沐若水電站安全監測自動化系統設計

李澤源 陳 軍

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 概述

沐若水電站監測項目埋設的儀器均為振弦式儀器，監測項目主要包括變形監測、滲流滲壓監測、混凝土應力應變監測、溫度監測和強震監測。

大壩區變形監測主要項目包括壩體水平位移（壩頂測墩與壩體正倒垂線結合）；壩體垂直位移（壩頂水準點及壩基廊道水準點結合）；壩肩邊坡變形（多點位移計及測量墩結合）；監測控制網等；滲流監測項目主要有壩基滲漏量，基礎廊道滲壓監測；應力應變及溫度監測主要布置在大壩中間壩段10#壩段，監測內容為混凝土溫度、橫縫開合度及局部結構混凝土應力。

主廠房區邊坡及建筑物監測項目以滲流和邊坡變形監測為主，在進水口調壓井、主廠房及廠房邊坡布置有永久的測墩、多點位移計和滲壓監測設施。

根據相關資料，沫若水電站所在地區最大可能地震強度（MCE）為5.5 級，為獲取速度和加速度記錄，在大壩壩體設置有3 臺強震監測儀，壩體下游自由場地設置1 臺強震監測儀，組成強震動監測臺陣。

2 設計依據及原則

2.1 設計依據

本自動化工程設計及實施依據均采用國內相關標準及規范。

2.2 設計原則

根據項目EPC 總承包合同的特點，在滿足系統功能要求的前提下盡量節約投資。主要設計原則有：

（1）兼容性：根據業主要求，能與其同一流域的其他梯級電站自動化體系具有良好的兼容性。

（2）時效性：良好運用現代網絡技術、計算機技術、軟件工程技術等，實時動態監控大壩安全。

（3）可靠性：系統應能長期穩定可靠運行；數據采集要求準確可靠；關鍵部位應有人工監測的接口，以保證即使自動化系統發生故障，也不會丟失監測數據；應用軟件應運行穩定，確保不發生致命錯誤。

（4）適應性：測量控制單元應能適應這些復雜儀器的接口。

（5）開放性：能方便地進行升級、擴展、修改、增加和替換。

（6）易維護：系統必須具有較強的自診斷能力，自動查出系統故障并發出信息，以便及時修復；系統維護操作應簡易。

（7）經濟性：在滿足業主功能要求的同時，根據EPC 合同特點盡量避免重復投資，節約成本。

3 系統結構及構成

3.1 系統納入的儀器

納入監測自動化系統的監測部位主要為大壩和電站主廠房，以大壩壩體為主。強震儀系統作為單獨系統另外設計，預留接口納入本監測自動化系統。

設計方案從電站管理角度出發，滿足動態監測的功能要求下，考慮EPC 合同特點，結合現場實際監測項目布置，對影響大壩安全的重點監測項目納入自動化。主要項目包括壩體應力應變計溫度監測、滲壓滲流監測、強震監測、壩體變形監測（以正倒垂為主）。大壩安全監測項目儀器總計349 支，納入自動化儀器共計228 支。

3.2 系統總體結構

沫若水電站監測自動化系統采用南京某公司DAMS－Ⅳ型分布式大壩安全自動化監測系統，其數據采集裝置采用DAU2000，將分布在壩體各個部位共9個采集測站內，總計13個。由于壩體埋設的儀器均為振弦式儀器，故采集單元均采用NDA14 系列振弦式模塊，共計24 塊。

自動化系統由采集測站、監測管理站和監測中心站組成。采集測站內的采集單元DAU2000 使用RS485 通訊電纜與監測管理站連接。監測管理站與監測中心站之間采用機電通訊光纜連接實現網絡通信。系統數據采集網絡采用總線拓撲結構，即以數據采集計算機作為中央節點用總線向外延伸，連接相應監測站內的采集單元。總線通訊架構結構簡單，具有良好的通用性和兼容性。

3.2.1 采集測站

采集測站主要分布在壩體內部各層廊道觀測房。大壩共布置了8個采集測站，測站內布置采集單元共12個（DAU01～DAU12），與大壩監測管理站通過敷設RS485 線纜進行通訊連接。主廠房GIS 控制室布置1個采集單元（DAU13）,接入廠房區域擬納入自動化系統的傳感器，通過光纜直接接入監測中心站。

3.2.2 監測管理站

監測管理站設置在壩前生態電站控制樓。所有納入自動化系統的傳感器通過敷設觀測電纜，與測量控制裝置相連，經數據控制總線連接等方式引入管理站內，再通過現場機電通信光纜引至電站GIS控制室的監測中心站，接入監測自動化系統。

3.2.3 監測中心站

監測中心站設置在廠房GIS 控制室內，其主要功能是通過安全監測信息采集管理對監測管理站自動和半自動采集的數據、人工測讀的數據、安全監測相關的文檔資料進行集中統一管理，可向監測管理站的采集計算機或直接向分布于各部位測站發布相關控制指令，同時預留遠程服務功能接口。

