白水峪水電站安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)改造

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

白水峪水電站地處鄂西北谷城縣境內(nèi)，位于漢江支流南河的中下游,工程以發(fā)電為主,兼有防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖和滯沙等綜合效益[1]。白水峪水電站由混凝土重力壩、引水道、廠房及開關(guān)站等組成。自1997年3月開始下閘蓄水，至今已運(yùn)行近20年。布置有壩頂垂直位移監(jiān)測、大壩水平位移監(jiān)測、大壩壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測、滲流監(jiān)測、大壩應(yīng)力應(yīng)變和閘墩預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力監(jiān)測、右岸邊坡多點(diǎn)位移監(jiān)測、右岸殘留巖體監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等8個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目。為提高監(jiān)測信息管理和分析水平，適應(yīng)實(shí)時(shí)高效的現(xiàn)代化安全監(jiān)測管理要求，對除壩頂垂直位移監(jiān)測和右岸殘留巖體監(jiān)測外的其他6個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化改造，共涉及差動(dòng)變壓器式、差阻式、振弦式、CCD式等多種類型傳感器，共133個(gè)測點(diǎn)。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

a.實(shí)用性。系統(tǒng)可以適應(yīng)運(yùn)行期及已建工程更新改造的不同需要，便于維護(hù)和擴(kuò)充，每次擴(kuò)充時(shí)不影響已建系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并能針對工程的實(shí)際情況兼容各類傳感器。能在溫度-30～+60℃、濕度95%以上條件下正常工作，能防雷和抗電磁干擾。操作簡單，安裝、埋設(shè)方便，易于維護(hù)。

b.準(zhǔn)確性。系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理等工作環(huán)節(jié)的設(shè)備選型和技術(shù)處理上充分考慮了誤差控制和誤差處理，確保提高系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性。

c.可靠性。為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，觀測數(shù)據(jù)具有可靠的精度和準(zhǔn)確度。系統(tǒng)設(shè)備能自檢自校及顯示故障診斷結(jié)果，同時(shí)具有獨(dú)立于自動(dòng)監(jiān)測量儀器的人工觀測接口。

d.先進(jìn)性。系統(tǒng)既滿足現(xiàn)實(shí)需求，又適應(yīng)長遠(yuǎn)發(fā)展的需要，所采用的技術(shù)與當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢保持一致，并便于系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級(jí)和優(yōu)化。

e.開放性。堅(jiān)持統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，按開放式系統(tǒng)的要求選擇設(shè)備，組建系統(tǒng)，利于調(diào)整和擴(kuò)展，便于信息的共享。

f.經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性原則，在功能和采集范圍上可多可少，可大可小，滿足不同投資規(guī)模和不同建設(shè)規(guī)模的需要，在追加投資后系統(tǒng)能方便地?cái)U(kuò)充功能和擴(kuò)大監(jiān)測范圍。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備間連線簡單，施工費(fèi)用極低。整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化軟件，簡化硬件，降低了設(shè)備造價(jià)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

白水峪水電站安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖1)，現(xiàn)地站由監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集單元、光端機(jī)和串口服務(wù)器組成。監(jiān)測管理站由工作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信設(shè)備(光端機(jī)、交換機(jī))、交直流逆變電源及相關(guān)配套軟件構(gòu)成，可獨(dú)立完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和測點(diǎn)管理功能。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對原自動(dòng)采集站進(jìn)行了優(yōu)化布置，設(shè)水工樓(MCU-SGL)、壩下(MCU-BX)、基礎(chǔ)廊道(MCU-JCLD)、交通廊道(MCU-JTLD)、閘墩(MCU-ZD)五個(gè)自動(dòng)化采集站。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集裝置的現(xiàn)場通信方式分為兩種，壩頂引張線測點(diǎn)、右岸壩前邊坡多點(diǎn)位移測點(diǎn)、繞壩滲流測點(diǎn)和環(huán)境量測點(diǎn)集中牽引至水工樓采集站(SGL)，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至采集工作站，閘墩采集站(ZD)、壩下采集站(BX)、基礎(chǔ)廊道采集站(JCLD)和交通廊道采集站(JTLD)通過光纖的方式組成星形網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至采集工作站。

