官地水電站安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)劃

董瑜斐,王界雄,王 曉

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.四川省清源工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 安全監(jiān)測自動(dòng)化的必要性

安全監(jiān)測工程自動(dòng)化是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的全新的監(jiān)測技術(shù)，它隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊和微電子技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以盡量避免數(shù)據(jù)的人為干預(yù)、大量減輕人工工作量、實(shí)時(shí)高效地采集數(shù)據(jù)、及時(shí)生成管理和工作報(bào)表。

官地水電站樞紐位于四川省涼山彝族自治州的雅礱江打羅灣河段上，其樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩(碾壓混凝土重力壩)、壩身泄洪底流消能建筑物(中孔壩段和溢流壩段、消力池)、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房發(fā)電系統(tǒng)組成。碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 334m，最大壩高168m，壩頂長度516m，共分24個(gè)壩段。官地水電站共裝4臺單機(jī)容量600MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2 400MW。

由于工程規(guī)模大、建筑物分散，故電站樞紐需要監(jiān)測的范圍廣、測點(diǎn)多，若僅采用人工數(shù)據(jù)采集及其管理則觀測精度和頻次受限，將難以保證數(shù)據(jù)的可靠、實(shí)時(shí)和一致性，使后期運(yùn)行管理工作難以適應(yīng)電廠“無人值班、少人值守”現(xiàn)代企業(yè)管理的需要，同時(shí)也不能達(dá)到大壩安全管理相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)程規(guī)范的要求。因此，必須建立一套可靠的安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)，以適應(yīng)工程安全監(jiān)測的需要，實(shí)時(shí)對各建筑物的安全狀況作出有效評價(jià)。

2 監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

目前國內(nèi)外安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)。

2.1 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前國內(nèi)外采用的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可分為集中式、分布式、混合式三類。集中式主要適用于中小型工程。分布式采集系統(tǒng)將MCU(測量控制單元)分散布置在靠近儀器的地方，靈活性較強(qiáng)，MCU可完成所轄測點(diǎn)的控制測量、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)暫存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋；旌鲜绞墙橛诩惺胶头植际街g的一種采集方式，它具有分布式布置的外型，而采用幾種方式進(jìn)行采集。

自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是按照相關(guān)設(shè)置，把分布在建筑物的各類監(jiān)測傳感器標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的幾何及物理量信號進(jìn)行準(zhǔn)確的采集、傳輸?shù)街付ǖ拇鎯?chǔ)設(shè)備上并按照一定的格式進(jìn)行儲(chǔ)存。一般情況下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為兩級：其一為采集模塊通過和傳感器類型相匹配的激勵(lì)模式電路和A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，對現(xiàn)場傳感器的模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)；其二為上位機(jī)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對采集模塊進(jìn)行操作、控制，將觀測數(shù)據(jù)以數(shù)值量的方式傳輸?shù)街付ǖ拇鎯?chǔ)設(shè)備上并按照一定的格式進(jìn)行儲(chǔ)存。采集系統(tǒng)中通訊主要功能是根據(jù)相關(guān)協(xié)議建立各設(shè)備之間的物理聯(lián)系進(jìn)行信息傳遞，主要包括數(shù)據(jù)采集裝置和傳感器之間、數(shù)據(jù)采集裝置與監(jiān)測管理站之間、監(jiān)測管理站與監(jiān)測中心站之間、監(jiān)測中心站與流域管理站之間的通訊。

2.2 安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)

安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)主要功能是對所有觀測數(shù)據(jù)以及與安全有關(guān)的文件、施工資料等進(jìn)行科學(xué)有序的管理、整理整編與綜合分析，并最終對分析成果、原始信息等以可視化的方式輸出，為實(shí)時(shí)掌握工程的運(yùn)行狀況提供有效的參考依據(jù)。

3 安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)劃

3.1 接入自動(dòng)化系統(tǒng)的部位和項(xiàng)目

對官地水電站工程安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，首先確定必須接入自動(dòng)化系統(tǒng)的部位及項(xiàng)目。

