天荒坪抽水蓄能電站水工監測系統改造

焦修明

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江安吉313302）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮，電站樞紐主要建筑物由上水庫、輸水系統、地下廠房、下水庫、開關站及主控室等部分組成。引水隧洞采用一洞三機布置型式，尾水隧洞采用一洞一機布置型式，兩條引水斜井中心間距為59.54 m。上下庫庫底高差590 m，平均水頭570 m，最大發電毛水頭610.20 m，電站上下庫均為日調節水庫。地下廠房內裝有6臺單機為300 MW的機組。

1999年6月，電站投產初期，水工監測開始接入自動化系統，系統采用美國原裝進口的Geoma?tion 2380，由一個監測管理中心站和33個現場測控單元組成，各測控單元之間、測控單元與監測管理中心站之間均采用光纖實現網絡通信。接入數據自動采集系統的傳感器有：多點變位計、滲壓計、應變計、鋼筋計、測縫計、水位計、雨量計等共計850只。

Geomation系統由33個Geomation2380現場測控單元和位于中控樓內的主監控站組成，測控單元的位置以及網絡連接見圖1。

1 Geomation系統運行情況及改造原因

Geomation2380系統經過十年運行，總體上穩定、可靠，滿足大壩安全監測的需要。但隨著工作年限的增長，不少設備模塊出現老化現象，系統的可靠性下降，而且該型號產品Geomation 2380已停產，備品備件基本用完，一旦監測模塊出現問題，系統恢復的難度較大，難以保證水工建筑物的安全監測；同時，不少監測儀器老化、損壞，部分儀器電纜斷裂、進水等，導致這些儀器無法正常測量，測值不正確或無法測讀，監測資料可靠性下降，影響到水工建筑物安全監測的完整性和連續性。因此，將監測系統進行大修改造是非常必要的。如果仍采用Geomation系統，需將原系統升級換代，全部重新購置美國生產的升級版模塊，費用高，且由于廠家不在國內，售后服務得不到保障。

圖1 Geomation2380測控單元網絡連接圖Fig.1 Network connection of Geomation2380 measure-control units

從近幾年國內水電站大壩監測自動化系統的發展和運行情況看，國產自動化系統的性能已有很大提高，系統運行穩定，技術成熟，可靠性較好，能滿足工程安全監測的需要，且經濟合理。為保障安全監測系統的可靠性，提高監測資料的準確性及自動化系統的穩定性，對重要部位的監測儀器進行及時的修復及更換，采用國產自動化系統替代現有自動化系統是可行的。

2 改造前的準備工作

2.1 系統調研

由于抽水蓄能電站運行方式與常規電站有著明顯的不同，其水工建筑物不僅型式多、分布廣，而且高壓輸水系統長期承受高水頭，上下水庫水位變化頻繁，變幅大，所以電站的水工建筑物的安全監測非常重要。因此，在水工自動化改造過程中保證數據的連續性和穩定性就更加重要：許多重要監測數據的采集頻率為2次/h，這就要求現場更換采集模塊速度要快，并保證通訊暢通；同時還要兼顧信息管理軟件與數據采集系統的配套，以方便快捷地調用新系統采集的數據庫，并可以將原數據庫的數據與新采集的數據庫對接。

為達到上述要求，對改造方案采取了非常慎重、全面的評估。系統改造的前一年內，對國內幾個水工監測系統廠家進行了深入的調研。

目前，國內外各儀器廠家生產的監測數據自動采集系統大都采用分布式系統。分布式系統可以將不同類型的傳感器就近接入現場的各個測控單元，經測控單元進行數據轉換，通過通信光纜與監測管理中心站的采集計算機連接，將信息傳送到監測管理中心站。這種監測數據的采集和傳輸具有很高的系統抗干擾能力，極大地提高了系統運行的可靠性。工程中應用較多、具有代表性的國產系統有：南京南瑞集團公司DAMS-Ⅳ型智能分布式數據采集系統、南京水利水文自動化研究所DG型分布式數據采集系統、基康儀器（北京）有限公司的BGK-MICRO分布式數據自動采集系統和北京木聯能工程科技有限公司的LN1018Ⅱ型分布式數據采集系統等。

