宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化系统设计 4页

水利水电技术第45卷2014年第8期宝兴河流域秘级水电站大坝安坌监测自动化系统设计姚姿伊，卢正超，裴安荣，黎利兵，姜云辉(中国水利水电科学研究院，北京100038)摘要：基于大坝安全监测的需要，开发了宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化系统。介绍了系统设计原则与目标、系统的总体结构、已有监测系统的更新改造方案、数据自动采集系统功能需求以及流域大坝安全监测数据管理与分析系统的功能结构等主要技术内容。研究成果可供类似工程参考。关键词：宝兴河流域；梯级水电站；大坝安全自动化监测；系统设计中图分类号：TV698．1(271)文献标识码：B文章编号：1000．0860(2014)08．0143．04DlesignofautomaticdamsafetymonitoringsystemforcascadehydropowerstationsofBaoxingRiverBasinYAOZiyi，LUZhengchao，PEIAnrong，LILibing，JIANGYunhui(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038，China)Abstract：Basedonthedemandofdamsafetymonitoring，theautomaticsafetymonitoringsystemforcascadehydropowersta-tionsofBaoxingRiverBasinisdeveloped．Themaintechnicalcontents，suchasthesystemdesignprincipleandobject，thewholestructureofthesystem，theinnovationandimprovementschemeoftheexistingmonitoringsystem，thefunctiondemandoftheautomaticdatacollectionsystem，thefunctionstructuresforthedatamanagementandanalysissystemofthedamsafetymonitoringfortheriverbasin，etc．areintroducedherein．ThisstudyresultCanprovideareferenceforthesimilarprojectscon-cemed．Keywords：BaoxingRiverBasin；cascadehydropowerstations；automaticdamsafetymonitoringsystem；systemdesign1工程概况宝兴河长约142km，河道平均比降2．55％，流域面积3321km2。宝兴河流域梯级电站共规划为“一库八级”，总装机1015MW，“一库”即硗碛龙头水库，八个梯级电站从上至下依次为：硗碛、民治、宝兴、小关子、铜头、灵关河、飞仙关和雨城水电站。目前已建成雨城、铜头、小关子、宝兴、硗碛5座水电站，民治、灵关、飞仙关3座水电站于2009年相续开工建设¨J。2设计目标为满足有关大坝安全方面的管理要求，提高四川华能宝兴河公司大坝安全管理水平，以大坝安全管理WaterResourcesandHydro'powerE晒neeringV01．45No．8为核心，以安全监测自动化和信息分析管理为重点，统筹考虑大坝运行管理、综合办公要求，按照“总体设计，分步实施”的原则建设宝兴河流域梯级水电站大坝监测自动化管理系统。在雅安雨城电站梯级调度中心设梯调中心站，在各电站设站级管理站，进行数据采集、传输、存储系统建设；做到采集数据全面、传输及时、数据畅通、信息共享，为流域化的安全管理决策提供功能强大的支持环境，以满足宝兴河公司及上级行政、业务管理部门的实际需求，实现整个流域各电站监测项目自动化采集、传输。