焦修明

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江安吉313302）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)，電站樞紐主要建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫、開關(guān)站及主控室等部分組成。引水隧洞采用一洞三機(jī)布置型式，尾水隧洞采用一洞一機(jī)布置型式，兩條引水斜井中心間距為59.54 m。上下庫庫底高差590 m，平均水頭570 m，最大發(fā)電毛水頭610.20 m，電站上下庫均為日調(diào)節(jié)水庫。地下廠房?jī)?nèi)裝有6臺(tái)單機(jī)為300 MW的機(jī)組。

1999年6月，電站投產(chǎn)初期，水工監(jiān)測(cè)開始接入自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)采用美國原裝進(jìn)口的Geoma?tion 2380，由一個(gè)監(jiān)測(cè)管理中心站和33個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元組成，各測(cè)控單元之間、測(cè)控單元與監(jiān)測(cè)管理中心站之間均采用光纖實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。接入數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的傳感器有：多點(diǎn)變位計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、測(cè)縫計(jì)、水位計(jì)、雨量計(jì)等共計(jì)850只。

Geomation系統(tǒng)由33個(gè)Geomation2380現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元和位于中控樓內(nèi)的主監(jiān)控站組成，測(cè)控單元的位置以及網(wǎng)絡(luò)連接見圖1。

1 Geomation系統(tǒng)運(yùn)行情況及改造原因

Geomation2380系統(tǒng)經(jīng)過十年運(yùn)行，總體上穩(wěn)定、可靠，滿足大壩安全監(jiān)測(cè)的需要。但隨著工作年限的增長，不少設(shè)備模塊出現(xiàn)老化現(xiàn)象，系統(tǒng)的可靠性下降，而且該型號(hào)產(chǎn)品Geomation 2380已停產(chǎn)，備品備件基本用完，一旦監(jiān)測(cè)模塊出現(xiàn)問題，系統(tǒng)恢復(fù)的難度較大，難以保證水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)；同時(shí)，不少監(jiān)測(cè)儀器老化、損壞，部分儀器電纜斷裂、進(jìn)水等，導(dǎo)致這些儀器無法正常測(cè)量，測(cè)值不正確或無法測(cè)讀，監(jiān)測(cè)資料可靠性下降，影響到水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的完整性和連續(xù)性。因此，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大修改造是非常必要的。如果仍采用Geomation系統(tǒng)，需將原系統(tǒng)升級(jí)換代，全部重新購置美國生產(chǎn)的升級(jí)版模塊，費(fèi)用高，且由于廠家不在國內(nèi)，售后服務(wù)得不到保障。

圖1 Geomation2380測(cè)控單元網(wǎng)絡(luò)連接圖Fig.1 Network connection of Geomation2380 measure-control units

從近幾年國內(nèi)水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展和運(yùn)行情況看，國產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的性能已有很大提高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)成熟，可靠性較好，能滿足工程安全監(jiān)測(cè)的需要，且經(jīng)濟(jì)合理。為保障安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，提高監(jiān)測(cè)資料的準(zhǔn)確性及自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)重要部位的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)及更換，采用國產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)替代現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)是可行的。

2 改造前的準(zhǔn)備工作

2.1 系統(tǒng)調(diào)研

由于抽水蓄能電站運(yùn)行方式與常規(guī)電站有著明顯的不同，其水工建筑物不僅型式多、分布廣，而且高壓輸水系統(tǒng)長期承受高水頭，上下水庫水位變化頻繁，變幅大，所以電站的水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)非常重要。因此，在水工自動(dòng)化改造過程中保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性就更加重要：許多重要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集頻率為2次/h，這就要求現(xiàn)場(chǎng)更換采集模塊速度要快，并保證通訊暢通；同時(shí)還要兼顧信息管理軟件與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配套，以方便快捷地調(diào)用新系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)庫，并可以將原數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與新采集的數(shù)據(jù)庫對(duì)接。

為達(dá)到上述要求，對(duì)改造方案采取了非常慎重、全面的評(píng)估。系統(tǒng)改造的前一年內(nèi)，對(duì)國內(nèi)幾個(gè)水工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠家進(jìn)行了深入的調(diào)研。

目前，國內(nèi)外各儀器廠家生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)大都采用分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)可以將不同類型的傳感器就近接入現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)測(cè)控單元，經(jīng)測(cè)控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過通信光纜與監(jiān)測(cè)管理中心站的采集計(jì)算機(jī)連接，將信息傳送到監(jiān)測(cè)管理中心站。這種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和傳輸具有很高的系統(tǒng)抗干擾能力，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。工程中應(yīng)用較多、具有代表性的國產(chǎn)系統(tǒng)有：南京南瑞集團(tuán)公司DAMS-Ⅳ型智能分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、南京水利水文自動(dòng)化研究所DG型分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基康儀器（北京）有限公司的BGK-MICRO分布式數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)和北京木聯(lián)能工程科技有限公司的LN1018Ⅱ型分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

上述各系統(tǒng)都已在許多工程中成功應(yīng)用，各有特色，使用效果較好。從應(yīng)用情況看，目前國產(chǎn)分布式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的功能基本達(dá)到國外先進(jìn)水平，其價(jià)格比國外系統(tǒng)便宜，使用、維修、售后服務(wù)更為方便。

