索風營水電站安全監測自動化系統更新改造

姜彥作，鄧榮歡，李運良

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

索風營水電站位于貴州省中部修文、黔西兩縣交界的烏江中游六廣河河段，是烏江梯級開發的第五級水電站，距貴陽市直線距離54 km。工程主要任務是發電，承擔調峰、調頻、事故備用等任務，兼有灌溉、養殖、旅游等效益。電站裝機容量600 MW，保證出力166.9 MW，年平均發電量20.11億kW·h，年利用小時為3352 h。

壩址控制流域面積21862 m2，占全流域面積的24.9%；流域內雨量充沛，多年平均降雨量1102 mm，多年平均徑流量124.6億m3，多年平均流量395 m3/s。索風營水庫總庫容2.012億m3，具有日調節性能，正常蓄水位837 m，死水位822 m，百年一遇設計洪水流量12500 m3/s，千年一遇校核洪水流量16300 m3/s。

2 安全監測系統基本情況

根據規程規范、地形地質情況及本工程結構特點等，為全面掌握樞紐建筑物施工期和運行期的工作形態，在大壩、引水發電系統、邊坡和堆積體、Dr2危巖體等部位布置一系列監測儀器[1-4]，并通過監測自動化系統將監測數據傳輸到右岸中心站，對樞紐建筑物安全性態進行實時監控。

2.1 監測布置簡介

本工程大壩布置的監測項目有三大類：①變形監測，包括水平位移、豎向位移、傾斜、接觸縫和裂縫開合度監測等。②滲流監測，包括壩基、岸坡及壩體的滲漏量觀測、壩體滲透壓力及壩基滲透壓力監測、繞壩滲流監測、揚壓力監測等。③應力應變及溫度監測，包括壩體應力應變、溫度監測。

引水發電系統布置的監測項目主要有兩大類，①圍巖穩定監測，包括圍巖內部變形和錨桿應力監測。②結構監測，包括鋼筋應力、接觸縫開合度監測及外水壓力監測等。

專項監測項目有：①邊坡監測，包括人工開挖邊坡監測和自然邊坡監測；②灌漿帷幕監測，包括運行期滲壓觀測；③水力學監測，包括摻氣濃度、水流壓力監測；④Dr2危巖體監測，包括變形、滲流滲壓、應力、溫度等監測；其中導流洞堵頭溫度、接縫變形、滲壓及混凝土自身體積變形監測儀器全部失效性。

2.2 監測儀器現狀

索風營水電站樞紐工程建筑物安全監測設施齊全，測點分布較廣，監測儀器種類多，監測儀器于2003年3月開始埋設，隨著時間的推移，各部位的監測儀器均有不同程度的損壞和失效。于2019年和2020年7月兩次對整個監測系統進行鑒定和篩選。

經鑒定，大壩、引水隧洞、尾水隧洞、地下廠房洞室、邊坡、危巖體和堆積體等部位共埋設各類觀測儀器1626支儀器，其中已完成監測使命的施工期觀測儀器有308支、永久觀測儀器有1318支。當前合格永久觀測儀器有956支，失效永久觀測儀器有362支(58支需要修復)，久觀測儀器完好率72.53%，修復后永久觀測儀器完好率為76.93%。

2.3 監測自動化現狀

(1)內觀儀器自動化現狀

前自動化系統工程共接入儀器有701支，其中樞紐建筑物接入自動化儀器數量597支，Dr2危巖體接入自動化儀器數量104支。僅占埋設儀器總數量的46.80%。

(2)外觀儀器自動化現狀

目前，外觀主要通過人工進行監測，測量精度不高，監測數據不連續，不能實時掌握建筑物和邊坡外觀變形情況。

(3)監測自動化采集模塊現狀

索風營水電站樞紐工程安全監測自動化系統共使用自動化系統模塊27塊(其中差阻式7塊，弦式20塊)。其中5#BCZ測站模塊因雷擊原因為燒壞，其余測站模塊損壞主要是因為測站環境潮濕造成模塊失效。未失效的21塊模塊，除Dr2危巖體測站的4個模塊性能穩定外，其余模塊穩定性及可靠性較差，運行期間故障率較高，而且由于產品更新換代，目前已無合適備品備件，造成現有自動化系統基本處于停止運行狀態。

