大壩安全監測自動化系統運行情況調查

滕世敏 崔何亮 張 猛

(國家能源局大壩安全監察中心，浙江 杭州 311122)

1 概述

安全監測自動化系統已在水電水利工程領域得到了普遍的應用，為進一步掌握當前大壩監測系統化系統的設計、建設、運行、維護情況，了解監測自動化應用中存在的問題，采用問卷調查和數據分析等方式，對35座大壩的有關情況進行了調研。調查分析的內容包括大壩監測系統自動化接入范圍、監測自動化設施的類型、儀器設備的運行效果、人工比測工作開展等各方面情況和存在問題。

本次調研的35座大壩，電力系統的有34座，水利系統的有1座，主要分布于華南、華中和西部地區；壩型主要包括混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、混凝土拱壩；壩高在100 m以下的有7座，在100 m～200 m的有22座，在200 m以上的有6座；庫容在1億m3以內的有2座，在1億m3～10億m3的有11座，庫容在10億m3～100億m3的有18座，庫容在100億m3以上的有4座；首次蓄水時間在2000年以前的有17座，在2000年以后的有18座。

2 大壩監測自動化監測的應用范圍

本次調研，對35座大壩的自動化監測項目進行了細分，統計結果見圖1，分析可知：

1)壩基揚壓力監測的重要性高、自動化監測實施較簡單，因此實現自動化的比例最高，達到97%。

2)壩體水平位移的自動化比例也較高，為91%，相比之下，壩體垂直位移的自動化程度則僅有63%。其主要原因有兩方面：一是從自動化系統角度，相比垂直位移監測，水平位移可選儀器設備多、運行可靠性和維護難易度相對也較好；二是從人工觀測角度，垂直位移(主要是水準)的監測難度較小，精度也更容易得到控制。

3)滲流量和繞壩滲流的自動化監測比例均在70%左右，總體不高。

3 監測自動化系統的建設

3.1 監測自動化系統的設備來源

目前大壩安全監測領域中，較常見的自動化設備廠家(型號)主要有國網電力科學研究院(DAMS-IV)、南京水利水文自動化研究所(DG-2000)、國電南自(FWC2000)、北京/西安木聯能工程科技有限公司(LN1018II)、北京基康儀器有限公司(BGK-MICRO)、東北勘測設計研究院、長春市朝陽監測技術有限公司、湖南遠程電子有限公司等。本次調研的35座大壩中，建設采用的監測自動化系統最多的是國網電科院的DAMS，有26家(76%)使用該系統；采用其他廠家的有9家。

3.2 監測自動化設備應用數量

調研對象大壩接入自動化系統的儀器數量、現場監測站和監測管理站、監測管理中心站數量等統計結果表明：

2.4 CT掃描輻射劑量 所有病例單次低劑量CT掃描層數為7-15層，其影像質量與常規劑量CT影像對比差異不大，能夠滿足穿刺定位要求。單次容積掃描CT劑量：容積CT質量指數（CTDI vol）4.09-8.06mGy，長度乘積（DLP）20.75-80.33mGy/cm；總有效劑量（Total Exam DLP）：62.25-240.99mGy，與常規120mA掃描參數相比，每次掃描輻射降低幅度達41.7%-58.3%。

1)各座大壩的監測自動化系統均布置有1個監測管理中心站。

2)多數大壩監測自動化系統未設置監測管理站，僅個別電廠設有監測管理站。從功能上看，監測管理站主要作用是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，與監測管理中心站功能有所重復；而目前的數據傳輸技術已經能夠滿足監測管理中心站直接接受、管理數據采集裝置，因此多數電廠不設監測管理站。

3)現場監測站數量與工程規模有關，大多數大壩的現場監測站在30個以下，最多的達到了100個。

4)大多數大壩使用的自動化模塊數量在100個以內，但最多的達到了687個模塊。

5)絕大多數大壩接入自動化系統的儀器數量在101支～2 000支之間，最多的達到8 360支。

3.3 監測自動化傳感器的類型

調研的35座大壩中，所有大壩都使用了振弦式傳感器，30座使用了差阻式的傳感器。使用電容式、光電式儀器的各有約20座，此外還有少數大壩使用電位器式、變送器電流/電壓式等儀器。