上述各系統都已在許多工程中成功應用，各有特色，使用效果較好。從應用情況看，目前國產分布式監測數據自動采集系統的功能基本達到國外先進水平，其價格比國外系統便宜，使用、維修、售后服務更為方便。

經過深入廣泛的調研，提出了自動化系統大修基本原則：

（1）先進性：監測自動化系統應采用先進的自動采集系統、高性能計算機網絡和監測信息管理分析軟件，實現監測數據的采集、處理和分析，及時了解水工建筑物的工作狀態。

（2）可靠性：自動化系統各項性能應滿足規范要求，具有較好的防雷性能，并能長期穩定運行。具備人工監測手段，以便定期校測。

（3）易維護性：除系統具有較好性能、減少故障外，應具有自診斷等功能，維護工作簡單容易。

（4）可擴展性：系統應具有較強的可擴展性，提供良好的接口，能夠方便地添加功能模塊。

（5）經濟性：在滿足需求的前提下，應選擇價格合適、維修方便、售后服務較好的產品。

同時對系統的性能指標如實時性、準確性、靈活性、安全性、實用性等也提出了具體的要求。

根據以上原則進行公開招標，數據采集系統最終選定南京水利水文自動化研究所生產的DG-2005型分布式大壩安全監測數據采集系統；信息管理系統最終選定國家電力監管委員會大壩安全監察中心研發的大壩安全監測信息管理系統。

2.2 儀器鑒定

為進行監測系統改造，還需對系統內的自動化儀器進行全面的測試與鑒定：

（1）考察每支儀器的實測資料過程線，根據各測點的具體情況和監測資料，分析判斷觀測資料的可靠性和長期穩定性。

（2）對差動電阻式傳感器，采用水工電橋和兆歐表進行測試；對弦式傳感器，采用頻率計進行測試，分析判斷接入自動化系統的傳感器和采集模塊的工作狀態，同時結合過程線評價情況對每一支儀器進行分類，提出報廢、封存停測及繼續觀測的儀器，為水工建筑物監測自動化系統大修提供依據。

（3）對廊道測壓管、山體地下水位孔、流量等進行人工與自動化對比測試，考核傳感器的準確性。

綜合現場檢測成果及歷史觀測資料，鑒定的498支儀器中，297支儀器達到A類儀器標準，占總數的60%；126支儀器達到B類儀器標準，占總數的25%；45支被評定為C類儀器，占9%；30支為D類儀器。

其中有101支儀器（差阻式儀器65支，弦式儀器36支）經現場測試儀器工作正常，但接入自動化系統后，短期穩定性均不能滿足要求，可見這些儀器對應的數據采集系統模塊和通道可靠性或穩定性較差。

3 改造的內容及成果

3.1 改造內容

水工監測系統改造的主要內容是將美國Geo?mation 2380系統更換為國產DG-2005型監測系統，并采用大壩安全監測信息管理系統做好數據庫的對接處理，具體步驟如下：

（1）拆卸原有的GemationMCU觀測箱，并清理箱內設備和電纜。

（2）疏通、整理接入自動化系統的所有監測儀器電纜，并在電纜接入端標注相應的儀器編號。

（3）修剪、搪錫封存停測、報廢的儀器電纜，加電纜套保護，并做好編號標記，以便必要時再啟用。

（4）安裝新測控單元及各項輔助設施，將儀器接入新的自動化監測系統。

（5）安裝大壩安全監測自動化系統軟件，將接入監測自動化系統的所有儀器在系統軟件內進行編號，完成儀器參數公式等相關設置，并完成新老數據庫的對接處理，保證新數據庫可以快捷、完整地提取原Geomation數據庫的數據。

