猴子巖水電站監測自動化系統設計

胡升偉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 設計的必要性

猴子巖水電站建成投入正常運行后，監測系統若以人工觀測為主，無法適應現代企業管理的需要，具體問題如下：

(1)猴子巖水電站工程安全監測項目布設比較齊全，測點較多，直接導致人工觀測工作量大，觀測周期長，單靠人工觀測無法滿足及時掌握工程建筑物和邊坡的工作性態，保證工程安全運行的要求。

(2)人工觀測采集到的監測數據還需要人工輸入計算機中，需要人工進行整理計算，在整理計算過程中如若發現原始觀測數據或計算結果有問題，需返回現場重新觀測。

(3)在樞紐汛期高水位時，要求樞紐觀測頻次加密，現場觀測工作將更為緊張，勞動強度更大；由于人工觀測的數據入庫比較緩慢，觀測數據得不到及時處理，上級主管部門及各級領導將無法及時了解樞紐的工作性態，嚴重影響流域防汛指揮的調度與決策。

因此，建立一套功能齊全、穩定可靠、使用方便的工程安全監測自動化系統，不但能夠達到快速完成工程安全監測數據采集工作，做到觀測數據快速整編、及時分析、及時反饋；同時也可降低現場工作人員工作強度。

2 設計范圍和內容

在綜合考慮整個樞紐區的監控體系布置基礎上，接入監測自動化系統的各監測部位的監測設施必須具有針對性和必要性。監測測點接入太多使得系統龐大、可靠性降低；監測測點接入太少又不能達到有效安全監控的目的。為使進入自動化系統的的監測設施控制在適度、合理的規模，在綜合考慮監測部位的重要性、目前的安全現狀和監測儀器的可靠穩定性等因素[1]的基礎上，確定的監測自動化設計范圍及內容如下：

圖1 監測自動化組網連接示意

圖2 監測站、管理站、中心站組網配置示意

(1)擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電系統建筑物、工程邊坡、堆積體及業主營地等為納入安全監測自動化系統的重點部位，除部分施工期監測項目及非電測類儀器外，其余監測項目均考慮接入監測自動化系統；樞紐區水力學監測項目和堆積體測斜孔不接入安全監測自動化系統。

(2)導流洞進口邊坡及進口段在蓄水后全都淹沒在水中，其埋設的監測儀器將不考慮接入自動化，后期進行人工測讀，重點考慮堵頭及下游監測部位的監測儀器接入監測自動化系統。

(3)大壩水管式沉降儀、引張線式水平位移計、左右岸灌漿廊道內繞滲孔和量水堰、兩岸壩肩繞滲孔及壩后和廠區量水堰等考慮改造為電測以便實現自動化監測。

3 監測自動化系統

3.1 系統組網

猴子巖水電站內觀監測自動化系統按三級(監測站、監測管理站和監測管理中心站)規劃。安全監測自動化系統設備采用分布式、RS- 485與TCP/IP綜合組網；測站內的數據采集裝置之間采用RS- 485總線連接；監測站與管理站之間采用星形連接及TCP/IP光纖通訊的網絡拓撲形式；監測管理中心站與監測管理站之間通過廠內TCP/IP網絡進行遠程通訊。

現場監測站與監測管理站、監測管理站與監測中心站之間的自動化組網連接及配置示意圖詳見圖1、2。

3.2 監測站

現場監測站是數據采集裝置對監測傳感器進行數據采集、存儲、電源管理及監測數據上傳和接收監測管理站上位機的控制指令。

根據猴子巖水電站樞紐建筑物布設特點及監測管理站的環境要求，監測站布設原則是監測儀器相對集中的部位集中布設，主要考慮交通、通風、遠離強電磁干擾設備以及施工期監測電纜的走線情況等因素；以利于監測電纜的牽引方便和牽引長度最小，同時使自動化數據采集模塊的利用率最大化。

