官地水電站安全監測自動化系統規劃

董瑜斐,王界雄,王 曉

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.四川省清源工程咨詢有限責任公司，四川 成都 610072)

1 安全監測自動化的必要性

安全監測工程自動化是20世紀60年代發展起來的全新的監測技術，它隨著計算機、網絡通訊和微電子技術的進步而發展起來，其主要優點是可以盡量避免數據的人為干預、大量減輕人工工作量、實時高效地采集數據、及時生成管理和工作報表。

官地水電站樞紐位于四川省涼山彝族自治州的雅礱江打羅灣河段上，其樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩(碾壓混凝土重力壩)、壩身泄洪底流消能建筑物(中孔壩段和溢流壩段、消力池)、右岸引水系統及地下廠房發電系統組成。碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 334m，最大壩高168m，壩頂長度516m，共分24個壩段。官地水電站共裝4臺單機容量600MW的水輪發電機組，總裝機容量2 400MW。

由于工程規模大、建筑物分散，故電站樞紐需要監測的范圍廣、測點多，若僅采用人工數據采集及其管理則觀測精度和頻次受限，將難以保證數據的可靠、實時和一致性，使后期運行管理工作難以適應電廠“無人值班、少人值守”現代企業管理的需要，同時也不能達到大壩安全管理相關法律法規及規程規范的要求。因此，必須建立一套可靠的安全監測自動化系統，以適應工程安全監測的需要，實時對各建筑物的安全狀況作出有效評價。

2 監測自動化系統構成

目前國內外安全監測自動化系統主要包括自動化數據采集系統和安全監測信息管理及綜合分析系統。

2.1 自動化數據采集系統

目前國內外采用的自動化數據采集系統可分為集中式、分布式、混合式三類。集中式主要適用于中小型工程。分布式采集系統將MCU(測量控制單元)分散布置在靠近儀器的地方，靈活性較強，MCU可完成所轄測點的控制測量、A/D轉換、數據暫存和數據傳輸等功能。混合式是介于集中式和分布式之間的一種采集方式，它具有分布式布置的外型，而采用幾種方式進行采集。

自動化數據采集系統主要功能是按照相關設置，把分布在建筑物的各類監測傳感器標準和非標準的幾何及物理量信號進行準確的采集、傳輸到指定的存儲設備上并按照一定的格式進行儲存。一般情況下數據采集系統分為兩級：其一為采集模塊通過和傳感器類型相匹配的激勵模式電路和A/D數模轉換電路，對現場傳感器的模擬信號進行數據采集、轉換和存儲；其二為上位機通過計算機網絡系統對采集模塊進行操作、控制，將觀測數據以數值量的方式傳輸到指定的存儲設備上并按照一定的格式進行儲存。采集系統中通訊主要功能是根據相關協議建立各設備之間的物理聯系進行信息傳遞，主要包括數據采集裝置和傳感器之間、數據采集裝置與監測管理站之間、監測管理站與監測中心站之間、監測中心站與流域管理站之間的通訊。

2.2 安全監測信息管理及綜合分析系統

安全監測信息管理及綜合分析系統主要功能是對所有觀測數據以及與安全有關的文件、施工資料等進行科學有序的管理、整理整編與綜合分析，并最終對分析成果、原始信息等以可視化的方式輸出，為實時掌握工程的運行狀況提供有效的參考依據。

3 安全監測自動化系統規劃

3.1 接入自動化系統的部位和項目

對官地水電站工程安全監測自動化系統進行規劃，首先確定必須接入自動化系統的部位及項目。

綜合考慮監測部位的關鍵性、監測項目的重要性，并對照儀器考證資料和測值綜合判斷儀器可靠性后確定：大壩、引水發電系統為自動化系統的重點部位，同時，左右岸邊坡和壩前左岸覆蓋層邊坡的監測儀器也接入官地自動化系統。需要人工觀測的其余監測項目按照相關技術要求進行觀測。

各接入自動化系統的部位監測項目主要包括應力應變、溫度、變形、滲流滲壓、水位、GPS系統和強震監測等。監測儀器種類比較齊全，包括應變計、無應力計、鋼筋計、鋼板計、測縫計、錨桿應力計、錨索測力計、多點位移計、滲壓計、水位計、溫度計、測溫光纖等。擬接入自動化系統的傳感器總計2 346個，傳感器類型主要有差阻式、振弦式及部分標準量式。

