大壩安全監測自動化系統在黃金坪水電站的應用

(四川大唐國際甘孜水電開發有限公司，四川 康定，626001)

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河水電基地干流水電規劃“三庫22級”的第11級電站，上接長河壩水電站，下游為瀘定水電站。電站的安全與穩定關系到上下游人民的財產與安全，因此，時刻監測大壩的安全起著至關重要的作用。隨著電子、計算機網絡、通信和傳感器技術的發展，大壩安全監測自動化的技術已日趨成熟，已廣泛應用到水電站壩工建設和壩體安全監測中。本文依托黃金坪水電站，介紹安全監測自動化系統在黃金坪水電站的應用情況。

1 工程概況

黃金坪水電站的壩址控制流域面積56942km2，占全流域面積的73.58%，多年平均流量847m3/s。水庫正常蓄水位為1476.00m，相應正常蓄水位庫容為1.28億m3，校核洪水位為1478.93m，相應水庫總庫容為1.4億m3，死水位1472.00m，汛期運行水位1472.00m，壩壅水高73m，最大壩高95.5m，水庫具有日調節能力；電站總裝機容量850MW(大800MW、小50MW)，多年平均年發電量38.61億kW·h。黃金坪水電站是以發電為主的大(2)型工程，無航運、供水、防洪、灌溉等綜合利用要求。水電站由擋水大壩、溢洪道、泄洪洞、左岸引水發電建筑物、右岸引水發電建筑物及工程邊坡組成，黃金坪大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，黃金坪廠房為引水式地下廠房。

2 監測自動化的總體設計方案

黃金坪水電站安全監測自動化系統采用分布式、多級連接的網絡結構形式。其安全監測自動化系統按兩級設置，即前方現場監測站和后方監測中心站?，F場監測站主要作用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中心站上機位的控制指令。監測中心站主要作用是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并進行轉換、按規定的格式統一存放在原始和整編數據庫中，工作站和服務器通過安全監測信息管理系統對現場測站自動采集、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，且通過安全分析評價系統進行監測資料的分析和發布工作。

2.1 自動化監測系統總體功能

2.1.1 監測功能

系統應具備多種采集方式和測量控制方式：

(1)數據采集方式應有選點測量、選箱測量、巡回測量、定時測量，并可在測量單元上進行人工測讀。

(2)測量控制方式為應答式(由采集機或聯網計算機發出命令，測量單元接收命令、完成規定的測量，測量完畢將數據暫存，并根據命令要求將測量的數據傳輸至計算機中)，能夠對每支傳感器設置其警戒值，當測值超過警戒值時，系統能夠進行自動報警；系統具備接收和上傳上級主管部門監測數據及信息的功能。

2.1.2 顯示功能

顯示監測布置圖、過程曲線、監測數據分布圖、測點布置圖、報警狀態窗口等。

2.1.3 存儲功能

系統應具備數據自動存貯和數據自動備份功能，在外部電源突然中斷時，保證內存數據和參數不丟失。

2.1.4 操作功能

從現場或監測中心的計算機上可實現監視操作、輸入/輸出、顯示打印、報告現有測值狀態、調用歷史數據、評估運行狀態等功能。

2.1.5 自檢和報警功能

系統應具有自檢能力，對現場設備進行自動檢查，能在計算機上顯示系統運行狀態和故障信息，以便及時對系統進行維護；應具有運行日志、故障日志記錄的功能。

2.1.6 供電功能

系統采用220V交流電源，測量單元配備備用蓄電池，在系統供電中斷的情況下，能保證現場測量單元至少連續工作一周。

2.1.7 耐惡劣環境功能

系統應具有較強的環境適應性和耐惡劣環境性，具備防雷、防潮、防銹蝕、防鼠、抗振、抗電磁干擾等性能，能夠在潮濕、高雷擊、強電磁干擾條件下長期連續穩定運行。

2.1.8 比測功能

系統應備有與便攜式檢測儀表或便攜式計算機通信的接口，能夠使用便攜式檢測儀表或便攜式計算機采集監測數據，進行人工補測、比測，防止資料中斷；應具有方便可操作的人工比測專用裝置和設備。

2.1.9 遠程操作功能

對于授權用戶，可遠程實現上述功能或部分特別功能。

2.1.10 數據通訊功能

系統應具備數據通信功能，包括測量單元之間以及測量單元與監測管理站計算機之間的雙向數據通信，以及監測管理站與其他網絡之間的數據通訊。

2.1.11 綜合信息管理功能

系統應有在線監測、離線分析、數據庫管理、安全管理等功能。

2.1.12 網絡安全防護功能

具有多級用戶管理功能，設置有多級用戶權限、多級安全密碼，對系統進行有效的安全管理，確保網絡的安全運行。

2.2 自動化監測系統的項目及測點

在監測儀器接入監測數據采集系統前，對已埋設的每一支儀器的工作狀態進行測試、評價，以確定該儀器測值的可靠程度。根據現場測點分布情況及其測點監測的作用及鑒定情況，布置監測儀器進行優化后接入自動化系統，納入自動化系統的監測儀器包括：多點位移計、錨索測力計、鋼筋計、錨桿應力計、測縫計、鋼板計、溫度計、測壓管(滲壓計)、滲壓計等。