監測站主要布設在面板堆石壩壩頂及壩后觀測房、深孔和非常泄洪洞出口邊坡及工作閘室、溢洪洞出口邊坡、泄洪放空洞出口邊坡及工作閘室、電站進水口邊坡、地下廠房水輪機電氣夾層、尾調室安裝場、尾水隧洞出口邊坡、開關站邊坡和角壩、泥洛堆積體等。

3.3 監測管理站

監測管理站的數據采集計算機通過數據采集系統接收數據采集裝置的數據、進行轉換，并按規定的格式統一存放在原始和整編數據庫中；另外還接收監測管理中心站上位機的相關指令，對數據采集裝置下達控制指令。監測管理站應具備有適合工業應用環境，具備良好的接地、防雷、抗干擾功能，具備凈化電源和不間斷電源，確保系統穩定供電。有較高運算速度、較大存儲容量和遠程通訊的的控制計算機。

根據工程規模和特點，結合監測項目布設情況，便于將分散的監測站集中管理，在大壩壩頂右岸布設監測管理站，管理右壩肩及附近邊坡區域的監測站；地下副廠房布設監測管理站，管理三大洞室及其相鄰區域的監測站。另外，壩頂左岸監測管理中心站兼有管理站的功能，負責管理左壩肩及附近邊坡區域和堆積體的監測站。

3.4 監測管理中心站

監測管理中心站布設于大壩壩頂左岸，負責猴子巖水電站工程全部安全監測管理工作。監測管理中心站通過安全監測信息管理或綜合分析系統對監測管理站和監測站自動采集、其他半自動、人工測讀的數據、工程所有與安全監測相關的文檔資料進行集中統一管理，具有監測資料的初步分析和發布功能；并將初步分析成果反饋給監測管理站和監測站的采集計算機相關控制指令，同時后期與庫壩流域綜合信息管理系統無縫連接。

監測管理中心站應具備適合工業應用環境，具備良好的接地、防雷、抗干擾功能，具備凈化電源和不間斷電源，以確保系統穩定供電。

3.5 網絡通訊方式

監測站和傳感器之間、監測站和監測管理站之間、監測管理站和監測中心站之間都存在通訊，系統間各通訊接口與傳輸方式結合工程監控體系布置特點靈活選用。結合猴子巖工程監測布置特點以及自動化系統組網形式，各系統之間通訊方式規劃如下：

(1)監測站(放置數據采集裝置，簡稱MCU)與傳感器之間，鑒于各類型數據自動采集裝置均有自己的通訊方式，且不影響系統總體功能，只要滿足能有效采集各類監測傳感器的信號即可[2]。

(2)監測站和監測管理站之間的通訊方式根據建筑物和邊坡的監測布置和監測管理站的設置綜合考慮。擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電系統建筑物的監測站由于較為集中，與監測管理站之間通訊采用星形連接及TCP/IP光纖通訊的網絡拓撲形式，實現系統的高速數據通訊、抗電磁干擾和雷暴，從而保證系統可靠安全運行。左岸邊坡和堆積體把傳感器引入附近的監測站，再以星形連接及TCP/IP光纖通訊的網絡拓撲形式將匯集數據傳送至壩頂左岸監測管理中心站；右岸邊坡把傳感器引入附近的監測站，再以星形連接及TCP/IP光纖通訊的網絡拓撲形式將匯集數據傳送至壩頂右岸監測管理站。

(3)監測管理站和監測中心站之間通過局域網連接，實現數據安全、快速傳輸。

(4)監測中心站后期與大渡河流域庫壩信息綜合管理系統采用專用網絡實現接入。這種異地遠程數據通訊，主要解決遠程對現場監測數據的傳輸、共享和監控問題。

3.6 電源供電方式

(1)監測管理中心站。監測管理中心站采用雙電源供電，多路輸出220 V除對站內設備供電外，中心站配置一套交流不間斷電源(在線式UPS)，蓄電池維持系統設備正常工作至少3 d。

