漫灣水電站大壩安全監測自動化系統更新改造

寧德興，褚彩菊，郭 俊，簡樹明

（華能瀾滄江水電有限公司漫灣水電廠，云南云縣 675805）

1 概述

漫灣水電站位于云南省云縣漫灣鎮，是云南省第一座百萬千瓦級大型水電站。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程1 002 m，最大壩高132 m，總裝機容量為1 670 MW，屬大（1）型一等工程。漫灣水電站工程規模大，地質條件復雜，監測測點多，監測項目齊全。漫灣自動化監測系統主要由一期和二期工程自動化監測系統組成。一期工程包括變形、滲壓及內部觀測三部分，采用DAMS～IV型分布式大壩監測系統。二期工程由13套MCU-2型測控裝置、22個智能數據采集模塊和265支內觀儀器組成。2007年5月，漫灣二期監測自動化系統在一期自動化系統基礎上進行適當改造，將二期監測自動化系統的數據自動采集和資料管理等接入一期自動化系統內。經過長期運行，這套系統逐漸不能滿足安全運行的要求。

2 監測自動化系統運行現狀

為保證系統采集數據缺失率、系統平均無故障工作時間、測控裝置和控制系統故障率達到規范要求，以及為進一步完善漫灣大壩安全監測自動化系統各項功能，需分析漫灣大壩監測自動化系統各監測項目存在的問題和運行狀態。

2.1 正倒垂觀測

按照大壩安全監測規范規定，垂線鋼絲長度不能超過50 m。布置于河床壩段的1號垂線總長為122 m，因線體過長，垂線孔受竄風影響較大，線體晃動影響了觀測精度，2008年1號垂線曾斷過一次，且垂線實際掛重不滿足規范要求，因此，需對1號垂線進行分段改造，提高掛重，并做防風處理。

2.2 引張線觀測

引張線油箱防凍液使用多年，因昆蟲雜物污染，液體已十分混濁，造成浮船在液面活動靈敏度不高，影響了引張線的觀測精度，需要更換每個測點箱內的浮體裝置和變壓器油。引張線從2005年大壩定檢標定后運行至今，需要做線體試驗重新標定，檢測儀器性能及可靠性，并對引張線儀進行精度校正，校核其靈敏度系數，此外，961廊道內部分測點中間極極板偏移中間位置，需對EP2-9～EP2-19等測點極板進行調整。

2.3 靜力水準

漫灣電站在908 m高程、873 m高程的橫向廊道內設置了3條液體靜力水準，采用90年代生產的半自動化觀測靜力水準裝置。雖然在一期自動化改造中已接入自動化系統，但因為設備不穩定，故障頻發，不能保證觀測數據的連續性和良好的觀測精度，有必要對三條液體靜力水準管路共19個測點進行改造。

2.4 數據采集單元

由于原設備數據采集單元DAU1300已經運行11年，老的NDA1104系列模塊存在斷電后地址丟失的問題，以及NDA電源模塊損壞問題，維護工作量較大，增加了人力物力成本。為了減少維護量，保證自動化系統正常運行，需要對設備進行升級改造。

2.5 內部監測系統

一期原有的內部觀測數據采集模塊為南京水科院生產的13套MCU-2型測控裝置，其余內部監測的數據采集模塊和監測系統均為南瑞集團生產。為確保系統的一致性和可靠性，有必要將原22個智能數據采集模塊更換為南瑞的設備，同時接入265支測量正常的內觀儀器。

2.6 軟件系統功能

原系統測量、計算、成果輸出的響應時間較長，不能及時反映觀測數據的變化情況，系統中各測點屬性部分對儀器埋設部位、高程、測值信息、計算公式、報警上下限等內容的定義不夠完整。

3 自動化系統改造項目

3.1 1號垂線改造

3.1.1 1號垂線分段

將1號垂線在961高程廊道和930高程廊道分段，每段長度不大于50 m，增加2套正垂裝置，傳感器安裝位置不變。正垂線系統分段后增加的設備主要有：961、908廊道分段處分別增加阻尼桶及重錘設備各1套，懸掛端各1套；支架各1套。垂線坐標儀仍用原設備，不進行更換。