收稿日期：2013—05．06作者简介：姚姿伊(1985一)，女，助理工程师。143n姚姿伊，等∥宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化系统设计3系统总体结构宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化管理系统由监测数据自动采集系统和流域大坝安全监测数据管理与分析系统两部分组成。监测数据自动采集系统主要完成各类信息从采集到数据的传输、加工处理、存储和展示等，包括数据采集系统、通信系统、计算机网络系统、数据存储与管理系统以及系统运行实体环境。安全监测数据管理与分析系统对流域内各工程的实时监测数据进行在线分析处理与综合安全评估，为工程安全管理提供强有力的数据支持、模型支持和扩展支持。具体包括工程安全信息采集、监测信息管理、在线综合分析、离线综合分析、综合查询、报表制作、Web查询等功能。宝兴河流域梯级水电站大坝监测自动化管理系统的运行业务主体包括：八座水电站站级管理站、宝兴河公司／雅安(雨城电站)梯级调度中心站、四川华能公司／华能公司总部以及电监委大坝安全监察中心。按照业务需求的不同，可分为以下三个层次：(1)上级部门管理层。四川华能公司／华能公司总部以及电监委大坝安全监察中心，主要接收宝兴河公司／雅安(雨城电站)梯级中心站报送的数据及文件、进行决策并下达有关指示。(2)流域安全管理层。设立的梯调中心站建在宝兴河公司／雅安(雨城电站)梯级调度中心，布置有数据库／应用服务器、应用终端以及工程安全分析管理系统等，实现集中式的安全监测数据的存储、分析、报送等安全管理以及支撑技术管理、综合信息服务、综合办公服务功能。对建筑物的安全状况提出初步分析意见，并将分析结论上报上级管理部门。(3)站级管理层。八座水电站各设立1—2个站级管理站，布置有服务器和采集计算机等，实现数据采集、传输、存储等控制和现地管理等功能。4已有安全监测系统更新改造由于工程的安全运行不仅关系到工程本身的安危，更是关系到工程下游广大人民群众生命财产的安全。根据《水电站大坝安全检查施行细则》、《水电站大坝安全监测工作管理规定》和《混凝土坝安全监测技术规范》旧。要求，本工程需要建立一套切实可行的安全监测系统。宝兴河流域梯级电站自1996年雨城水电站竣工以来，铜头、小关子、宝兴、硗碛四个水电站已陆续144竣工。从目前工程现状可以看出，安全监测系统均外委进行观测，观测时间长，劳动强度大，其监测数据不能及时反映大坝的实际工作状态。因此，必须将本工程的监测系统进行更新、改造，并将重要的观测项目和测点接入自动化系统。监测设施改造时应根据流域五座电站各个建筑物的结构特点，并根据实现安全监测自动化的需要，采用国内外先进的安全监测技术。根据各个电站安全监测的需要，更新改造需要的项目为：渗流监测和大坝外部变形监测。4．1渗流监测为了便于实现自动化，且保持原有资料的连续性，此次改造应将扬压力、绕坝渗流监测等监测项目的测压管进行电测式传感器改造。4．2大坝外部变形监测目前大坝外部变形观测的方法按观测目的主要分为水平位移监测，垂直位移监测，三维监测等旧j。水平位移监测和垂直位移监测是将变形点的水平位移和垂直位移分别施测，测量成果不具有同时性，而且观测周期长，无法实时地了解建筑物的变形情况。随着测量仪器和测量技术的发展，目前已研制出能实时连续观测变形点水平位移和垂直位移的测量系统，现成功运用于工程中的有GPS位移监测系统、全站仪自动监测系统Hj。GPS测量在数百米到1～2km的短基线上可以获得亚毫米级的定位精度。GPS测量系统主要由监测站(基准站)、数据处理中心、远程监控中心以及通信网络组成，观测的水平精度优于±0．5mm；垂直精度优于-4-1mm。