蒲石河抽水蓄能電站安全監測自動化系統設計

李俊富，姜盛吉，于秀蓮，王曉麗，劉 洋，韓洪濤

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概述

蒲石河抽水蓄能電站為一等工程，工程規模為大 （1）型。樞紐主要建筑物的級別均為1級，其中包括上、下水庫的大壩、下水庫泄洪排沙閘、廠房輸水系統，次要建筑物為3級建筑物。

上庫壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩長714.0 m，最大壩高78.5 m，總庫容為1 238萬m3。下庫為混凝土重力壩，壩長336.0 m，最大壩高34.1 m。地下廠房主廠房開挖尺寸為165.8 m×22.7 m×55.60 m （長×寬×高）， 主變洞為 132.6 m×22.4 m×24.4 m （長×寬×高）。

2 安全監測項目設置

根據工程的特點、建筑物的結構，安全監測的項目主要包括3大部分。

（1）上庫安全監測。上庫安全監測包括①面板堆石壩表面變形監測，監測內容為壩頂及下游壩坡的水平位移與垂直位移監測；②堆石壩內部變形監測，監測內容為施工期和運行期堆石體內部的水平和垂直位移監測； ③混凝土面板變形監測，監測內容為面板撓度、面板與墊層間脫空、面板接縫 （周邊縫、板間垂直縫）開合度及剪切變形監測； ④混凝土面板應力監測，監測內容包括混凝土應力、鋼筋應力；⑤滲流監測，監測內容包括壩體和壩基滲透壓力、滲流量、繞壩滲流；⑥上庫庫周地下水位監測。

（2）下庫安全監測。下庫安全監測包括：①混凝土壩壩頂外部變形監測，包括壩頂水平位移與垂直位移監測；②滲流監測，包括壩基揚壓力、滲流量、繞壩滲流；③預應力閘墩錨索監測。

（3）地下廠房及輸水系統安全監測。地下廠房及輸水系統安全監測包括：①結構應力應變監測；②結合縫開度監測；③巖體變形監測；④巖體滲透壓力監測；⑤滲漏量監測；⑥巖體錨固效果監測。

3 設計目標

根據 《大壩安全監測自動化技術規范》、 《大壩安全監測自動化系統實用化驗收細則》等文件并結合國內、國際工程安全監測自動化發展現狀，對蒲石河抽水蓄能電站工程安全監測提出的目標要求如下：

（1）實現成熟可靠的自動化觀測系統。

（2）開發完善的自動化數據采集系統。

（3）開發完善的遠程測控系統，通過在現場辦公區設立遠程監測管理中心站及在長春設立遠程維護中心站，實現樞紐工程安全監測系統的遠程監測、遠程管理及遠程維護功能。

（4）建立完善的數據管理體系。

（5）完成樞紐結構性態及安全監控指標的研究、確立及在線分析檢驗，實現資料分析的自動化。

（6）與電廠MIS系統聯網并實現觀測數據整編結果的Web發布。

4 自動化系統網絡設計

蒲石河抽水蓄能電站目前埋設的所有電測式一次傳感器均可通過加裝相應的DAU以實現自動化觀測。設計中的部分安全監測項目其本身就已實現了自動化觀測 （如：下庫壩的真空激光準直變形系統），因此設計必需結合現有的自動化監測項目，統一實施，做到經濟實用、技術可靠。

4.1 自動化采集網絡設計

4.1.1 監測站布置

上庫壩共建設6座監測站，其中1座位于壩體右岸 （編號為GCZS1），5座位于壩體下游側馬道上（按其高程及由右至左順序分別編號為GCZS2～GCZS6）。

下庫壩共建設2座監測站，也是真空激光準直系統的發射端控制室與接收端控制室。按其由右至左順序分別編號為GCZX1～GCZX2。

下庫壩外部變形觀測項目采用真空激光準直變形系統觀測壩頂的外部水平位移與垂直位移，共有測點25個 （21個真空激光測點，2個倒垂線測點，2個雙金屬標測點）。由于真空激光準直系統是一套比較完善及成熟的變形觀測系統，該系統安裝完成后即具備自動化觀測功能。

地下廠房及輸水系統共建設1座監測站，編號為GCZD1。

4.1.2 監測站儀器引入統計

上庫壩、下庫壩及地下廠房的可自動化觀測項目及測點數量見表1，根據各儀器引入相應監測站內的數量及類型確定實施自動化所需的DAU類型及數量。

表1 GCZS1監測站儀器設置

上述儀器均為振弦式傳感器，根據表1中數據，確定采用MCD-432型DAU實現自動化數據采集。

4.1.3 上庫壩自動化采集網絡構建

上庫壩的6個監測站均安裝1臺RS485光電轉換器，并于GCZS1監測站架設RS485光纖集線器，其余監測站通過光纜集中到GCZS1監測站，完成上庫壩自動化采集網絡的通訊線路構建。

上庫壩為面板堆石壩，自動化系統的防雷問題非常嚴重，通過加裝通訊防雷器及電源防雷器及良好的防雷接地系統可有效的降低系統的雷電破壞機率。設計在每一個監測站均建設可靠的防雷接地（接地電阻小于10 Ω），并安裝通訊防雷器1套、B級電源防雷器1套。