綜合考慮監(jiān)測部位的關(guān)鍵性、監(jiān)測項(xiàng)目的重要性，并對照儀器考證資料和測值綜合判斷儀器可靠性后確定：大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)為自動(dòng)化系統(tǒng)的重點(diǎn)部位，同時(shí)，左右岸邊坡和壩前左岸覆蓋層邊坡的監(jiān)測儀器也接入官地自動(dòng)化系統(tǒng)。需要人工觀測的其余監(jiān)測項(xiàng)目按照相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行觀測。

各接入自動(dòng)化系統(tǒng)的部位監(jiān)測項(xiàng)目主要包括應(yīng)力應(yīng)變、溫度、變形、滲流滲壓、水位、GPS系統(tǒng)和強(qiáng)震監(jiān)測等。監(jiān)測儀器種類比較齊全，包括應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、鋼板計(jì)、測縫計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、滲壓計(jì)、水位計(jì)、溫度計(jì)、測溫光纖等。擬接入自動(dòng)化系統(tǒng)的傳感器總計(jì)2 346個(gè)，傳感器類型主要有差阻式、振弦式及部分標(biāo)準(zhǔn)量式。

3.2 監(jiān)測自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

官地水電站工程規(guī)模大、建筑物分散、監(jiān)測測點(diǎn)數(shù)量多易受外界干擾，故本工程監(jiān)測自動(dòng)化采集系統(tǒng)采用分布式、多級連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式。

官地水電站監(jiān)測自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按監(jiān)測站、監(jiān)測管理站和監(jiān)測中心站三級設(shè)置，擬實(shí)現(xiàn)流域安全監(jiān)測監(jiān)控中心對現(xiàn)場監(jiān)測中心站相關(guān)遠(yuǎn)程管理工作。

(1)監(jiān)測站。主要作用是數(shù)據(jù)采集裝置對監(jiān)測傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、電源管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳和接收監(jiān)測管理站上位機(jī)的控制指令。各建筑物現(xiàn)場監(jiān)測站的規(guī)劃設(shè)置，主要根據(jù)建筑物布置和施工期監(jiān)測儀器電纜走線情況等因素考慮。根據(jù)樞紐建筑物布置特點(diǎn)及監(jiān)測管理站的環(huán)境要求，監(jiān)測儀器相對集中的部位集中設(shè)置監(jiān)測站的布置原則，并考慮交通、通風(fēng)及無干擾且遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾設(shè)備等因素，規(guī)劃官地水電站大壩及壩基設(shè)置8個(gè)監(jiān)測站、引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)監(jiān)測站、工程邊坡及滑坡設(shè)置4個(gè)監(jiān)測站。根據(jù)接入儀器傳感器類型，各監(jiān)測站配置的數(shù)據(jù)采集模塊有所不同，主要有差阻式采集模塊、振弦式采集模塊及標(biāo)準(zhǔn)量儀器采集模塊三種。

(2)監(jiān)測管理站。主要功能是數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換、按規(guī)定的格式統(tǒng)一存放在原始和整編數(shù)據(jù)庫中，并接收監(jiān)測管理中心站上位機(jī)的相關(guān)指令及對數(shù)據(jù)采集裝置下達(dá)控制指令。根據(jù)建筑物現(xiàn)場監(jiān)測站的規(guī)劃，電站監(jiān)測管理站擬設(shè)置在大壩壩頂、副廠房兩處。監(jiān)測管理站主要配置工控機(jī)、總線中繼器、光端機(jī)、通訊光纜、不間斷電源等。

(3)監(jiān)測中心站。主要功能是通過安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)對監(jiān)測管理站自動(dòng)采集、其它半自動(dòng)、人工測讀的數(shù)據(jù)、工程所有與安全監(jiān)測相關(guān)的文檔資料進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，且通過安全監(jiān)測綜合分析評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測資料的初步分析和發(fā)布工作，并根據(jù)初步分析成果反饋給監(jiān)測管理站的采集計(jì)算機(jī)相關(guān)控制指令，同時(shí)須具有遠(yuǎn)程服務(wù)功能。監(jiān)測管理中心站規(guī)劃在業(yè)主永久營地，監(jiān)測中心站具備有適合工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，具備良好的接地、防雷、抗干擾功能，具備凈化電源和不間斷電源，確保系統(tǒng)穩(wěn)定供電。有較高運(yùn)算速度和較大存儲(chǔ)容量的PC機(jī)和服務(wù)器，并配有必要的外設(shè)。