3.1.2 絕緣檢查及處理

檢查時，先將傳感器線從測量模塊上斷開，用100 V兆歐表測量每根儀器線對地絕緣并做詳細記錄。儀器對地絕緣電阻要求在50 MΩ以上，不能滿足以上條件的傳感器為絕緣不良，需要做以下處理：先檢查傳感器電纜有無破損，然后以不改變儀器原始安裝位置為前提，打開儀器保護罩查看傳感器極板絕緣保護層是否有破損，如有破損則需做電纜或極板絕緣處理，處理方法是將電纜與極板焊接頭上的絕緣保護層去除，用電吹風將極板上的水氣吹干，然后重新涂上102膠，要求至少3遍。

3.1.3 系數率定

將垂線儀率定架和百分表固定在垂線儀外殼上，調整率定架位置使儀器被率定方向輸出電容比在0左右，用率定器推動鋼絲移動12.5 mm，讀取儀器輸出電容比（R1）并記錄，然后用率定器推動鋼絲反方向移動25 mm，讀取儀器輸出電容比（R2）并記錄。靈敏度系數計算如下：

靈敏度系數G=25/|R1-R2|

比較率定出來的系數和原系統的系數，對偏差超過2%的儀器進行系數調整。根據以往的經驗，儀器系數的偏差主要來源于電纜及儀器的絕緣下降。

3.2 引張線改造

本次改造需更換每個測點箱內的浮體裝置和變壓器油，更換前先把浮托裝置進行拆除、清洗，清洗干凈后完成重新安裝及更換變壓器油等工作。經過對每個測點進行檢查，鋼絲完全托起并自由后線體恢復正常，其后做線體實驗。線體實驗是在鋼絲自由狀態時先對一條引張線上所有測點進行測量，測量后保存數據，然后選取靠近線體長度中間位置附近的測點進行人工移動鋼絲，通過專用的標定裝置加標準墊塊對鋼絲進行位移，待鋼絲穩定后進行測量并保存數據，再往相反的方向進行同樣的鋼絲位移工作，測量并保存數據。以上工作結束后進行繪圖處理，按照本段引張線上所有測點的位移與距離比進行繪圖，如果繪圖成對稱的三角形說明引張線線體自由、引張線測點靈敏度系數正常、接線正常。

3.3 靜力水準自動化改造

3.3.1 儀器檢查及系數率定

通過抬升試驗來檢查每條靜力水準儀管線儀器及連通管路工作是否正常。試驗時先讀取所有儀器初始電容比（R1）和換算位移值（L1），然后任選一靜力水準儀墊10 mm的墊塊，待液面平穩后再次測量電容比（R2）和換算位移值（L2），則被墊儀器理論位移（設被測管線有n+1個靜力水準儀）：

其余儀器理論位移差：

如果測量值和理論值的差異超過儀器指標則需對儀器進行率定。率定方法是將傳感器從缽體上卸掉，用10 mm墊圈墊到儀器底部，測出儀器的電容比變化量。靈敏度系數計算公式如下：

將率定出來的系數和原系統的系數進行比較，對偏差超過2%的儀器進行系數調整。

3.3.2 橫向廊道靜力水準儀自動化改造

靜力水準改造主要是對三條液體靜力水準管路共19個測點進行改造，儀器更換為南瑞電容式靜力水準儀，880橫向廊道增加了1個測點。908、880廊道順河道方向改造的3條靜力水準系統管路距離較短，不再另外分段。

改造方案選用RJ型智能感應式靜力水準儀，它具有結構簡單、無二次元器件、測量速度快、抗干擾能力強、分辨率高（可達2～10 μm）、適應潮濕環境、長期工作可靠等特點。RJ型感應式靜力水準儀的原理、性能特點如下。

（1）RJ型感應式靜力水準儀結構和工作原理RJ-S智能型感應式靜力水準儀與連通管配合使用，用于測量各測點沉降。結構如圖1。

RJ-S智能型感應式靜力水準儀傳感器為變面積型，其原理為電極1、電極2與中間極構成兩個電容C1與C2，電容量為：

式中RA為中心極外徑，RB為電極1、2內徑，e0為真空介電常數，er為介質相對介電常數，L為圓柱長度。

當儀器位置發生垂直位移時，浮子相對液面位移從而帶動屏蔽管位移，采用屏蔽管接地方式改變電容C2感應長度L2的變化而使電容C2發生變化。C1為固定電容，測量電路采用比率測量方式測出測點位置沿沉降向的位移量。