系统能够实现自动连续观测，精度高，但有以下缺点需要克服：(1)不能实时得到观测数据；(2)观测点必须对空开阔，不能少于4颗卫星；(3)每增加一个观测点就必须添加一台GPS接收机，成本较高。对此问题的解决依赖于用一台接收机接收多个天线的办法实现。全站仪自动监测系统由自动全站仪、通信设备、控制终端组成，能够实现变形监测自动化数据采集、数据管理以及成果输出等功能。实践表明，自动全站仪变形监测系统在实时变形监测方面能够发挥很好的效果。系统的主要特点是：(1)全自动、无人值守；(2)系统可以进行24h连续监测；(3)实时提供变形点全方位变形信息，即三维坐标；(4)变形点三维坐标的监测精度优于1mm，满足《混凝土坝安全监测技术规范》中的要求；(5)可实现远程监控管理、自动变水利水电技术第45卷2014年第8期n姚姿伊，等∥宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化系统设计表1各电站外部变形监测方法工程名称监测部位监测项目原监测方法现监测方法说明雨城水电站坝顶水平、垂直位移视准线、几何水准测量引张线法、静力水准法闸坝为直线型铜头水电站坝体，左、右岸坝肩边坡水平、垂直位移交会法、几何水准测量全站仪自动监测系统为拱坝，坝体内没有廊道小关子水电大坝上游侧水平、垂直位移视准线、几何水准测量引张线法、静力水准法闸坝为直线型，右岸已有倒垂线站管桥下游侧支墩及钢管水平、垂直位移视准线、几何水准测量不改造不便于仪器设备的安全保护宝兴水电站大坝上游侧水平、垂直位移引张线法、静力水准法不改造可直接接入自动化系统坝顶，下游坝坡水平、垂直位移视准线、几何水准测量GPS位移监测系统坝坡上个别测点与坝顶工作基点不通视硗碛水电站上游坝坡水平、垂直位移视准线、几何水准测量不改造运行期淹没水下形预报；(6)全站仪工作基点必须与全部观测点通视，否则要增加全站仪工作基点。以上监测方法各有特色，应根据各种建筑物的实际条件进行选择，具体情况如表1所列。5数据自动采集系统设计本系统包括基于传感器的数据采集系统、全站仪自动监测系统、GPS自动监测系统。三个系统的数据均可直接传人安全监测数据管理与分析系统的数据库中。基于传感器的数据采集系统采用全分布式智能节点控制开放型的全网络结构。现场数据采集单元(DAU)可按设定时间自动进行巡测、选测、存储数据，并向远方的监测中心站报送数据。即使监测中心站的上位机出现故障，各现场数据采集单元仍能独立工作，并能将数据通过通信网络传送到监测中心站或通过便携计算机读取存储在现场数据采集单元内的监测数据。数据采集系统采用全分布式智能节点控制开放型全网络结构，以确保系统网络具有较高的安全性和组网灵活性。数据自动采集系统通信网络采用以太网数据通信网络方案。本数据通信网络系统将充分利用宝兴河公司现有和将要建设的电力通信网络。宝兴、硗碛引水系统、小关子管桥采集站通信方式均采用CD．MA或GPRS无线通信。6流域大坝安全监测数据管理与分析系统设计6．1层次结构流域大坝安全监测数据管理与分析系统采用B／S和C／S混合方式实现不同功能需求，为宝兴河流域工程服务的安全监测决策支持系统。数据管理与分析系统层次结构如图1所示。6．2信息流程各种人工采集数据信息和自动采集数据信息输入水利水电技术第45卷2014年第8期图1安全监测数据管理与分析系统的层次结构站级管理站的工作站，经过数据处理转换后存人梯调中心管理站数据库，对数据进行综合分析，判断工程的安全状况。梯调中心管理站将指定的各类信息以及工程的安全状况信息传送到上级行政及业务主管部门，以便主管部门对数据分析结果进行核对，对工程结构异常的情况重新进行综合分析，以评判工程的安全状况，并对分析结果进行发布，以便下面各管理机构进行查询。6．3功能设计宝兴河流域大坝全监测数据管理与分析系统应具有在线监测、工程性态的离线分析、预测预报、报表制作、图文资料浏览、监测数据管理、监控模型管理及安全评估等功能。将离线分析、预测预报的结果以直观的图形或窗口形式供有关管理人员掌握和了解水工建筑物的各项指标，如变形情况、渗流情况、警戒值、分析拟合值等。