監(jiān)測站(測量控制單元MCU)與監(jiān)測管理站之間采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。目前MCU主要是單片機(jī)原理，監(jiān)測管理站的主要功能是對MCU下指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，兩者交互性不強(qiáng)，因此，通信模式擬采用國內(nèi)廠家較成熟的RS-485模式；監(jiān)測管理站與管理中心站之間擬采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，通信模式采用Ethernet，以方便后期實(shí)現(xiàn)與電廠MIS系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的接口。官地水電站工程樞紐區(qū)各級測站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊方式示意見圖1。

圖1 官地水電站樞紐區(qū)各級測站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊示意

監(jiān)測管理中心站、監(jiān)測管理站和監(jiān)測站的電源，采用交流電供電。監(jiān)測管理中心站和監(jiān)測管理站配置交流不間斷電源，輸入交流380V回路引自各自的配電設(shè)備，輸出220V對站內(nèi)設(shè)備供電，監(jiān)測管理站還提供對所有監(jiān)測站的交流供電回路。大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)及工程邊坡的監(jiān)測站，擬采用引自監(jiān)測管理站220V交流電集中對設(shè)備進(jìn)行供電。為了保證系統(tǒng)的安全暢通，對監(jiān)測管理中心站、監(jiān)測管理站和監(jiān)測站設(shè)置過電壓保護(hù)和接地措施，在電源防雷、通信防雷方面通過加裝相關(guān)防雷器實(shí)現(xiàn)。

3.3 監(jiān)測信息管理及分析系統(tǒng)

安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)的相關(guān)功能應(yīng)較為成熟、先進(jìn)，滿足不同階段對監(jiān)測成果初步分析的要求。官地水電站安全監(jiān)測信息管理及分析系統(tǒng)主要包括三部分，一是信息管理系統(tǒng)；二是監(jiān)測成果綜合分析評價(jià)系統(tǒng)；三是遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)。

信息管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)錄入和監(jiān)測資料的管理，將工程自建設(shè)以來的不同部位所有自動(dòng)采集、人工觀測資料、規(guī)程規(guī)范、圖紙、技術(shù)報(bào)告、各種報(bào)表及工程檔案等納入本系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

安全監(jiān)測綜合分析評價(jià)系統(tǒng)主要包括信息可視化系統(tǒng)、圖形報(bào)表生成、信息查詢、離線分析及監(jiān)測成果判別功能等，滿足一般數(shù)據(jù)的計(jì)算分析、報(bào)表制作、曲線繪制、查詢和Web發(fā)布、資料分析等。

遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測信息定時(shí)上報(bào)功能。官地水電站安全監(jiān)測信息上報(bào)(同步)流域安全監(jiān)控監(jiān)測中心，流域安全監(jiān)控監(jiān)測中心可通過安全監(jiān)測信息管理及分析系統(tǒng)客戶端、Web等方式對官地水電站安全監(jiān)測實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙測等有關(guān)管理工作。同時(shí)，遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)具備定時(shí)向流域中心自動(dòng)報(bào)送相關(guān)監(jiān)測信息并傳送相關(guān)監(jiān)測信息到電廠MIS系統(tǒng)的功能。其工作主要包括：特定端口的機(jī)器通過C/S模式能遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場采集機(jī)，實(shí)現(xiàn)命令修改、采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋话闶跈?quán)用戶通過B/S模式遠(yuǎn)程瀏覽現(xiàn)場Web服務(wù)器的相關(guān)信息。

4 結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外水電站安全監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展情勢，監(jiān)測自動(dòng)化已成為必然趨勢。本文對官地水電站工程安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)，以期提供實(shí)時(shí)、高效、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對各建筑物的安全狀況作出有效評價(jià)。隨著水電站安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷改進(jìn)及發(fā)展，官地水電站工程安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)、不斷改善，以保障樞紐工程發(fā)揮出更大的效益。