官地水电站安全监测自动化系统规划

董瑜斐,王界雄,王 晓

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.四川省清源工程咨询有限责任公司，四川 成都 610072)

1 安全监测自动化的必要性

安全监测工程自动化是20世纪60年代发展起来的全新的监测技术，它随着计算机、网络通讯和微电子技术的进步而发展起来，其主要优点是可以尽量避免数据的人为干预、大量减轻人工工作量、实时高效地采集数据、及时生成管理和工作报表。

官地水电站枢纽位于四川省凉山彝族自治州的雅砻江打罗湾河段上，其枢纽建筑物主要由左右岸挡水坝(碾压混凝土重力坝)、坝身泄洪底流消能建筑物(中孔坝段和溢流坝段、消力池)、右岸引水系统及地下厂房发电系统组成。碾压混凝土重力坝坝顶高程1 334m，最大坝高168m，坝顶长度516m，共分24个坝段。官地水电站共装4台单机容量600MW的水轮发电机组，总装机容量2 400MW。

由于工程规模大、建筑物分散，故电站枢纽需要监测的范围广、测点多，若仅采用人工数据采集及其管理则观测精度和频次受限，将难以保证数据的可靠、实时和一致性，使后期运行管理工作难以适应电厂“无人值班、少人值守”现代企业管理的需要，同时也不能达到大坝安全管理相关法律法规及规程规范的要求。因此，必须建立一套可靠的安全监测自动化系统，以适应工程安全监测的需要，实时对各建筑物的安全状况作出有效评价。

2 监测自动化系统构成

目前国内外安全监测自动化系统主要包括自动化数据采集系统和安全监测信息管理及综合分析系统。

2.1 自动化数据采集系统

目前国内外采用的自动化数据采集系统可分为集中式、分布式、混合式三类。集中式主要适用于中小型工程。分布式采集系统将MCU(测量控制单元)分散布置在靠近仪器的地方，灵活性较强，MCU可完成所辖测点的控制测量、A/D转换、数据暂存和数据传输等功能。混合式是介于集中式和分布式之间的一种采集方式，它具有分布式布置的外型，而采用几种方式进行采集。

自动化数据采集系统主要功能是按照相关设置，把分布在建筑物的各类监测传感器标准和非标准的几何及物理量信号进行准确的采集、传输到指定的存储设备上并按照一定的格式进行储存。一般情况下数据采集系统分为两级：其一为采集模块通过和传感器类型相匹配的激励模式电路和A/D数模转换电路，对现场传感器的模拟信号进行数据采集、转换和存储；其二为上位机通过计算机网络系统对采集模块进行操作、控制，将观测数据以数值量的方式传输到指定的存储设备上并按照一定的格式进行储存。采集系统中通讯主要功能是根据相关协议建立各设备之间的物理联系进行信息传递，主要包括数据采集装置和传感器之间、数据采集装置与监测管理站之间、监测管理站与监测中心站之间、监测中心站与流域管理站之间的通讯。

2.2 安全监测信息管理及综合分析系统

安全监测信息管理及综合分析系统主要功能是对所有观测数据以及与安全有关的文件、施工资料等进行科学有序的管理、整理整编与综合分析，并最终对分析成果、原始信息等以可视化的方式输出，为实时掌握工程的运行状况提供有效的参考依据。

3 安全监测自动化系统规划

3.1 接入自动化系统的部位和项目

对官地水电站工程安全监测自动化系统进行规划，首先确定必须接入自动化系统的部位及项目。

综合考虑监测部位的关键性、监测项目的重要性，并对照仪器考证资料和测值综合判断仪器可靠性后确定：大坝、引水发电系统为自动化系统的重点部位，同时，左右岸边坡和坝前左岸覆盖层边坡的监测仪器也接入官地自动化系统。需要人工观测的其余监测项目按照相关技术要求进行观测。

各接入自动化系统的部位监测项目主要包括应力应变、温度、变形、渗流渗压、水位、GPS系统和强震监测等。监测仪器种类比较齐全，包括应变计、无应力计、钢筋计、钢板计、测缝计、锚杆应力计、锚索测力计、多点位移计、渗压计、水位计、温度计、测温光纤等。拟接入自动化系统的传感器总计2 346个，传感器类型主要有差阻式、振弦式及部分标准量式。