監測中心站主要配置的設備為數據處理服務器、Web 服務器和工作站計算機及相應的外部設備（包括網絡設備、存儲設備、打印設備、電源設備及防雷設備等）。與監測管理站通過光纜傳輸連接進行網絡通信和數據采集。

3.3 系統供電與防雷

3.3.1 系統供電

監測中心站、監測管理站、測站均采用專線供電方式。大壩12 臺數據采集單元（DAU），需配置1 臺2KVA 穩壓電源集中供電；監測管理站及監測中心站配置凈化穩壓電源，同時配置交流不間斷電源（UPS）對站內設備供電。

3.3.2 系統防雷接地

監測中心站和監測管理站直接利用工程現有的防雷、接地設施。對于各傳感器傳輸線纜，在傳感器線纜引入采集測站前，都作屏蔽保護，屏蔽裝置與工程接地裝置相連。暴露在外的通訊線纜及光纜都加鋼管保護。

3.4 系統結構圖

系統監測中心站通過RS-232 單路光端機引出兩路光纜，一路連接GIS 控制室的采集裝置DAU13，一路連接監測管理站的采集裝置DAU01～DAU12，網絡結構圖如附圖所示。

4 系統功能設計

根據業主要求，自動化系統功能要求主要為：查詢各安全監測儀器的工作狀態、及時掌握工程建筑物的工作性態、能對工作性態進行綜合分析并指導安全運行。因此，本工程自動化系統的功能設計主要表現在以下方面。

4.1 監測功能

包括對各類傳感器的實測數據進行自動采集,備份測量數據；為滿足電站對水工建筑物安全監測的各種不同的管理要求，本次設計的系統提供了4種不同的監測數據采集方式：

（1）定時測量方式（即無人值班方式）。根據監控主機所設定的測量時間及周期，DAU 能自動定時地進行選測和巡測，數據自動入庫，主要用于日常常規測量；

（2）人工干預巡回測量、選點測量方式。必要時，安全管理人員可通過監控主機任意進行測量。

（3）人工采集。人工采集的對象為只能人工監測的項目和需要用人工方法作為對比的監測項目。

（4）半自動采集。作為一種后備方式，自動化系統故障或檢修的情況下，當監控主機或通信線路發生故障時，在恢復通信之前采用便攜式計算機通過現場采集裝置預留的計算機接口實施現場人工數據采集。

4.2 預警功能

自動數據采集系統測量控制能夠對每支傳感器設置其警戒值，當測值超過警戒值，系統能夠進行自動報警。

4.3 系統操作功能

能在監測服務器、監測工作站上實現監視操作、輸入／輸出、顯示打印、報告當前測值狀態、調用歷史數據、評估運行狀態；根據程序執行狀況或系統工作狀況發出相應的提示，進行整個系統的運行管理；可通過人機接口界面（如鍵盤等）控制各級畫面顯示，可對系統配置、測點信息及相應的參數、監測數據等進行編輯修改。

4.4 顯示功能

可在窗口中顯示廠區樞紐監測系統的總貌、各監測項目概述及面貌、監測布置圖、過程曲線、監測數據分布圖、監測控制點布置圖等。

4.5 電源保護功能

在具備有備用電源情況下，交流供電斷電時可自動切換，保證不影響正常的數據采集。

4.6 通訊及防雷功能

各采集裝置和傳輸線纜均具有防雷條件。通訊功能包括采集測站與監測管理站的通信、監測管理站與監測中心站的通信，同時開放系統通訊協議。

4.7 人工接口功能

附圖 沐若水電站安全監測自動化系統網絡結構圖

采集裝置具有與便攜計算機連接的接口，能夠使用便攜計算機從測控裝置中讀取監測數據，以保證在通信系統故障時可獲得監測數據。

4.8 系統自檢功能

系統自檢功能確保及時提供維修，保證監測數據的連續并正確指導安全運行。

4.9 安全管理功能

對系統軟、硬件配置防火墻和網關保護。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。

4.10 數據傳輸功能

能通過預留的接口進行網絡發布和遠程傳輸，便于業主對現場的調度和管理。

5 結語

大型水利建筑物的安全對國民生計有著重要的影響，因此，對其建筑物的安全監測工作也成為必不可少的一部分，尤其在進入運行期后，更是一項長期的、持續的工作。隨著科技的發展，監測自動化將應用得更加普及。它極大地減輕了現場管理人員的工作強度，節省了人力資源配置。同時，其可靠、準確的監測數據和實時、全面的數據處理分析將為管理者指導安全運營提供科學客觀的重要依據。

[1]關于進行沐若水電站大壩安全監測自動化系統的專題研究[R].武漢：長江勘測規劃設計研究院，2012。

[2]DL/T 5211-2005.大壩安全監測自動化技術規范[S].北京：中國電力出版社，2005.