(4)監測自動化通訊系統現狀

目前索風營水電站樞紐工程安全監測自動化系統采用光端機和雙模光纜構建通信網絡，存在傳輸距離短，信號不穩定等缺點。另外，Dr2危巖體在實施自動化系統時仍處于加固處理施工期，測站觀測房位置在施工期未能確定，通訊光纜暫時牽引至預估的位置，最終實施測站觀測房位置與預估位置存在偏差，造成光端機安置在測站外面，經常損壞。

(5)監測自動化電源現狀

目前自動化系統的交流電源主要從右岸中控樓和壩頂啟閉機室接入。壩頂啟閉機室的電源主要為2#BCZ和781廊道測站供電，中控室的電源為1#BCZ、3#BCZ、4#BCZ、5#BCZ、1#CCZ、2#CCZ、5#施工支洞測站和Dr2危巖體測站供電。

(6)監測自動化觀測站現狀

1#BCZ測站、3#BCZ測站環境較潮濕；5#施工支洞測站沒有修建測站，模塊直接放在洞內邊墻，環境較潮濕；781測站內較潮濕；1#CCZ測站空間較窄；其余測站運行工況較好。

(7)監測自動化硬件、軟件現狀

現安全監測自動化系統硬件、軟件參數指標低，人機交互界面復雜，服務器和工作計算機使用年限較長，系統運行緩慢，操作系統為windows XP，無法升級，存在安全漏洞，采集主機有藍屏現象。

2.4 改造的必要性

(1)索風營水電站監測自動化系統運行將近8年，目前整體老化，部分測站采集模塊出現損壞現象。由于產品更新換代，廠家無同類型采集模塊的備品備件，導致測點監測數據不連續，致使整個系統平有效數據缺失率較高。

(2)Dr2危巖體部分儀器由于雷擊導致損壞，且測站內無電源；另外整個監測系統雙模光纜出現數據傳輸不穩定現象，需進一步優化整個監測自動化系統防雷、供電及通訊系統。

(3)索風營水電站大壩安全監測共埋設傳感器類儀器1498支(不包含外觀監測儀器)，其中只有701支儀器進入自動化，僅占大壩安全監測系統的46.80%(不統計外觀)，大部分儀器采用人工觀測，觀測人員工作量大，不能及時全面掌握大壩安全監測情況。

(4)右岸中心站、管理站內服務器、電腦等設備已使用將近8 a，運行緩慢，已超過設備折舊年限，需更換。

(5)“互聯網+”智慧能源行動計劃、水電智慧能源行動計劃、水電“十三五”規劃中的“互聯網+”智能水電站建設均從國家和行業角度提出了促進源生產、建設智能化的要求。開展數字水電廠示范建設，構建華電集團數字水廠技術體系，對于提升水電存量資產的最大安全性、經濟以及先進性具有重廠意義。

目前索風營水電站監測現狀不符合目前倡導的“數字化電廠”的要求。

綜上所述，對現有監測自動化系統進行升級改造是必要的。

3 監測自動化系統改造方案

3.1 原自動化系統處理方案

(1)中心站硬件軟件處理

現有的安全監測自動化系統硬件、軟件參數指標低，人機交互界面復雜，服務器和工作計算機使用年限較長，系統運行緩慢，操作系統為windows XP，無法升級，存在安全漏洞，采集主機有藍屏現象。需要更換服務器和工作計算機，并安裝最新的工作軟件。

(2)采集模塊處理

Dr2危巖體測站的4個模塊繼續使用，其余采集模塊需要更換。舊自動化系統的采集模塊安裝箱，大部分外觀完好，盡量保留，做好防銹防潮處理。

(3)通訊系統處理

目前索風營水電站樞紐工程安全監測自動化系統采用光端機和雙模光纜構建通信網絡，存在傳輸距離短，信號不穩定等缺點。

本次自動化系統改造將光端機和雙模光纜更換為傳輸距離長、信號穩定的以太網光纖交換機和單模光纜。

(4)電源系統處理

目前的交流電源系統除Dr2危巖體測站無法正常供電外，其余測站均能正常供電，本次自動化系統改造將保留現有正常供電的線路，僅對局部老化線路進行更換。

原自動化系統在中心站布置2套UPS(含8塊電池組)，在庫房備用有1套UPS，這3套UPS均能正常使用，本次改造將繼續保留使用。

3.2 改造后監測自動化系統總體構成

改造后的自動化系統[5-7]由892支監測儀器(不含外觀自動化測點)、40個自動化采集模塊、11個現場測站、右岸中心測站、2#營地后方管理站、網絡通信系統、電源系統和自動化采集、管理軟件組成。改造后的自動化系統網絡拓撲結構見圖1。