3.2 試運行及考核

系統改造后還需進行一年試運行，在此期間對其穩定性進行考核：

（1）試運行期監測數據的連續性、周期性好，無系統性偏移，能反映工程監測對象的變化規律。

（2）自動采集數據與對應時間的人工監測數據比較，要求變化規律基本一致，變幅相近。

（3）在被監測物理量基本不變的條件下，系統連續15次采集監測數據，計算其測值中誤差，檢驗系統短期測值穩定性。

（4）系統人工比測指標

人工比測一般采用過程線比較或方差分析進行對比。

過程線比較是取某測點相同時間、相同測次的自動化測值和人工測值，分別繪出自動化測值過程線和人工測值過程線，進行規律性和測值變化幅度的比較。

方差分析是取某測點試運行期自動化監測和人工監測相同時間、相同測次的測值分別組成自動化測值序列和人工測值序列，計算其標準差σ自、σ人；再設某一時刻的自動測值為X自i，人工測值為X人i，則兩者差值：

取δ≤2σ，其中均方差

式中，σ自為自動化測量精度，σ人為人工測量精度。

3.3 改造成果

整個監測系統自動化改造歷經了一年，改造前期準備充分，保證了改造過程中水工監測數據的連續性和完整性，共接入有效儀器445支。改造后的新系統較以前的Geomation系統更容易掌握、操作和維護。在試運行的一年當中，各項考核指標滿足穩定運行要求，表明系統改造圓滿完成。圖2為改造好并重新編號的測控單元網絡連接圖。

圖2 DG-2005型監測系統測控單元網絡連接圖Fig.2 Network connection of DG-2005 measure-control units

圖3、圖4分別為改造后的新系統采集生成的上水庫廊道滲水、進出水口揚壓力UP8與水位關系過程線，頻次為2次/h。從圖中可清楚看出兩者的相關性非常好。如果上庫廊道滲水或滲壓出現異常，可通過報警系統及時發現并分析原因，以便及時消缺。

圖3 上水庫廊道滲水與水位關系過程線Fig.3 Relation between gallery seepage and water level of up?per reservoir

圖4 上水庫進出水口揚壓力UP8與水位關系過程線Fig.4 Relation between uplift pressure UP8 at water intake and outlet and upper reservoir water level

4 體會

水工監測系統自動化是發展的趨勢，它可以大大提高工作效率，減少運行維護人員。經過這次系統改造，有以下幾點認識：

（1）水工監測系統改造前期準備工作要充分，對系統運行現狀、新系統的選型、改造期間數據的連續性、完整性，新老數據庫的對接等各個細節都要把握好，才能保證系統改造順利完成。

（2）對監測系統的實施要有一個明確的規劃，對設計來說，要有明確的設計思路，傳感器布置要有針對性；對施工單位來說，要重視電纜的保護和觀測資料的收集和整理工作；運行單位則要盡早介入，從設計、施工開始就有固定的技術人員參與建立監測系統的工作，有利于日后的運行管理和資料分析。

（3）要選擇適合電站運行方式的監測自動化系統和管理軟件。天荒坪電站初期系統選型時，比較了多家系統，選定了美國的Geomation系統，穩定運行了10年；改造后又采用了DG-2005型系統和大壩安全監測信息管理系統，并已穩定運行1年。現在看來，兩者的測控單元、網絡結構、系統穩定性及數據管理等都是令人滿意的。

（4）自動化監測系統的維護工作很重要。水工監測儀器及測控模塊工作環境差，容易損壞，需要隨時對損壞的儀器、測控模塊進行修復，才能確保自動化系統穩定可靠運行。同時還需要定期開展重要監測量的人工與自動化比測工作。

（5）目前國產的水工監測自動化系統日趨完善，可以滿足不同型式的水工監測需求。選型過程中要充分考慮到系統的售后服務和技術支持，這樣才能保證系統的售后技術支持和后期的系統升級改進。

（6）水工建筑物安全監測是水電廠安全穩定運行的一項重要工作，水工要么不出事，要么出大事。因此保證充足的水工監測專業人員非常重要，這樣才能保證水工監測系統正常運行，發現問題于未然，并及時采取修復、防護措施。■