（2）RJ型感應式靜力水準儀性能特點

由電容感應式靜力水準儀的原理可知，在傳感器結構一定的情況下RA、RB為常數；比率測量方式當傳感器處于同一環境時即可消除介質（r0）變化對測量的影響。由上述公式可知C2/C1與感應長度L2是線性關系，所以這種儀器測量精度高，可達萬分之幾，相同量程情況下測量精度高于現有其它類型的液位測試傳感器。RJ型智能感應式靜力水準儀屏蔽管上下相對移動過程中無同心要求，故無需導向裝置，實現了傳感器非接觸測量，從而有效解決了浮子帶動的大量程位移測量傳感器摩擦力這一難題，提高了傳感器的測量精度和可靠性。傳感器無傳動部件，采用全密封結構，結構簡單，能在濕度100%環境中長期可靠工作。此外，采用SG溶液作為靜力水準儀內傳壓液體，防腐性能好，液體在-30℃不結凍。

RJ-靜力水準儀主要技術指標如下：

測量范圍：0～20 mm；精度：0.5%F.S；工作環境：溫度-20°C～70°C；濕度：≤100%；輸出信號端口為RS485。儀器防潮、可靠性高，方便接入自動監測系統。

（3）RJ型感應式靜力水準儀安裝及自動化接入

將新靜力水準儀安裝在原觀測墩上，利用原有的橋架布置管路和電纜。新增DAU2000數據采集箱和NDA1705數據采集模塊，接入靜力水準儀電纜實現自動化監測，并入原自動化系統。

圖1 RJ型靜力水準儀結構圖Fig.1 Structure of the RJ type hydrostatic level

3.3.3 961、908廊道沉降測量自動化改造

沉降觀測采用靜力水準系統，漫灣大壩961廊道新增靜力水準系統分為3段，共23個測點。908廊道分為2段，共15個測點。

3.4 主廠房房頂測縫計改造

廠房房頂三向測縫計已被損壞，且廠家儀器已經停產。本次改造選用振弦式表面單向測縫計，測量房頂裂縫開合度，現場共安裝共9支測縫計。圖2為測縫計的安裝示意圖，具體施工如下：確定儀器安裝具體位置，其次進行儀器安裝面摩平處理，安裝面摩平后進行鉆孔定位，儀器安裝時需要根據儀器量程及現場裂縫變化情況進行預拉處理，本次安裝時預拉3 mm左右，安裝后進行儀器編號登記，最后進行電纜焊接和固定。

圖2 NVJ-50表面式測縫計安裝示意圖Fig.2 Installation of the NVJ-50 type joint meter for surface cracks

3.5 滲漏監測改造

量水堰安裝相對比較簡單，本次改造采取堰溝安裝方式，現場共安裝5臺量水堰儀。二期廠房安裝2套NVWG-150量水堰及2套堰板，8號機組廠房安裝2套NVWG-150量水堰儀、水墊塘廊道內安裝1套NVWG-150量水堰及堰板1個、NRL-12容積式量水堰1套、壓阻式水位計NYZ-1000（10 m）1套。二期廠房及8號機組廠房儀器電纜分別就近引入老系統采集模塊NDA1403。水墊塘廊道位置新安裝1臺DAU2000。儀器安裝前先根據現場情況選擇合適的安裝地點，一般取堰板上游1～1.5 m位置，安裝前首先對儀器進行組裝，傳感器與懸掛浮子裝置連接，等浮子穩定后用南瑞NDA1411振弦式讀數指示儀進行讀數，參照傳感器出廠率定系數表，儀器正常即可開始安裝。首先安裝儀器保護管，安裝時注意用水平尺同步調整，保護管安裝完畢后進行儀器安裝，安裝前后用儀表測讀檢驗浮子安裝的深度，并做調整，儀器安裝、調試完畢后進行焊接電纜，將傳感器電纜與布設好的電纜進行連接，電纜連接完畢后將多余電纜整理捆扎固定，詳見圖3。

圖3 NVWG-150量水堰儀安裝示意圖Fig.3 Installation of the NVWG-150 type measuring weir

3.6 二期尾水閘門室通訊改造

二期尾水閘門原來通訊方式為GSM modem配手機卡通訊方式，由于此種通訊方式受移動運營商影響較大，本次改為無線電波通訊，在原系統DAU2000采集單元處安裝1個接收端NDA3320模塊，在尾水閘門處采集系統內安裝1個NDA3320發送端進行發送數據，2套NDA3320無線通訊模塊進行連通。