同时将在线监测、监测资料的离线分析、预测预报、报表制作、图文资料浏览、监测(下转第148页)145n张海华∥抽水蓄能电站通信传输网络优化研究与应用图3优化后的广蓄传输B网拓扑结构持，改变原经2M支路带宽再经协议转换器转换成IP网的接入方式。(2)优化业务通信通道路由，减少中间节点，提高通道运行可靠性。本方案是在传输网和接入网全部优化完成后，根据物理节点最少、传输距离最短的基本原则，对广蓄的所有出局业务均进行了调整，累计减少各类中转节点100余个，减少率达50％以上，将故障查找、日常维护、业务新开通的工作量大幅度降低。5结语通过探讨广蓄通信传输网的优化调整，解决了核心站点光缆资源不足的问题，从根本上解决了原有传输B网布点分散、无法监控、没有自愈环的困难，满足了日益增长的业务需求。通过本次优化调整，能够从根本上提高广蓄电力通信网的可靠性和运行管理水平，确保电网的安全可靠运行。参考文献：[1]王延恒．光纤通信技术及其在电力系统中的应用[M]．北京：中国电力出版社，2006．[2]陆庭辉．江门电力通信传输网组网研究与应用[J]．机电信息，2012(9)：3-4．[3]韦乐平．光同步数字传送网[M]．北京：人民邮电出版社，1998．[4]闫广州，李伟英．MSTP技术在电力通信专网的应用[J]．农村电气化，2008(3)：30一32．[5]丁慧霞，陈希，赵子岩，等．基于业务的光缆故障危害分析方法[J]．电力系统通信，2010，31(1)：24-28．[6]林显仕．阳江地区电力SDH光纤传输网优化策略探讨[J]．电力系统通信，2012(2)：20-25．(责任编辑郭利娜)(上接第145页)数据管理、测点信息管理、监控模型管理及安全评估的结果和各项参数、指标以表格的形式供工程技术人员掌握和了解。6．4运行环境(1)梯调中心。梯调中心是本系统运行的核心，其运行平台包括网络与通信系统、大坝安全管理信息系统和其他设备。电厂运行平台是大坝安全监测自动化系统运行的基础平台，所有的自动化监测数据由电厂采集工作站完成，由电厂工作站发往梯调中心站处理；日常的资料管理、分析、报表等工作在电厂工作站现场完成。(2)电厂运行平台。包括网络与通信系统，前置数据采集机、大坝安全管理信息系统(包括工作站和信息系统软件)。前置的自动化采集数据机自动将采集数据保存到梯调中心的数据库中。梯调中心的数据库作为完成各水电厂安全监测数据处理和大坝安全分析、评价的核心。本系统的硬件设备包括：8台数据采集系统前置机、2台数据库服务器、2台web服务器、6台分析工作站、6台移动工作站、6台打印机、6台交换机等设备。服务器采用WindowsServer2008企业版，数据库采用SQLServer2008标准版，采集前置机、分析工作站均采用windowsxP／Windows7中文148专业版。(3)监测数据管理。全部监测数据设计保持在电厂生产管理区(即安全Ⅲ、Ⅳ区)，与实时控制区(I区)、非控制生产区(Ⅱ区)通过隔离装置进行安全隔离。安全监测系统的数据管理、分析、信息查询和发布等均在电厂生产管理区。有关水位、气温、降雨量等环境量数据的获取可以通过正向隔离装置从实时控制区(I区)、非控制生产区(Ⅱ区)获取。木，I：木术宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化系统的实践验证表明，系统设计合理，测量数据可靠。其设计理念可为类似工程的安全监测设计提供重要的参考资料。参考文献：[1]北京中水科工程总公司．宝兴河流域梯级水电站大坝安全监测自动化管理系统设计报告[R]．北京：北京中水科工程总公司，2010．[2]DL／T5178--2003，混凝土坝安全监测技术规范[s]．[3]吴中如．水工建筑物安全监控理论及其应用[M]．北京：高等教育出版社，1993．[4]赵志仁．大坝安全监测设计[M]．郑州：黄河水利出版社，2003．(责任编辑郭利娜)水利水电技术第45卷2014年第8期