(2)監測管理站。監測管理中心站采用雙電源供電，多路輸出220 V除對站內設備供電外，各監測管理站分別配置一套交流不間斷電源(在線式UPS)，蓄電池維持系統設備正常工作至少3 d。

(3)監測站。監測站采用廠用電源供電，多路輸出220 V除對站內設備供電外，各監測站分別配置一套交流不間斷電源(后備式UPS)，蓄電池維持數據采集裝置正常工作至少7 d。

3.7 系統防雷和接地

雷擊對安全監測自動化系統危害較大；為提高監測系統的防雷避雷性能，必須采取相應的防雷措施。由于建筑物和邊坡監測儀器埋設分布范圍較廣，為確保安全監測自動化系統正常運行，必需采取相應防雷措施防止雷電對監測自動化系統的破壞[3]。因此，結合本工程實際情況，主要從系統接地、電源防雷及通信防雷三方面進行設計。

(1)監測管理中心站、監測管理站。結合猴子巖電站的實際情況，監測管理中心站和監測管理站可直接利用工程的防雷、接地設施，但接地裝置的電阻應小于4 Ω；機房內設備的工作地、保護地采用聯合接地方式與工程區公用接地網可靠連接。電源防雷采用三級電源防雷，主要由三相并聯式電源防雷器、隔離變壓器、穩壓電源等組成，同時兼防電網中的浪涌。應在監測管理中心站和監測管理站各配置1臺220 V交流電源防雷箱和防雷隔離穩壓電源。通信防雷要求進入監測中心管理站、監測管理站的所有金屬管線和電纜金屬外皮均應接地，同時還應選擇適合的避雷器加以保護。

(2)監測站。監測站直接采用接地線(鍍鋅扁鐵)與工程區公用接地網連接，接地裝置的電阻應小于10 Ω；遠離公用接地網的監測站，應在其附近設置接地點，采用Φ36 mm的鋼筋打入地下2 m，然后采用接地線(鍍鋅扁鐵)與其連接，接地裝置的電阻應小于10 Ω；測站設備的引入電纜應采用屏蔽電纜，其屏蔽層應可靠接地。

3.8 系統運行方式

(1)中央控制方式。由監控主機或授權計算機，命令所有測控單元同時巡測或指定單臺、單點進行選測，測量完畢將數據列表顯示，并根據需要存入采集數據庫。

(2)自動控制方式。由各測控單元自動按設定時間進行巡測、存儲，并將所測數據送到監控主機備份保存。

(3)遠程控制方式。由經授權的遠程計算機，利用通信網絡線路等方式對監測中心管理站以及監測管理站進行全過程操作或對現場測控單元進行連接控制、檢測和管理。

(4)人工測量方式。利用人工接口裝置進行人工測量，試運行期進行比測。

4 結 語

(1)基于猴子巖水電站工程進度以及樞紐區監測設計內容的重要程度和測點工作狀況的評估，確立了監測自動化系統實施的范圍，主要包括擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電系統建筑物、工程邊坡、堆積體及業主營地等。

(2)猴子巖水電站樞紐工程安全監測自動化系統主要包括自動化數據采集系統和監測自動化信息管理系統。按監測站、監測管理站和監測管理中心站三級規劃，后期實現大渡河流域庫壩安全信息綜合管理系統對現場監測管理中心站的遠程管理工作。

(3)根據工程規模及特點，自動化系統共布設監測站29個，監測管理站2個，監測管理中心站1個；監測自動化系統設備采用分布式、RS- 485與TCP/IP綜合組網，測站內的數據采集裝置之間采用RS- 485總線連接，監測站與監測管理站之間采用星形連接及TCP/IP光纖通訊的網絡拓撲形式，監測管理站與監測管理中心站之間通過廠內TCP/IP網絡進行遠程通訊。

(4)通過實施監測自動化系統，能夠達到“無人值班、少人值守”的電廠管理要求，滿足遠程監控和專家領導系統分析決策的現代企業管理要求。