3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測系統(tǒng)和所有采集站均采用單獨(dú)供電系統(tǒng)，當(dāng)市電中斷時(shí)，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至直流不間斷電源供電。使用正弦波逆變電源裝置(2kVA)實(shí)現(xiàn)DC220V和AC220V快速切換，當(dāng)有交流AC220V時(shí)，處于市電輸出，當(dāng)輸入故障時(shí)自動(dòng)切換到逆變輸出。逆變電源額定功率為1500W，現(xiàn)地監(jiān)測設(shè)備待機(jī)時(shí)電流實(shí)測值為1.6A(350W)，峰值功耗不大于1000W，滿足逆變電源功率輸出要求。為方便檢修，分別使用7個(gè)斷路器對交直流電源輸入和輸出進(jìn)行開關(guān)控制，并在逆變電源進(jìn)出端分別設(shè)置了防雷裝置(見圖2)。

圖2 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)電源接線

電源電纜分3路敷設(shè)(見圖3)，分別是：?第一路電源起點(diǎn)是監(jiān)測工作站，終點(diǎn)是水工樓采集站，所接設(shè)備為水工樓采集站3臺(tái)MCU；?第二路電源起點(diǎn)是監(jiān)測工作站，在廊道進(jìn)口處分支，一路到壩下采集站，一路進(jìn)廊道，經(jīng)交通廊道采集站至基礎(chǔ)廊道采集站；該路電源同時(shí)為正、倒垂儀和基礎(chǔ)廊道引張線儀供電；?第三路電源起點(diǎn)是監(jiān)測工作站，終點(diǎn)是閘墩采集站；在壩頂電纜溝分支一路為壩頂引張線儀供電。

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)電源電纜分布

4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)使用專用以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)，通過物理交換機(jī)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。現(xiàn)地采集站每臺(tái)MCU均配備了串口服務(wù)器，并在串口服務(wù)器設(shè)置相互獨(dú)立且唯一的靜態(tài)IP地址(見圖1)，使每臺(tái)MCU都可以通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)尋址。串口服務(wù)器一端使用標(biāo)準(zhǔn)串口線與MCU測量模塊連接，另一端為RJ45網(wǎng)口，使用網(wǎng)線連接交換機(jī)或者光端機(jī)。串口服務(wù)器安裝后要進(jìn)行初始化設(shè)置，配置要點(diǎn)包括：?在配置模式中，將每臺(tái)串口服務(wù)器設(shè)置為不同的IP地址，但需要在同一網(wǎng)段；?設(shè)置串口參數(shù)，要和MCU測量模塊設(shè)置為相同的波特率；?設(shè)置操作模式，將工作模式設(shè)置為TCP Sever模式，端口號(hào)默認(rèn)為4001，可以不作修改。

系統(tǒng)長距離信號(hào)傳輸采用四芯(紅、橙、藍(lán)、綠)單模光纖，戶外敷設(shè)走電纜橋架、電纜溝及穿PVC管和鍍鋅鋼管保護(hù)，光纖敷設(shè)共分3路，分別是：?第一路光纖起點(diǎn)是水工樓監(jiān)測工作站，終點(diǎn)是閘墩采集站，接紅、橙兩芯；?第二路光纖起點(diǎn)是水工樓監(jiān)測工作站，終點(diǎn)是壩后采集站，接紅、橙兩芯；?第三路光纖起點(diǎn)是水工樓監(jiān)測工作站，終點(diǎn)是基礎(chǔ)廊道采集站，并在交通廊道采集站進(jìn)行接續(xù)，交通廊道采集站接紅、橙兩芯，基礎(chǔ)廊道采集站接藍(lán)、綠兩芯。

