與自動化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，人工與自動化監(jiān)測測值吻合度高（如圖3所示），表明自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性良好。

圖3 人工及自動觀測模數(shù)過程線對比Fig.3 Comparison of the modulus measured by automatic sys?tem and by manual work

4.3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行實(shí)踐表明，各采集控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集命令發(fā)布后信息反饋迅速，軟件功能齊全、界面簡潔、升級維護(hù)方便、自動化程度高，提高了工作效率，節(jié)約了人力資源成本。

系統(tǒng)可采集模擬量信號和數(shù)字量信號，采集時(shí)間：內(nèi)觀測點(diǎn)≤2 s/（點(diǎn)·次），真空激光測點(diǎn)≤15 s/（點(diǎn)·次），差阻式≤0.1 s/點(diǎn)，振弦式≤0.5 s/點(diǎn)。

5 結(jié)論及建議

本次對該水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的改造增加了必要的監(jiān)測項(xiàng)目，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了異地遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的異地備份功能，采集及信息傳輸更加順暢、快捷，有效地提高了工作效率，進(jìn)一步減輕了人工觀測的勞動強(qiáng)度。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，日常維護(hù)量小，測值可信度高，達(dá)到了監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造的預(yù)期目的，有效解決了原系統(tǒng)存在的諸多問題。但大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的采集控制設(shè)備多為非標(biāo)準(zhǔn)通用設(shè)備，型號及生產(chǎn)廠家等都不統(tǒng)一，如何進(jìn)一步規(guī)范和統(tǒng)一采集控制設(shè)備，避免不同生產(chǎn)廠家設(shè)備接口不兼容造成改造成本增大問題，如何解決不同廠家無法協(xié)同使用的弊端問題等仍需進(jìn)一步研究。

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