微功耗大壩安全監測通用無線現地單元應用實踐

陸緯 儲華平 李東 吳健琨

摘要：大壩安全監測通用無線數據采集現地單元的監測手段具有微功耗、體積小、易布設和采取多級防護等特點。介紹了該系統在湖南托口水電站以及江西柘林水電站安全監測中的應用情況。該通用現地單元可混合接入多種類型安全監測傳感器，采用分布式架構布設于各儀器集中處，利用無線廣域網或無線局域網進行數據傳輸，有效節省了線纜及土建成本，提高了系統穩定性，縮短了值守時間。應用結果表明，該微功耗現地單元穩定可靠，可高效獲取了大壩及周邊難于供電測點數據，并大幅提升了數據采集設備的防雷性能。

關鍵詞： 無線組網;數據采集;現地單元;大壩監測;微功耗

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.016

大壩安全監測是對大壩施工過程和運行狀態進行監視的一種必要手段。目前，大壩監測自動化系統基本采用分布式架構，利用各種專用的數據采集模塊獲取特定類型傳感器的物理信號，再通過有線數據總線或無線網絡將傳感器采集的數據傳送至中心控制計算機[1]。

由于大壩監測傳感器的種類繁多，一個工程可能采用多種類型的模塊，使得日常維護十分繁瑣;同時，各類傳感器無法同時接入同一個模塊，因此可能需要為了一支不同儀器而增加一個專用采集模塊的情況，造成資源的浪費和增加系統的復雜度。

針對這一問題，研究并設計了一種微功耗通用數據采集模塊，將該數據采集模塊與傳統大壩安全監測常用的振弦式、差阻式、±5V電壓量、4～20mA標準電流量、RS485標準接口式、電位器式等類型傳感器結合，可構成適合于大壩監測行業的新型通用數據采集系統。

該模塊根據現場實際應用的需要設計了一個具有不同通道數的系列，包含單通道、4通道、8通道以及16通道通用型，對電能要求低，穩定可靠，通用性和互換性高，數據可多通道發送，已成功應用于多個工程現場。

1 托口水電站

1.1 系統應用概況

托口水電站位于湖南省洪江市境內，工程以發電為主，兼具防洪、航運等綜合效益。工程等級為I等大（一）型，最大壩高82 m。水庫正常蓄水位250.00 m，死水位235.00 m，正常蓄水時庫容12.49億m3，校核洪水位252.43 m，總庫容13.84億m3，電站總裝機容量830 MW（其中生態放水小機組15×2 MW），多年平均發電量21.31億kW·h。樞紐建筑物由東游祠主壩、王麻溪副壩、河灣地塊防滲工程及生態放水發電系統等四大部分組成。由于托口水電站特殊的地形條件，樞紐建筑物采用分散式布置，即東游祠主壩（擋水、泄洪建筑物）與王麻溪副壩（發電廠房、通航建筑物）等分開布置，其間為河灣地塊。該地塊全線直線距離約4.5 km，共布置46孔地下水位觀測孔，需要采集相關地下水水位高程信息。

1.2 技術難點

托口水電站河灣地塊地下水安全監測項目在具體實施中存在一些問題，對數據采集模塊的布設、網絡通信方式及架構、電源的設置等都提出了一定的要求，主要包括：

（1）河灣地塊全線范圍較大，布置的46孔地下水位觀測孔分布較廣，各觀測孔間距離在幾百米以上，難以實現將多支儀器電纜拖引至一處集中接入相關數據采集模塊的方式。

（2）由于各測點與中心機房距離遠，且存在沿途土地權屬問題，難以在現場埋設光纜等有線通信線路或拖引儀器電纜經過農田、果園等居民設施。

（3）各地下水觀測孔基本都處于野外林深草密處，夏季林木枝葉可能會完全遮擋住太陽能電板，且野外禁止砍伐樹木，加之基本沒有市電供電的可能性，因此對數據采集模塊的低功耗性能提出了較高的要求。

（4）河灣地塊存在一些洼地、水塘、魚塘等覆蓋水體的區域，易遭受雷擊，對安全監測系統的防雷性能提出了較高要求。防雷及相關的電磁干擾防護是安全監測數據采集模塊的必要組成部分。除傳感器外，對外通信是系統最易遭受損害的環節，因此需采用多種保護措施[2]。

（5）區域內多處測點處于暴露狀態，夏天陽光暴曬，雨季潮濕悶熱，部分測點位置人跡罕至、難以到達，因此對相關監測設備的環境適應性以及值守可靠性提出了較高要求。

1.3 解決方案

針對主要技術實施難點，新引入的河灣地塊地下水自動監測系統采用分布式架構和4通道微功耗通用大壩安全監測模塊作為現地單元進行數據采集及遠程傳輸。結合基于網絡的上位機軟件，構成新型微功耗無線安全監測系統，具有如下特點：

（1）以高精度振弦式滲壓計為地下水水位測量儀器。數據采集模塊就近布設于各地下水觀測孔并接入滲壓計，大大減少了儀器線纜的長度。同時每個測點均配置4通道微功耗通用采集模塊，形成通道冗余，便于后期增加儀器，且當一個通道損壞時有可供替換的備用通道繼續進行測量。模塊電路板見圖1。

