便攜式大壩監測數據采集裝置研制與應用

張 鑫，董旭龍，韓曉濤，李志洪，易長春

（1．河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北省石家莊市 050300；2．國網新源控股有限公司檢修分公司，北京市 100068；3．哈爾濱今星微電子科技有限公司，黑龍江省哈爾濱市 150000）

0 引言

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮附近的甘陶河干流上。電站總裝機容量1000MW，裝機4臺，單機容量250MW，擔負調峰填谷、調頻調相和緊急事故備用等任務。上水庫位于下水庫左岸的老爺廟山頂，采用開挖筑壩圍庫而成。上水庫工程主要包括堆石壩、庫盆瀝青混凝土防滲面板、排水系統、庫岸基礎處理。上水庫庫盆采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，總防滲面積33.7萬m2[1]。為了監測上下水庫、地下廠房及輸水系統工程安全情況，在上述工程相應部位布設了滲壓計、測縫計、錨桿應力計、鋼筋計、錨索測力計、混凝土應變計等振弦式及差阻式內部觀測儀器，目前正常觀測的內部儀器共有1787支。其中1359支采用自動化觀測，每半年進行1次人工比測；剩余428支儀器采用人工觀測方法觀測。

目前，開展振弦式和差阻式內部觀測儀器人工觀測和比測工作，需要觀測人員隨身攜帶專用的頻率讀數儀、水工比例電橋或數字電橋等多個采集設備到采集現場逐點進行觀測操作，當測點數量較多時，經常出現數據串點、漏測等問題，人工采集的數據需要手工錄入數據庫或者通過導數軟件保存到觀測數據庫內，工作量大、效率低。2018年，河北張河灣抽水蓄能電站針對現場實際情況，研制了便攜式大壩監測數據采集裝置（以下簡稱便攜式采集裝置），2019年8月調試完畢，并在張河灣抽水蓄能電站投入試運行。

1 便攜式采集裝置測量原理

目前，國內常見頻率讀數儀、水工比例電橋或數字電橋等多個采集設備，在實際觀測工作中，測量每個測點均需人工選點、換點，每次操作只能觀測一個測點，不能自動批量采集多測點。便攜式采集裝置是在頻率讀數儀、數字電橋的原理基礎上，將頻率讀數儀、數字電橋、電位器采集裝置功能集成到一個綜合數據采集裝置上，并使用觸摸屏式平板電腦控制綜合數據采集裝置現場測點進行批量自動采集，采集的數據和數據過程線直接顯示在平板屏幕上，可在現場檢查觀測數據是否正確，監測數據自動保存在采集數據庫中。現場采集數據結束后，將平板電腦接入觀測網絡或使用U盤拷貝采集數據庫，使用數據庫入庫軟件將現場采集數據庫中觀測數據導入觀測數據庫中，徹底解決觀測數據串點、漏測、數據入庫煩瑣等問題。系統原理圖見圖1。

圖1 便攜式大壩監測數據采集裝置原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of portable dam monitoring data acquisition device

2 系統組成

便攜式采集裝置由振弦式傳感器采集模塊、差阻式傳感器采集模塊、電位器式傳感器采集模塊、通信模塊、蓄電池充電模塊等組成，可直接批量控制測量振弦式、差阻式、電位器式等16支混接傳感器，也可以進行單點測量[2]。實物圖見圖2。

圖2 便攜式采集裝置實物圖Figure 2 Portable acquisition device physical picture

便攜式采集裝置使用Wi fi信號與平板采集電腦通信，采集軟件、采集數據庫安裝在平板電腦上，采集數據庫中存儲各采集站編號、各測點名稱和傳感器類型等相關參數。

現場采集時，使用平板電腦上的采集軟件選擇要采集的站號，即可一次性完成該站內16個測點儀器的數據采集，并存儲到采集數據庫中。

3 便攜式采集裝置功能

采集軟件提供單點測量、多點測量、過程線、參數配置、自動存儲等功能模塊。

單點測量：用來測量單個傳感器和讀取數據等，通常用來檢測單個傳感器是否損壞，或者在水電工程基建期使用該功能進行新測點的現場測量。將插在便攜式采集裝置上的單通道測量數據線插接到儀器通信線上即可測量。