3.3 通訊網絡系統設計

安全監測自動化系統按三級設置，即現場監測站、右岸中心站和2#營地后方管理站。結合索風營水電站工程樞紐監測布置特點，各系統之間通信方式規劃見圖1。

圖1 索風營水電站安全監測自動化系統網絡拓撲圖

(1)現場監測站(放置數據采集裝置，簡稱MCU)與傳感器之間，鑒于各類型數據自動采集裝置均有自己的通信方式，且不影響系統總體功能，只要滿足能有效采集索風營工程各類監測傳感器的信號即可。

(2)現場監測站和右岸中心站之間，其通信方式根據建筑物的監測布置和監測管理站的設置綜合考慮。

1)現場監測站與右岸中心站之間主要通過網絡光纖交換機和單模光纖構建通訊網絡系統，實現系統的高速數據通信、抗電磁干擾和雷暴，從而保證系統可靠安全運行，且易于維護和擴展。

2)DR2危巖體和卞家寨GNSS儀器監測數據通過專用無線通訊模塊與右岸中心站連接，將監測數據以無線方式傳輸到中心站采集計算機上。

3)DR2危巖體頂部監測儀器通過無線網關以無線信號傳輸到右岸中心站采集計算機上。

4)表面觀測墩和測斜孔等外觀設備通過人工讀取數據導入中心站采集計算機上；真空激光準直系統和靜力水準系統通過光纜與右岸中心站連接，將監測數據傳輸到中心站采集計算機上。

(3)2#營地后方管理站和右岸監測中心站之間，通過公司內部局域網通信，實現數據安全、快速傳輸。

3.4 電源設計

(1)交流電源線的牽引及布設

考慮到Dr2危巖體930測站(原Dr2危巖體測站)經常斷電，本次自動化系統改造，從右岸中控樓為Dr2危巖體930測站牽引專用電源線，不再與5#BCZ共用電源線。改造后的自動化系統交流電源仍然是主要從右岸中控樓和壩頂啟閉機室接入。壩頂啟閉機室的電源主要為2#BCZ和781廊道測站供電，中控室的電源為1#BCZ、3#BCZ、4#BCZ、5#BCZ、1#CCZ、2#CCZ、5#施工支洞測站和Dr2危巖體930測站供電。

(2)太陽能供電

本次監測自動化系統改造，在Dr2危巖體頂部新增一個測站，將危巖體頂部散布的監測儀器納入自動化系統。考慮到Dr2危巖體頂部與壩頂的高差較大，從中控室架設交流電線路至危巖體頂部難度大，而且容易造成感應雷破壞，危巖體頂部測站采用太陽能電池板供電。

(3)不間斷電源(UPS)配置

右岸中心站繼續使用原自動化系統的2套容量3 kVA的UPS(含8塊電池組)，保證交流電斷電后維持系統正常運行不小于72小時。

2#營地后方管理站配置一套容量3 kVA的UPS，保證交流電斷電后維持系統正常運行不小于72小時。

3.5 自動化系統采集及管理軟件

(1)自動化系統采集軟件

數據采集軟件是一套圖視化的窗口軟件，所有監測點均可顯示在布置圖上，每個測點都與數據庫相連接，同時布置圖上的每一個測點又與現場測控裝置的對應儀器相通，因此操作和選擇屏幕布置圖上的測點或采集模塊就可以完成對該測點或模塊的數據采集、換算、處理、入庫等全部過程。

采集軟件功能主要包括：系統管理、數據采集、數據管理和數據通訊等。

(2)自動化系統管理軟件

1)安全信息管理系統具有對大壩安全監測自動化系統采集的監測數據及其它有關大壩安全的信息進行自動獲取、存儲、加工處理和輸入輸出，并且為數據分析軟件提供完備的數據接口，以便利用大壩安全監測數據和各種大壩安全信息對大壩性態作出分析判斷。

2)數據分析系統得到的分析結果還可以反饋到數據庫中，利用該接口，就可以實現通過數學模型來監控工程安全性態。

4 結論和建議

經過全面改造后，索風營水電站安全監測自動化系統運行狀態良好，可以更好地對樞紐建筑物性態進行監控。另外，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。整個索風營水電站監測自動化系統改造達到了預期的效果，其監測項目及自動化系統改造工作所取得的成果可以為類似工程提供借鑒。