（2）數據接收端的中心計算機接入因特網后均可實現接收測控裝置發送的實時數據[3]。經過實地測量，現場各測點處均有GPRS公網信號，信號強度各異，故系統采用基于公網GPRS信號的無線傳輸方案。針對受所在地地理位置限制、個別測點信號強度較弱的情況，采用了增強型天線作為有效應對措施，實際使用中效果良好，可以有效保障獲取的信號強度。整個地下水監測網絡呈星型分布式架構，每個測量模塊接入一支傳感器獨立工作，一個測點模塊的損壞或失效不影響其他測點數據的正常上報。同時，因雙網隔離需要，相關測量數據先遠程傳送至長沙五凌電力數據中心，托口水電站再通過網絡從長沙數據中心調閱相關數據。相關組網設計方案見圖2。

（3）數據采集模塊采用智能電源分配控制。控制器智能休眠待機模式可有效降低模塊的整體運行功耗，節省大量電力。現地單元整體待機電流30 μA以下，僅依靠配備小功率、小面積太陽能板及小容量鉛酸蓄電池即可滿足使用要求，如15 Ah蓄電池可供損壞的太陽能板工作至少1a。

（4）在實際的電路設計中，除了電源和對外通信使用電源及通信防雷器外，采集系統所有接入儀器線纜的通道都設計了雙重防雷系統。數據采集模塊的下端各通道的接入電路均應用光耦繼電器進行隔離，同時配備氣體放電管及瞬變抑制管對螺絲固定孔連接的箱體進行有效放電。實際安裝時，立桿與箱體進行連接可有效導電放電，立桿根基處設置簡易鋼筋籠并配合導電劑使用，可大大降低現地單元的接地電阻，便于短時、快速泄放電荷，具體見圖3。另外，箱體通過接地線與測點防雷接地樁連接，每個測點設置4個接地樁，實測接地電阻均小于10Ω。

托口水電站河灣地塊地下水監測一體化現地單元現場安裝情況如圖4所示。

1.4 應用效果

由于很多測點處于植被茂密處，太陽能電板會被部分或完全遮擋，同時南方持續陰雨天氣可能導致蓄電池無法有效充電;若GPRS通信模塊持續在線耗電較大，小型蓄電池也難以支持，故現場測量模塊采用睡眠定時喚醒或設置相應的窗口時間。在窗口時間對GPRS通信模塊進行設置，可保證模塊在需要的時間段保持實時在線，便于隨時對相關傳感器進行測量;還可對模塊在線時長進行設置，通過斷電或使其進入睡眠模式以降低功耗[4]。

該系統自2016年7月調試完成后投運，運行期間總體較為穩定可靠，測量精度滿足監測要求。設備現場安裝地區為南方高山密林地區，運行過程中常出現長周期的陰雨天氣，采用微功耗數據采集模塊以來，利用公網發送的監測數據未出現中斷、丟失等現象。經多次人工觀測校核，自動化地下水水位測量精度及變化趨勢符合現場客觀事實，滿足電站的觀測要求。

運行2 a間，相關測點自動化測得地下水位與庫水位的相關性曲線見圖5。

2 柘林水利樞紐

2.1 系統應用概況

柘林水利樞紐位于江西省西北部永修縣境內修河中游末端，是一座以發電為主，兼具防洪、灌溉、航運、養殖等綜合效益的大型水利水電工程。該工程距南昌、九江公路均約為100 km，距永修約40 km。工程于1958年開工興建，目前水電站總裝機容量42萬kW。柘林水利工程主要由主壩、Ⅰ副壩、Ⅱ副壩、Ⅲ副壩、第一溢洪道、第二溢洪道、泄空洞、兩個發電廠房及其引水系統、灌溉隧洞及取水閘、船筏道建筑物等組成。主壩為黏土及混凝土防滲心墻土石壩，設計壩頂高程73.5 m，最大壩高 63.5 m，壩頂長590.75 m。主壩部分安全監測設備采用了南京水利水文自動化研究所生產的DG-2000型分布式大壩監測系統，于2004 年投運。2017年進行自動化系統及大部分監測儀器的升級改造，改造后的系統由分布在主壩區的監測儀器（273支）、微功耗現地測控裝置、中央機房和配套電纜及數據采集軟件等構成。目前，微功耗現地測控裝置共25臺，分別安裝在6個觀測房里。

現場6個觀測房分別接入2～8臺的16通道微功耗現地測控裝置，所有觀測房均采用12V/30W太陽能電板及12V/100Ah鉛酸蓄電池進行供電，同時通過光纜與中心機房的數據采集計算機進行有線通信。所有現場的振弦式、差阻式及電位器式儀器均可混合接入各微功耗現地測控裝置，觀測房內布置如圖6所示。