多點測量：①自動化觀測點人工比測：利用現有的監測自動化系統采集模塊提供的人工觀測接口，使用便攜式采集裝置一次性自動測量該模塊的所有測點儀器，將多通道測量數據線直接插入人工觀測接口，在平板電腦采集軟件的多點測量界面中首先選擇MCU號，然后點擊“一鍵數據保存”，即可自動采集各測點數據并將采集數據存儲到采集數據庫中；②人工觀測點：將各測點集中接到專用集線器上，每16個點一組，組號與自動化的MCU編號結構相同，形成一個MCU編號序列。測量方法與人工比測相同，見圖3。

圖3 多點采集軟件界面圖Figure 3 Multi-point acquisition software interface diagram

參數配置：通過采集軟件，將觀測站號（自動化MCU編號）、各測點名稱、儀器類型、對應的通道順序號寫入采集數據庫，以便于采集軟件后臺調用。

自動存儲：將測量的觀測數據自動存儲到采集數據庫中，現場采集數據結束后，將平板電腦接入觀測網絡或使用U盤拷貝采集數據庫，使用數據庫入庫軟件將現場采集數據庫中觀測數據導入觀測數據庫中[3]。

4 便攜式采集裝置技術參數

便攜式采集裝置主要技術參數見表1。

表1 便攜式采集裝置主要技術參數Table 1 Main technical parameters of portable acquisition device

5 便攜式采集裝置采集的數據可靠性及復測誤差

5.1 采集數據可靠性

采用人工比測方法進行可靠性分析：振弦式傳感器采用GK405讀數儀人工觀測并記錄數據，差阻式傳感器采用南京卡爾勝水電科技有限公司NCT102數字電橋人工觀測并記錄數據，電位器式傳感器采用NDA161數字電橋人工觀測并記錄數據。人工測量完成后，使用便攜式采集裝置測量，計算各測點測量成果。人工比測結果見表2。

表2 人工比測統計表Table 2 Manual comparison table

從比測結果看：使用便攜式采集裝置采集的多點位移計、測縫計等變形儀器數據計算成果與GK405讀數儀、NCT102數字電橋采集數據成果差值較小，測壓管滲壓計比測差值10cm，應力應變類數據差值小于測值的1%，雙金屬標測值電壓比小于0.0001，滿足水利水電工程監測及規范要求，便攜式采集裝置采集的各類數據可靠性好[4]。

5.2 采集數據復測誤差

使用便攜式采集裝置在短時間內采集各類型測點儀器5個數據，分別計算成監測數據分析所需結果值并進行分析[5]。復測誤差結果見表3。

表3 便攜式采集裝置復測誤差統計表Table 3 Portable acquisition device retest error statistics

續表

從表3可看出：除了鋼板計測值略有不穩外（受水道運行工況影響），其他使用便攜式采集裝置采集的數據計算成果復測誤差很小，變形類儀器復測誤差小于0.01mm，滿足水利水電工程監測要求[6]。

6 便攜式采集裝置使用條件

6.1 人工比測

該裝置是在南京水文所的自動化采集系統人工比測接口基礎上開發的。應用于其他廠家自動化采集系統時，需在傳感器接入自動化系統采集模塊前，增加集中式專用傳感器接口（見圖4），測點接入順序與自動化采集主板通道順序相同，便攜式采集裝置通過數據排線直接插在專用傳感器插板接口上，即可實現測量功能。

圖4 集中式專用傳感器插板圖Figure 4 Centralized special sensor board

6.2 人工觀測項目

便攜式采集裝置用于人工觀測項目時，將人工觀測集線箱內人工選擇測點裝置改為集中式專用傳感器插板接口，測點較多時，將測點分組，按每16個測點接入一塊專用傳感器插板，測點接入順序與便攜式采集裝置數據庫內測點分配的順序相同。便攜式采集裝置通過數據排線直接插在專用傳感器插板接口上，即可實現測量功能。

7 總結

便攜式采集裝置將頻率讀數議、數字電橋、電位器采集裝置功能集于一身，適用于人工觀測和各種監測自動化系統的人工比測工作，主要功能是在現場通過選擇MCU編號批量自動采集數據并存儲，現場工作完成后在辦公室將采集數據自動導入監測數據庫中，完全可以替代頻率讀數儀、水工數字電橋電位器采集裝置，徹底解決人工觀測、比測時經常出現的觀測數據串點、漏測及數據入庫煩瑣等問題，當觀測點較多時，可以大幅降低觀測人員工作量和勞動強度。