3.7 數據采集單元改造

數據采集單元改造的內容為：將采集單元內的NDA1104采集模塊更換為現在南瑞公司技術升級后的NDA1104模塊；將采集單元內的電源模塊更換為NDA5101電源模塊，需要更換的NDA1104系列模塊為18個，NDA5101電源28個。

3.8 軟件系統維護、升級

考慮到系統已運行多年，系統存在部分無效數據，尤其是內觀儀器的無效數據較多，需要進行校核整理，同時根據內觀儀器的鑒定結果對鑒定出已經失效的儀器進行停測處理。另外，考慮到前方監控中心停電，影響后方系統的正常運行，系統增加了一個數據同步程序，并將南瑞集團公司生產的大壩監測軟件升級為DSIMS4.0最新版本。

4 系統配置、原理及功能

4.1 自動化系統配置

DAMS-IV型智能模塊化結構分布式監測自動化系統主要配置包括：傳感器、數據采集單元（DAU）、計算機工作組、信息管理軟件及通訊網絡五大部分。系統中，傳感器安裝在監測部位，DAU對傳感器進行數據采集，數據采集單元DAU接收采集計算機的指令，定時或隨機將傳感器轉換成的頻率、電流、電阻比、電阻值等電量自動采集并存儲。采集計算機依據傳感器的性能參數將測得的電量計算為相應的位移、滲漏量、水位高程及應力、應變、溫度等，并加以存儲和判斷。

4.1.1 傳感器

新安裝的儀器有86臺，具體是：靜力水準儀76套，振弦式量水堰儀5臺，容積式流量計1臺、水位計1支、滲壓計2支、振弦式測縫計9支。

4.1.2 數據采集單元（DAU）

漫灣大壩安全監測自動化系統共安裝50臺DAU2000數據采集單元，107個采集模塊，分別是：82個振弦式采集模塊NDA1403，2個差阻式采集模塊NDA1104，5個標準量采集模塊NDA1514，接入自動化測點1 130個。

4.1.3 監測中心站

漫灣大壩安全監測自動化系統配置有南瑞DSIMS大壩安全信息管理網絡系統軟件V4.0版1套及其他應用軟件安裝在大壩安全監測自動化系統監測中心站。現場設備還有：HP服務器、光端機、通訊模塊NDA3100等。

監控主機對整個數據采集系統進行管理，DAU與DAU之間采用RS-485現場總線通訊相連接。每個DAU由若干個不同類型的智能采集模塊（NDA）、通信總線和電源部件組成，并配有防雷、防潮及充蓄電池供電等部件，各個子系統之間采用光纜通訊。

4.2 自動化系統功能

數據采集單元（NDA）具有時鐘、存儲、掉電保護、故障自診斷等功能，整個系統具有在線監測、數據庫管理、系統管理、離線分析、報表圖形制作、大壩安全測點管理等功能。

5 系統運行情況

為了檢測整個數據采集系統安裝完成后的工作狀態，現場對各DAU內的所有NDA數據采集模塊的各項工作狀態進行了測試，并做了相應的提升實驗和線體實驗，對每個測點都經過了許多次測量，結果表明各DAU和NDA模塊工作正常。另外，現場還對各模塊的各項功能進行了逐一測試，測試結果正常。上述各項檢查和測試表明整個數據采集系統運行正常，各項性能和功能滿足技術要求。

6 結語

經過全面改造后，漫灣大壩安全監測自動化系統各項功能得到提升，系統運行狀態良好，為實時監控漫灣大壩的運行情況提供了保障，監測數據真實反映了大壩各部位的運行狀態。其次，改造后的系統與原系統保持了數據的連續性，系統更加穩定，數據測取更加可靠。整個漫灣大壩監測自動化系統改造本著技術先進、超前規劃的原則，系統改造達到了預期的效果，其觀測項目及自動化系統改造工作所取得的成果具有借鑒意義。

[1]山永彪,李正富.龍羊峽水電站大壩安全監測系統改造方案設計[J].水電自動化與大壩監測,2002,26(4):48-51.

[2]DL/T5211-2005,大壩安全監測自動化技術規范[S].北京:中國電力出版社.2005.

[3]DL/T 5178-2003,混凝土大壩安全監測技術規范[S].北京:中國電力出版社.2003.