3.2 监测自动化数据采集系统

官地水电站工程规模大、建筑物分散、监测测点数量多易受外界干扰，故本工程监测自动化采集系统采用分布式、多级连接的网络结构型式。

官地水电站监测自动化数据采集系统按监测站、监测管理站和监测中心站三级设置，拟实现流域安全监测监控中心对现场监测中心站相关远程管理工作。

(1)监测站。主要作用是数据采集装置对监测传感器进行数据采集、存储、电源管理及监测数据上传和接收监测管理站上位机的控制指令。各建筑物现场监测站的规划设置，主要根据建筑物布置和施工期监测仪器电缆走线情况等因素考虑。根据枢纽建筑物布置特点及监测管理站的环境要求，监测仪器相对集中的部位集中设置监测站的布置原则，并考虑交通、通风及无干扰且远离强电磁干扰设备等因素，规划官地水电站大坝及坝基设置8个监测站、引水发电系统设置2个监测站、工程边坡及滑坡设置4个监测站。根据接入仪器传感器类型，各监测站配置的数据采集模块有所不同，主要有差阻式采集模块、振弦式采集模块及标准量仪器采集模块三种。

(2)监测管理站。主要功能是数据采集计算机通过数据采集系统接收数据采集装置的数据并进行转换、按规定的格式统一存放在原始和整编数据库中，并接收监测管理中心站上位机的相关指令及对数据采集装置下达控制指令。根据建筑物现场监测站的规划，电站监测管理站拟设置在大坝坝顶、副厂房两处。监测管理站主要配置工控机、总线中继器、光端机、通讯光缆、不间断电源等。

(3)监测中心站。主要功能是通过安全监测信息管理及综合分析系统对监测管理站自动采集、其它半自动、人工测读的数据、工程所有与安全监测相关的文档资料进行集中统一管理，且通过安全监测综合分析评价系统进行监测资料的初步分析和发布工作，并根据初步分析成果反馈给监测管理站的采集计算机相关控制指令，同时须具有远程服务功能。监测管理中心站规划在业主永久营地，监测中心站具备有适合工业应用环境，具备良好的接地、防雷、抗干扰功能，具备净化电源和不间断电源，确保系统稳定供电。有较高运算速度和较大存储容量的PC机和服务器，并配有必要的外设。

监测站(测量控制单元MCU)与监测管理站之间采用总线形拓扑结构连接。目前MCU主要是单片机原理，监测管理站的主要功能是对MCU下指令进行数据采集，两者交互性不强，因此，通信模式拟采用国内厂家较成熟的RS-485模式；监测管理站与管理中心站之间拟采用树状拓扑结构连接，通信模式采用Ethernet，以方便后期实现与电厂MIS系统及远程控制系统的接口。官地水电站工程枢纽区各级测站网络结构和通讯方式示意见图1。

图1 官地水电站枢纽区各级测站网络结构和通讯示意

监测管理中心站、监测管理站和监测站的电源，采用交流电供电。监测管理中心站和监测管理站配置交流不间断电源，输入交流380V回路引自各自的配电设备，输出220V对站内设备供电，监测管理站还提供对所有监测站的交流供电回路。大坝、引水发电系统及工程边坡的监测站，拟采用引自监测管理站220V交流电集中对设备进行供电。为了保证系统的安全畅通，对监测管理中心站、监测管理站和监测站设置过电压保护和接地措施，在电源防雷、通信防雷方面通过加装相关防雷器实现。

3.3 监测信息管理及分析系统

安全监测信息管理及综合分析系统的相关功能应较为成熟、先进，满足不同阶段对监测成果初步分析的要求。官地水电站安全监测信息管理及分析系统主要包括三部分，一是信息管理系统；二是监测成果综合分析评价系统；三是远程服务系统。

信息管理系统主要包括数据录入和监测资料的管理，将工程自建设以来的不同部位所有自动采集、人工观测资料、规程规范、图纸、技术报告、各种报表及工程档案等纳入本系统进行统一管理。

安全监测综合分析评价系统主要包括信息可视化系统、图形报表生成、信息查询、离线分析及监测成果判别功能等，满足一般数据的计算分析、报表制作、曲线绘制、查询和Web发布、资料分析等。

远程服务系统包括远程管理和监测信息定时上报功能。官地水电站安全监测信息上报(同步)流域安全监控监测中心，流域安全监控监测中心可通过安全监测信息管理及分析系统客户端、Web等方式对官地水电站安全监测实现远方遥测等有关管理工作。同时，远程服务系统应具备定时向流域中心自动报送相关监测信息并传送相关监测信息到电厂MIS系统的功能。其工作主要包括：特定端口的机器通过C/S模式能远程控制现场采集机，实现命令修改、采集、数据传输等，一般授权用户通过B/S模式远程浏览现场Web服务器的相关信息。

4 结束语

纵观国内外水电站安全监测领域的发展情势，监测自动化已成为必然趋势。本文对官地水电站工程安全监测自动化系统进行了规划设计，以期提供实时、高效、可靠的监测数据，实时对各建筑物的安全状况作出有效评价。随着水电站安全监测自动化系统的不断改进及发展，官地水电站工程安全监测自动化系统应与时俱进、不断改善，以保障枢纽工程发挥出更大的效益。