5 人工比測

為確保監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用可靠,應(yīng)采用人工比測這種技術(shù)手段進(jìn)行必要的考核檢驗(yàn)[2]。通過人工比測模塊與自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集模塊連接后，可以實(shí)現(xiàn)人工比測。不同類型傳感器人工比測方法不同。白水峪水電站涉及有差動(dòng)變壓器式、差阻式、振弦式、CCD式等多種類型傳感器，其中，差阻式傳感器需要用數(shù)字電橋進(jìn)行比測，振弦式傳感器需要用振弦式讀數(shù)儀進(jìn)行比測，其余各種類型傳感器需要用高精度萬用表的電壓和電流檔進(jìn)行比測。依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》DL/T 5211—2005[3]和《大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化要求及驗(yàn)收規(guī)程》DL/T 5272—2012[4]，對人工測量值和自動(dòng)化測量值進(jìn)行方差分析比較，取各測點(diǎn)在自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和人工采集并行階段中的相同時(shí)間、相同測次的自動(dòng)化測值和人工測值,分別組成自動(dòng)化測值序列和人工測值序列，從而進(jìn)行方差分析，計(jì)算方法詳見規(guī)范，不再贅述。人工比測數(shù)據(jù)記錄計(jì)算表設(shè)計(jì)見表1。

表1 安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)人工比測數(shù)據(jù)記錄計(jì)算

6 系統(tǒng)軟件

大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)軟件ZSK2000基于驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)[5]，采用C/S模式開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Sever大型高級(jí)通用數(shù)據(jù)庫,見圖4。支持多窗口操作，界面友善、操作簡便，安全性和可擴(kuò)充性強(qiáng)。安全信息管理軟件應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，其功能包括在線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)(庫)管理、系統(tǒng)管理以及數(shù)據(jù)整編、圖形報(bào)表制作、數(shù)據(jù)專項(xiàng)分析、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等，此外還可根據(jù)工程實(shí)際情況增加離線分析及測值預(yù)報(bào)等功能。

圖4 大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)軟件ZSK2000

該系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了工程安全監(jiān)測資料整編規(guī)范要求的各類圖表的繪制與輸出，包括過程線圖、相關(guān)性圖、分布圖、等值線圖，記錄計(jì)算表、特征值統(tǒng)計(jì)表等。能夠快速搭建，并與已有監(jiān)測體系無縫融合，如對于歷史數(shù)據(jù)表，提供數(shù)據(jù)導(dǎo)入向?qū)?，可以按測點(diǎn)使用的儀器類型批量導(dǎo)入歷史觀測記錄表(Excel表或文本格式的表)；對于紙質(zhì)觀測數(shù)據(jù)表，提供數(shù)據(jù)錄入界面供用戶錄入相關(guān)數(shù)據(jù)，錄入結(jié)果可視化顯示，可以即時(shí)查看數(shù)據(jù)變化情況，能夠有效避免錄入錯(cuò)誤；對于自動(dòng)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供自動(dòng)數(shù)據(jù)提取工具，根據(jù)不同的采集系統(tǒng)配置對應(yīng)關(guān)系后，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的提取、測值轉(zhuǎn)換計(jì)算、結(jié)果評(píng)判和預(yù)報(bào)預(yù)警。系統(tǒng)還內(nèi)置了巖土工程安全監(jiān)測中普遍使用的各種傳感器和儀器信息，并可以方便地?cái)U(kuò)展新儀器測量數(shù)據(jù)，能夠用于巖土工程安全監(jiān)測項(xiàng)目包括大壩安全監(jiān)測、邊坡安全監(jiān)測、地下建筑物安全監(jiān)測和工業(yè)民用建筑安全監(jiān)測。

7 結(jié) 語

系統(tǒng)改造建設(shè)完成后，所有測點(diǎn)人工比測數(shù)據(jù)差值均在準(zhǔn)確度控制范圍內(nèi)，無趨勢性漂移，系統(tǒng)運(yùn)行良好[6]。監(jiān)測數(shù)據(jù)管理及分析軟件操作簡便，安全性好、可擴(kuò)充性強(qiáng)，符合監(jiān)測資料分析處理的要求。更新后的自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對所有監(jiān)測項(xiàng)目全覆蓋，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控和掌握大壩安全性狀。