水電站數字化安全管理方案的初步設想

劉 玄

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著我國水電事業的發展，水電站數量持續增加，然而大壩運行中的安全問題也日益突出。為了保障水電站安全運行，需要實時監測大壩工作性態，包括變形、滲流、應力應變等，尤其是隨著科學技術水平的提高，運用數字化信息系統已經成為一種有效提高安全管理效果的方式，也是文章研究的重點。

1 水電站大壩運行安全形勢

基于水電資源開發力度的不斷增大，水電站數量與規模持續增大，據統計，2019年我國水電建設投資規模達839億元，累計裝機容量約為35800萬kW。目前，我國長江上游、金沙江、雅礱江、大渡河等流域修建了不少水電站項目，各種大壩規模、數量持續增加。

但是，早期建設中部分水電站大壩修建技術較為落后，大壩運行中存在不少安全問題，如地基失穩、滲流侵蝕等，甚至引發了不少垮壩事故，造成巨大經濟損失的同時，也對周邊人員產生了安全威脅。如2017年2月美國奧羅維爾土石壩溢洪道沖毀事故，造成18.8萬人緊急轉移，修復費用達2.75億美元；2019年1月25日，巴西布魯馬迪紐市發生潰壩事故，截至2019年3月11日已有200余人死亡、約108人失蹤。基于水電站大壩失事的嚴重后果，我國各級政府、水電專家更加重視水電站的安全管理問題。

2 水電站數字化安全管理要求

2.1 水電站大壩運行特點

根據我國目前的水電站運行情況，大壩的服役期往往長達幾十年甚至更久，因此在運行過程中極易受到各種因素的影響而出現病害，如環境荷載、疲勞與腐蝕效應、材料老化等，最終導致壩體結構功能退化、安全性下降，若未能及時發現安全隱患，極易引發嚴重的安全事故。

基于大壩結構的特殊性與工作條件的復雜性，大壩工作性態指標復雜多樣且具有一定的隨機性特征，對此，要根據大壩運行期間的多源檢測和監測信息以及設計、施工、運行管理等資料，對其進行綜合評價，及時消除安全隱患，防止出現災難性事故。

2.2 水電站數字化安全管理要求

根據水電站實際運行情況，傳統人工安全監測工作極易受到各種因素的干擾，包括人員素質、人為誤差以及工作環境等，而數字化安全管理減少了管理人員對經驗的依賴，可精確、全面地反映大壩實時工作狀態，并對其進行綜合評價，及時發現問題進而指導運行與維護工作，避免災難性事故發生。

利用現代信息技術構建水電站數字化安全管理方案，把各種行之有效的方法，如現場檢測、原位監測、試驗模擬、數值計算、理論分析、專家經驗、工程經驗等，綜合起來進行評價決策，切實保證大壩安全穩定運行。

3 水電站數字化安全管理方案初步設想

3.1 功能要求

該水電站數字化安全管理系統功能要求如下：

（1）可根據不同類型的用戶整合各種安全監測資源，提供不同形式、不同結構、不同規模的應用；同時各類應用間可平滑過渡與升級，從單個工程應用到大規模區域管理，系統具備高度的一致性。

（2）通過分布式自動化數據采集架構實現現地、遠程、區域等不同級別的自動化設備通信；具備自動化任務、設備自檢、資源安全備份還原等高級應用功能；從單機測量系統，到大規模區域集成管理，提供完善的自動化解決方案。

（3）利用不同功能、風格與取值定義特征值的圖表模板實現各類數據的統計分析；通過各種分析模型與算法可對測點、項目、工程進行安全評判與預警，從而實現輔助決策。

3.2 系統架構

該水電站數字化安全管理系統架構包括“兩個中心”“四大系統”，如圖1所示。

圖1 水電站數字化安全管理系統架構

（1）兩個中心：數據中心和集控中心。

（2）四大系統：大壩安全信息管理及智能決策支持系統、水情自動測報與水調自動化系統、電站運行控制智能決策系統、地質災害監測與預警管理系統。

3.3 系統設計

（1）大壩安全信息管理及智能決策支持系統。大壩安全信息管理及智能決策支持系統如圖2所示，提供數據采集、信息管理、數據處理、移動應用、預警發布、分析評估等功能。

（2）水情自動測報與水調自動化系統。水情自動測報系統構成如圖3所示，主要包括遙測站、信息傳輸通道以及中心控制站。通過水情自動測報與水調自動化系統實現測區水文、氣象、汛情、工情等信息的實時采集與處理，以實現防洪、發電、水資源的綜合利用管理。

圖3 水情自動測報系統

（3）電站運行控制智能決策系統。電站運行控制智能決策系統如圖4所示，是基于云計算、大數據、人工智能、智能通信等新技術，借鑒智能電網經驗，積極開展智能水電站的前期研究、規劃設計及應用，推動水電站自動化系統的變革和發展。

圖4 電站運行控制智能決策系統

（4）地質災害監測與預警管理系統。地質災害監測與預警管理提供測站監測指標變化曲線、無數據預警、超警戒預警等功能，如圖5所示。監測數據主要采用地表位移站、深部位移站以及地下水位站進行監測，監測曲線類型如表1所示，統計報表如表2所示。預警信息包括歷史預警信息和預警配置，前者顯示歷史預警信息，而后者配置地表位移站、深部位移站、地下水位站各預警級別信息。

圖5 地質災害監測與預警管理系統

表1 監測曲線類型

表2 統計報表

4 結束語

綜上所述，基于水電站大壩安全運行和管理要求，需充分利用現代信息技術的最新成果，構建數字化安全管理方案。通過數字化安全管理系統的運用，可實現對龐大大壩多源信息的高效集成、可視化管理與分析，且通過有效的安全預警機制應用，能為大壩運行管理決策提供可靠依據，實現水電站安全智能診斷與智能管理，為大壩長期穩定安全運行保駕護航。