4 監測自動化系統的運行情況

4.1 自動化系統運行關鍵指標考核

本次調研，共有15座調研對象大壩反饋了自動化系統運行考核指標計算成果，年平均無故障時間(MTBF)、數據缺失率、平均維修時間統計見表1和圖2，結果表明：

1)所有大壩的監測自動化系統年平均無故障時間均大于規范要求的6 300 h，其中大多超過8 000 h，說明多數大壩維護較好；

2)除1座大壩因數據傳輸線路老化等原因，數據缺失率較高外，其他大壩均小于規范要求的3%；

3)規范要求的平均維修時間為2 h，指的是現場維修工作的時間，但從反饋的數據看，各電廠可能理解為了發生故障到修復的時間，除龍開口0.5 h、百龍灘5 h外，其他均填的12 h，24 h，36 h，48 h等，基本是按0.5 d或1 d為單位。從運用上考慮，發生故障到修復的時間更能反映自動化系統的維護情況，以此作為平均維修時間更加合理；

4)由圖2可見，平均無故障運行時間和數據缺失率無明顯的相關性，作為獨立的考核指標是合適的。

表1 自動化系統運行考核指標統計表

4.2 監測自動化系統運行中存在的問題

選擇垂線坐標儀、引張線儀、真空激光儀、靜力水準儀、雙金屬標儀、量水堰儀、采集系統、通信系統作為儀器故障調研的對象，各類儀器設備的故障條數、類型的統計見表2，表3，分析可知：

1)各類儀器的故障既有儀器本身的原因，也有維護不到位的原因，兩種原因數量接近，儀器原因略多于維護原因；

2)從不同監測目的的儀器來看，垂線坐標儀因維護原因造成的故障條數有16條，維護保養不到位的問題比較突出，其中9條為潮濕環境影響，而引張線和靜力水準儀因裝置原因損壞造成的故障相對較多；

3)電容式設備的問題中，關于中間極損壞的故障有14條，在儀器原因的故障中相對較多；

4)采集系統的故障主要是模塊損壞，采集模塊由于結構較復雜，各種組件多，容易發生故障。

表2 自動化測量裝置故障統計表

表3 自動化采集和通信設備故障統計表

4.3 自動化系統的人工比測工作

對自動化儀器設備進行人工比測時，一般分為三種方式：一是利用“人工設備”，諸如引張線的人工讀數尺、垂線的讀數盤或光學垂線坐標儀等；二是采用“比測儀表”，如差阻式、振弦式儀器的讀數儀；三是“其他監測方法”，如通過視準線對垂線進行校測、人工引張線對真空激光進行校測等方式。根據本次35座大壩的調查結果，單獨或結合采用了人工設備的有29座，比測儀表的有20座，其他監測方法進行對比的有10座。

另據統計，在對自動化的測控單元進行比測時，采用便攜式檢測儀表的有24座(69%)，采用便攜式計算機的有18座(51%)。有10座電站(29%)反饋，在人工比測時，需要插拔傳感器的接頭，給人工比測帶來不便。

絕大多數被調研的電站，都對人工數據和自動化測值進行了對比分析。從比測分析的方法看：有27座(77%)采用的是“過程線定性判斷”，其中10座還同時采用了“限差或方差分析”；有4座僅采用了限差或方差的定量分析方法；4座未分析或未填寫。

5 結論和建議

根據本次調研的結果，為進一步優化大壩安全監測系統的設計，提升自動化系統的應用效果，提出以下建議：

1)隨著自動化網絡系統的演變和電腦軟硬件性能的提升，監測管理站和監測管理中心站的界限越來越模糊，建議取消監測管理站和監測管理中心站，如合成為監測管理站。

2)規范要求的平均維修時間為2 h，指的是現場維修工作的時間，不能反映由此導致的數據缺失情況，建議在新規范中，規定以發生故障到修復的時間作為平均維修時間。

3)維護不到位屬于監測自動化系統故障問題中比較普遍的問題，因此加強《監測系統運行維護規程》的宣貫，提高電廠運維人員的培訓，以及促進電廠提高維護的意識和水平均很有必要。

4)儀器設備的問題中，電容式儀器中間極損壞的問題較為突出，廠家宜針對這一問題提出解決方案；人工比測比較費時費力，廠家也需對此作出專門的改進。