上庫壩自動化采集網絡拓撲結構見圖1。

圖1 上庫壩自動化采集網絡結構拓撲圖

4.1.4 下庫壩自動化采集網絡構建

下庫壩2個監測站均安裝1臺RS485光電轉換器，通過光纜集中到設置于辦公區的監測管理站，完成上庫壩自動化采集網絡的通訊線路構建。

下庫壩設備均安裝在壩面監測站內，自動化系統的防雷問題也很嚴重，通過加裝通訊防雷器及電源防雷器及良好的防雷接地系統可有效的降低系統的雷電破壞機率。設計在每一個監測站均建設可靠的防雷接地 （接地電阻小于10 Ω），并安裝通訊防雷器1套、B級電源防雷器1套。

下庫壩的真空激光準直系統采用工控機實現自動化數據采集，為防止系統因斷電原因無法進行正常觀測，設計在GCZX2監測站內安裝大容量UPS（6 K+12 V×20電池組）為站內計算機、真空激光測點及其它DAU設備供電。

4.1.5 地下廠房自動化采集網絡構建

地下廠房1個監測站安裝1臺RS485光電轉換器，通過光纜集中到設置于辦公區的監測管理站，完成地下廠房自動化采集網絡的通訊線路構建。

由于地下廠房位于山體內，其自動化系統的防雷問題較輕，只需通過加裝通訊防雷器及電源防雷器即可有效的降低系統的雷電破壞機率。設計在監測站安裝通訊防雷器1套、B級電源防雷器1套。

4.2 自動化監測項目集成與統一

蒲石河抽水蓄能電站自動化監測系統采用分布式體系結構，一次傳感器就近接入DAU，以縮短數字量與模擬量的轉輸距離，同時減少儀器電纜使用量。采用分布式體系結構能夠保障整個系統的穩定性與可靠性，即使一個測控單元出現問題也不會影響整個系統的運行。

4.2.1 自動化監測系統集成

辦公區設立現場監測管理站，安裝RS485光纖集線器，通過光纜將上庫壩自動化采集網絡、下庫壩自動化采集網絡及地下廠房自動化采集網絡集中至現場監測管理站。由安裝在現場監測管理站的數據采集工作站完成現場實時自動化數據采集工作及遠程控制數據采集工作。

4.2.2 自動化監測系統通訊控制

測控單元與采集工作站之間采用RS485通訊總線進行通訊連接， RS485通訊采用數字量傳輸方式，用電纜連接傳輸距離可超過1 km，通過埋設光纜，傳輸距離可超過20 km，同時也防止通訊總線過長及鋪設范圍過廣產生的防雷問題。

考慮系統通訊數據流量較小，為保證系統通訊的可靠性，基于RS485通訊方式的通訊波特率暫定為2 400 b/s。

4.3 自動化系統管理網絡的構建

蒲石河抽水蓄能電站工程安全監測管理網絡基于Client/Server（客戶端/服務器）工作方式搭建，樞紐現場設立現場監測管理站。現場監測管理站擬放置現場數據采集工作站1臺、數據分析管理工作站2臺及服務器2臺，完成現場數據采集及樞紐的安全監測數據存儲、管理及分析功能，網絡結構拓撲示意見圖2所示。

圖2 監測管理網絡結構拓撲圖

5 自動化軟件系統設計

5.1 系統開發工作原則

系統開發工作原則為：面向安全監測工程實際的原則；確保系統的先進性；系統的通用性要求；遵循軟件工程開發的原則。

5.2 系統組成及功能

系統主要由4個子系統組成。

（1）數據庫子系統。數據庫子系統是整個軟件系統的核心，為其他子系統提供底層數據服務支持，主要由原始數據庫、整編數據庫、分析數據庫、系統配置庫、模型庫、方法庫、工程資料庫等組成。

（2）數據采集子系統。數據采集子系統包括人工觀測數據輸入模塊、自動化數據采集模塊、遠程控制數據采集模塊。

（3）數據管理子系統。數據管理子系統主要包括綜合信息管理程序，能夠靈活查詢數據查詢，進行數據處理，管理工程信息，分析觀測數據圖表、模型，輸出成果的標準圖形及報表。

（4）Web發布子系統。WEB子系統主要指觀測數據Web瀏覽與查詢系統，主要功能為：工程安全監測介紹；工程基本信息的存儲與網頁發布；工程相關資料的存儲與網頁發布；工程安全監測成果數據的網頁式瀏覽、查詢及圖表統計；工程安全監測成果資料的存儲與發布。

各子系統之間的關系見圖3所示。

6 結語

蒲石河抽水蓄能電站由上庫壩、下庫壩、地下廠房及輸水系統組成，具有工程規模大，地理跨度大，工程安全監測設置項目齊全，測點較多等特點。其自動化安全監測設計與實施難度均較大，因此其安全監測自動化的總體設計對于工程的順利實施非常重要。

圖3 安全監測自動化軟件系統組成框圖

蒲石河抽水蓄能電站安全監測自動化系統功能齊全、穩定可靠、使用方便，不但可以滿足蒲石河抽水蓄能電站的工程安全監測的需要，同時也可以提高蒲石河抽水蓄能電站工程安全監測人員的業務水平，促進蒲石河抽水蓄能電站以至全國工程安全監測技術水平的發展。