柘林主壩兩側壩肩上個別土位移計極易遭受雷擊。由于安裝現場的地形地勢處于最高點的突出位置，自儀器埋設運行以來多次遭受雷擊而損壞，微功耗現地測控裝置配備的儀器通道防雷器多次被擊穿，另一端的振弦式土位移計的鋼弦也被擊斷，嚴重時甚至導致數據采集模塊被擊壞。以柘林水電站主壩左岸邊坡高程95 m平臺E1土位移計等測點為例，在2017年陸續發生4～5起防雷模塊及土位移計均被擊穿的現象，有1～2次采集模塊內通道也發生損壞，現場受雷擊影響嚴重。

經相關技術改進，在山頂的土位移計與半山腰的現地測控裝置之間架設防雷器，即將中間線纜兩端進行防雷器接地保護。儀器線纜進入數據采集模塊相關防雷通道之前，先經過菲尼克斯防雷器，防雷器接地端直接與現地單元箱體接地螺栓柱連接進行大電流的泄放;另一端線纜進入相關傳感器之前也要先經過菲尼克斯防雷器，防雷器接地端與現場設置的接地扁鐵相連后直接整體地埋，接地扁鐵砸入地下70 cm以上。安裝埋設方法如圖7所示。經一段時間使用，在2018年3～8月，E1測點發生1次菲尼克斯防雷器及儀器被擊壞的現象，雖然該埋設方法起到一定效果，但仍亟需改進。

2.3 解決方案

針對柘林現場個別測點的防雷技術難點，新引入的微功耗無線通用安全監測數據采集現地單元采用單通道一體化設計，待機電流小于30 μA，使用一次性大容量19 000 mAh鋰電池供電，可以接入振弦式、差阻式等多種類型傳感器。單通道現地采集單元具體地埋的安裝方式與接入防雷器類似，通信可采用無線公網GPRS或短消息SMS，也可采用短距無線LoRa方式進行可視范圍內的點對點數據傳輸。

新型微功耗無線現地采集單元的引入作為原先柘林有線通信主體的有效補充，可解決個別易遭受雷擊測點的數據獲取問題，主要有如下特點：

（1）體積小巧，內置相關防雷器件，極低的功耗可以保證其在無電源供給的情況下使用至少2 a。

（2）采用防水鋁盒封裝，安裝簡單方便，相鄰儀器可就近地埋，減少了儀器電纜的走線。

（3）采用無線通信方式大大降低了通信線纜遭受雷擊的可能，實際安裝時只需將無線通信天線置于地面之上。

（4）現地單元處的通信模塊平時不上電，相關數據采集模塊待機也采用低功耗睡眠模式。一般定時喚醒到點測量報數或設置相應的通信窗口時間，在定時測報或窗口時間通信模塊上電組網，進行無線數據傳輸。定時測報或窗口時間結束，通信模塊掉電的同時，采集模塊也進入睡眠待機模式。因整個現地單元平時待機電流極低，故其遭受雷擊的可能性也大幅降低。

2.4 應用效果

幾處易遭雷擊測點均處于與數據采集中心機房的通視路徑上，且與其直線距離不超過400 m，故具體應用中采用有線局域無線組網LoRa技術。自2018年8月起，在柘林水電站主壩邊坡高程95 m平臺E1土位移計等測點應用微功耗單點無線現地采集單元配備LoRa終端，中心機房計算機配備LoRa網關用于無線數據的接收。使用后數據采集穩定可靠，已連續經歷過多次雷雨天氣考驗，各測點均運轉正常，每天定時測報兩組數據，滿足相關的數據完整性要求，解決了測點長期受到雷電影響的問題，有效保障了數據采集模塊和相關傳感器的安全。具體應用相關組網架構見圖8。

隨著國家移動通信公網覆蓋范圍的不斷擴大及數據服務價格的不斷降低，各種無線通訊技術得到了迅猛發展[5]，相關無線局域網技術與公網的有效融合也越來越緊密，未來越來越多的新建水庫大壩工程監測及大壩除險加固系統升級改造等項目將會采用無線技術組網。同時，隨著傳感器技術的突飛猛進，相關采集設備對通用性的要求也在不斷提高。在進一步做好無線網絡安全的前提下，未來在壩體或水工建筑物的內部監測、地下水信息化平臺的建設等方面，微功耗分布式通用安全監測技術與無線傳輸技術的有效結合將會成為重要的應用方向之一。

參考文獻：

[1] 章濤，舒乃秋，李紅玲，等. ?大壩安全監測網絡傳感器通用數據采集模塊設計[J]. ?工業儀表與自動化裝置，？2004？（2）： 36-38.

[2] 廖榮慶. ?大壩安全監測自動化系統的網絡設計[J]. ?水利水電快報，？2004，？25？（1）：28-30.

[3] 李家群，吳健琨，張維科. ?利用GSM網絡進行大壩遠程監控的應用實踐[J]. ?水利水文自動化，2008（2）：8-12.

[4] 陸緯，劉波，陳欣剛，等. ?大壩安全監測系統主要無線組網策略[J]. ?水利信息化，？2017（6）：59-64.

[5] 毛良明，邊靜如. ?新型無線通信技術在安全監測自動化系統中的探索與應用[J]. ?水電自動化與大壩監測，2010 （6）：38-40.

（編輯：李曉濛）