2.3 自動化系統網絡結構型式

黃金坪水電站現場安全監測自動化子網絡采用總線型分布式網絡。各系統之間通訊方式如下：

(1)測站與傳感器之間，采用各類型傳感器的專用信號電纜，滿足有效傳輸本工程各類監測傳感器的信號；

(2)測站內采集單元之間通訊方式采用RS-485總線方式，測站之間通訊方式采用光纖通訊；

(3)監測中心與前方測站之間采用光纖信號傳輸。

系統整體分為二個層次：

(1)監測站：為了便于大壩安全監測自動化系統的管理，需要把25個臨時監測站進行重新優化，優化后的監測站為永久監測站，根據現場情況進行實際優化，將25個臨時監測站優化成10個永久監測站，其中個別測站儀器距離較遠或者為施工期臨時監測項目，準備取消接入自動化系統?，F場傳感器通過信號電纜將模擬信號傳送至現場采集單元模塊，采集單元模塊安裝在數據采集機箱內，整體構成數據采集前端單元(MCU)。1個或多個數據采集前端單元(MCU)集中放置在指定的專用成品標準工業保護機柜或觀測房內，構成一個一般監測測站。

圖1 黃金坪水電站大壩安全監測自動化系統網絡結構示意

(2)監測中心站：為了便于各個測站的管理及整個自動化系統的操作及數據處理，在環境較好，適合工作的地方(現場管理房一樓的控制中心)設立監測中心站，監測中心站設置在廠房交通洞口的中控樓內，數據采集服務器等計算機、打印機、服務器等中心站設備全部安裝在中控樓。中心站用于整個系統的管理、操作、數據處理。監測中心站內一般布設有數據服務器、交換機、工作站(計算機)、輸出系統(打印機)、電源系統、防雷系統、防火墻、接口等設備，滿足對系統內及對外通訊。

2.4 系統的防雷和防潮

黃金坪水電站夏季雷雨季節較多，空氣濕潤，處多雨季地域，部分測站分布在戶外和基礎廊道及交通洞內，因此要制定系統的防雷和防潮措施。

2.4.1 系統的防潮措施

(1)DAU防水防潮措施：采用南瑞DAU機箱，此機箱采用德國威圖原裝產品，機箱的防護等級達到了IP56，包括威圖機柜的獨一無二密封處理、威圖機柜的表面處理層保護工藝、進線孔的密封處理、防潮加熱器的應用；

(2)采集模塊的防潮工藝；

(3)嚴謹的電纜接續工藝。

2.4.2 系統的防雷措施

(1)供電的防雷：采取的防雷措施是在各個區取電點進行隔離穩壓保護，并設置有防雷保護器，對供電線路進行全面保護。

(2)通信的防雷：設置有通訊防雷保護器，對通信線路進行保護，同時對通信線的敷設和連接采取相應的防護措施。

(3)監測站和管理站的防雷：直接利用工程的防雷和接地設施，接地裝置的電阻小于4Ω。

(4)其他防雷措施：所有暴露在外的電源電纜、信號電纜、通訊電纜采用鍍鋅鋼管或PVC管保護。其中鍍鋅鋼管之間以及鍍鋅鋼管與接地網之間采用焊接的方式連接，室外鍍鋅鋼管盡量敷設在溝槽內，并做好保護，以實現電纜及保護管的防雷。

3 自動化監測系統的運行

3.1 系統的運行和維護

黃金坪水電站自投入試運行以來，采用自動化監測系統通過采集軟件(南瑞DSIMS4.0大壩安全監測管理系統軟件)自動采集運行的模式，

每天定時測量采集1次，在各個測站測量完畢后，系統定時自動將各模塊內的所有實測數據取回、進行成果計算，并將所有原始數據、計算結果等自動存入服務器的系統數據庫中。

根據規范要求，定期對系統數據采集單元、模塊和軟件進行定期檢查維護，對自動化設備定期巡視檢查。試運行期以來，系統運行正常穩定，測值可靠，系統主要性能和功能滿足規范要求，運行情況良好。

3.2 人工比測及監測資料對比分析情況

在試運行期間，自動化和人工測量結果定時進行比測分析，并通過二者過程線的比較，得出自動化測量結果變化穩定，過程線平滑，變幅和規律性與人工測值過程線一致，各監測點沒有出現趨勢性偏移，能反映監測對象的實際變化規律，系統的比測結果滿足設計和規范要求。

3.3 監測系統運行情況評價

黃金坪水電站大壩安全監測自動化系統自投入試運行以來，按照《大壩安全監測自動化技術規范》要求，對系統功能、系統穩定性、系統可靠性等進行了考核，并進行了人工對比比測，考核結果顯示，系統各項功能運行正常，自動化測值變化穩定，監測數據連續性、周期性較好，自動化采集數據與人工數據比較變化規律基本一致，變幅相近、能反映工程監測對象的變化規律。整個系統試運行情況表明，其功能、運行的穩定性、可靠性和人工比測精度滿足設計和規范要求。

4 結語

黃金坪水電站大壩安全監測自動化系統具有實用、快讀、齊全、高精度自動化等特點，系統試運行以來，其功能、運行穩定性、可靠性、測量精度等滿足設計及規范要求，達到了工程設計的要求。自動化的實用性大大減輕了人工測量的工作量，提高了觀測精度和觀測頻率，對大壩的安全運行起到不可或缺的作用，并為黃金坪水電站大壩安全監測實現“無人值班、少人值守”的運行模式打下了堅實的基礎，對公司庫壩中心建設管理起到了積極推進作用，也為水電站大壩安全監測自動化系統的建設和運行管理積累了寶貴的經驗。