3.2 監測自動化數據采集系統

官地水電站工程規模大、建筑物分散、監測測點數量多易受外界干擾，故本工程監測自動化采集系統采用分布式、多級連接的網絡結構型式。

官地水電站監測自動化數據采集系統按監測站、監測管理站和監測中心站三級設置，擬實現流域安全監測監控中心對現場監測中心站相關遠程管理工作。

(1)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管理站上位機的控制指令。各建筑物現場監測站的規劃設置，主要根據建筑物布置和施工期監測儀器電纜走線情況等因素考慮。根據樞紐建筑物布置特點及監測管理站的環境要求，監測儀器相對集中的部位集中設置監測站的布置原則，并考慮交通、通風及無干擾且遠離強電磁干擾設備等因素，規劃官地水電站大壩及壩基設置8個監測站、引水發電系統設置2個監測站、工程邊坡及滑坡設置4個監測站。根據接入儀器傳感器類型，各監測站配置的數據采集模塊有所不同，主要有差阻式采集模塊、振弦式采集模塊及標準量儀器采集模塊三種。

(2)監測管理站。主要功能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，并接收監測管理中心站上位機的相關指令及對數據采集裝置下達控制指令。根據建筑物現場監測站的規劃，電站監測管理站擬設置在大壩壩頂、副廠房兩處。監測管理站主要配置工控機、總線中繼器、光端機、通訊光纜、不間斷電源等。

(3)監測中心站。主要功能是通過安全監測信息管理及綜合分析系統對監測管理站自動采集、其它半自動、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，且通過安全監測綜合分析評價系統進行監測資料的初步分析和發布工作，并根據初步分析成果反饋給監測管理站的采集計算機相關控制指令，同時須具有遠程服務功能。監測管理中心站規劃在業主永久營地，監測中心站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。有較高運算速度和較大存儲容量的PC機和服務器，并配有必要的外設。

監測站(測量控制單元MCU)與監測管理站之間采用總線形拓撲結構連接。目前MCU主要是單片機原理，監測管理站的主要功能是對MCU下指令進行數據采集，兩者交互性不強，因此，通信模式擬采用國內廠家較成熟的RS-485模式；監測管理站與管理中心站之間擬采用樹狀拓撲結構連接，通信模式采用Ethernet，以方便后期實現與電廠MIS系統及遠程控制系統的接口。官地水電站工程樞紐區各級測站網絡結構和通訊方式示意見圖1。

圖1 官地水電站樞紐區各級測站網絡結構和通訊示意

監測管理中心站、監測管理站和監測站的電源，采用交流電供電。監測管理中心站和監測管理站配置交流不間斷電源，輸入交流380V回路引自各自的配電設備，輸出220V對站內設備供電，監測管理站還提供對所有監測站的交流供電回路。大壩、引水發電系統及工程邊坡的監測站，擬采用引自監測管理站220V交流電集中對設備進行供電。為了保證系統的安全暢通，對監測管理中心站、監測管理站和監測站設置過電壓保護和接地措施，在電源防雷、通信防雷方面通過加裝相關防雷器實現。

3.3 監測信息管理及分析系統

安全監測信息管理及綜合分析系統的相關功能應較為成熟、先進，滿足不同階段對監測成果初步分析的要求。官地水電站安全監測信息管理及分析系統主要包括三部分，一是信息管理系統；二是監測成果綜合分析評價系統；三是遠程服務系統。

信息管理系統主要包括數據錄入和監測資料的管理，將工程自建設以來的不同部位所有自動采集、人工觀測資料、規程規范、圖紙、技術報告、各種報表及工程檔案等納入本系統進行統一管理。

安全監測綜合分析評價系統主要包括信息可視化系統、圖形報表生成、信息查詢、離線分析及監測成果判別功能等，滿足一般數據的計算分析、報表制作、曲線繪制、查詢和Web發布、資料分析等。

遠程服務系統包括遠程管理和監測信息定時上報功能。官地水電站安全監測信息上報(同步)流域安全監控監測中心，流域安全監控監測中心可通過安全監測信息管理及分析系統客戶端、Web等方式對官地水電站安全監測實現遠方遙測等有關管理工作。同時，遠程服務系統應具備定時向流域中心自動報送相關監測信息并傳送相關監測信息到電廠MIS系統的功能。其工作主要包括：特定端口的機器通過C/S模式能遠程控制現場采集機，實現命令修改、采集、數據傳輸等，一般授權用戶通過B/S模式遠程瀏覽現場Web服務器的相關信息。

4 結束語

縱觀國內外水電站安全監測領域的發展情勢，監測自動化已成為必然趨勢。本文對官地水電站工程安全監測自動化系統進行了規劃設計，以期提供實時、高效、可靠的監測數據，實時對各建筑物的安全狀況作出有效評價。隨著水電站安全監測自動化系統的不斷改進及發展，官地水電站工程安全監測自動化系統應與時俱進、不斷改善，以保障樞紐工程發揮出更大的效益。