經(jīng)過深入廣泛的調(diào)研，提出了自動(dòng)化系統(tǒng)大修基本原則：

（1）先進(jìn)性：監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)采用先進(jìn)的自動(dòng)采集系統(tǒng)、高性能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)信息管理分析軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，及時(shí)了解水工建筑物的工作狀態(tài)。

（2）可靠性：自動(dòng)化系統(tǒng)各項(xiàng)性能應(yīng)滿足規(guī)范要求，具有較好的防雷性能，并能長期穩(wěn)定運(yùn)行。具備人工監(jiān)測(cè)手段，以便定期校測(cè)。

（3）易維護(hù)性：除系統(tǒng)具有較好性能、減少故障外，應(yīng)具有自診斷等功能，維護(hù)工作簡(jiǎn)單容易。

（4）可擴(kuò)展性：系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，提供良好的接口，能夠方便地添加功能模塊。

（5）經(jīng)濟(jì)性：在滿足需求的前提下，應(yīng)選擇價(jià)格合適、維修方便、售后服務(wù)較好的產(chǎn)品。

同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)如實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、靈活性、安全性、實(shí)用性等也提出了具體的要求。

根據(jù)以上原則進(jìn)行公開招標(biāo)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最終選定南京水利水文自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的DG-2005型分布式大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；信息管理系統(tǒng)最終選定國家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心研發(fā)的大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)。

2.2 儀器鑒定

為進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造，還需對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的自動(dòng)化儀器進(jìn)行全面的測(cè)試與鑒定：

（1）考察每支儀器的實(shí)測(cè)資料過程線，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的具體情況和監(jiān)測(cè)資料，分析判斷觀測(cè)資料的可靠性和長期穩(wěn)定性。

（2）對(duì)差動(dòng)電阻式傳感器，采用水工電橋和兆歐表進(jìn)行測(cè)試；對(duì)弦式傳感器，采用頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)試，分析判斷接入自動(dòng)化系統(tǒng)的傳感器和采集模塊的工作狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合過程線評(píng)價(jià)情況對(duì)每一支儀器進(jìn)行分類，提出報(bào)廢、封存停測(cè)及繼續(xù)觀測(cè)的儀器，為水工建筑物監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)大修提供依據(jù)。

（3）對(duì)廊道測(cè)壓管、山體地下水位孔、流量等進(jìn)行人工與自動(dòng)化對(duì)比測(cè)試，考核傳感器的準(zhǔn)確性。

綜合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果及歷史觀測(cè)資料，鑒定的498支儀器中，297支儀器達(dá)到A類儀器標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的60%；126支儀器達(dá)到B類儀器標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的25%；45支被評(píng)定為C類儀器，占9%；30支為D類儀器。

其中有101支儀器（差阻式儀器65支，弦式儀器36支）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器工作正常，但接入自動(dòng)化系統(tǒng)后，短期穩(wěn)定性均不能滿足要求，可見這些儀器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊和通道可靠性或穩(wěn)定性較差。

3 改造的內(nèi)容及成果

3.1 改造內(nèi)容

水工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容是將美國Geo?mation 2380系統(tǒng)更換為國產(chǎn)DG-2005型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并采用大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)做好數(shù)據(jù)庫的對(duì)接處理，具體步驟如下：

（1）拆卸原有的GemationMCU觀測(cè)箱，并清理箱內(nèi)設(shè)備和電纜。

（2）疏通、整理接入自動(dòng)化系統(tǒng)的所有監(jiān)測(cè)儀器電纜，并在電纜接入端標(biāo)注相應(yīng)的儀器編號(hào)。

（3）修剪、搪錫封存停測(cè)、報(bào)廢的儀器電纜，加電纜套保護(hù)，并做好編號(hào)標(biāo)記，以便必要時(shí)再啟用。

（4）安裝新測(cè)控單元及各項(xiàng)輔助設(shè)施，將儀器接入新的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（5）安裝大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件，將接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的所有儀器在系統(tǒng)軟件內(nèi)進(jìn)行編號(hào)，完成儀器參數(shù)公式等相關(guān)設(shè)置，并完成新老數(shù)據(jù)庫的對(duì)接處理，保證新數(shù)據(jù)庫可以快捷、完整地提取原Geomation數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

3.2 試運(yùn)行及考核

系統(tǒng)改造后還需進(jìn)行一年試運(yùn)行，在此期間對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行考核：

（1）試運(yùn)行期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、周期性好，無系統(tǒng)性偏移，能反映工程監(jiān)測(cè)對(duì)象的變化規(guī)律。

（2）自動(dòng)采集數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)間的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，要求變化規(guī)律基本一致，變幅相近。

（3）在被監(jiān)測(cè)物理量基本不變的條件下，系統(tǒng)連續(xù)15次采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算其測(cè)值中誤差，檢驗(yàn)系統(tǒng)短期測(cè)值穩(wěn)定性。

（4）系統(tǒng)人工比測(cè)指標(biāo)

人工比測(cè)一般采用過程線比較或方差分析進(jìn)行對(duì)比。

過程線比較是取某測(cè)點(diǎn)相同時(shí)間、相同測(cè)次的自動(dòng)化測(cè)值和人工測(cè)值，分別繪出自動(dòng)化測(cè)值過程線和人工測(cè)值過程線，進(jìn)行規(guī)律性和測(cè)值變化幅度的比較。

方差分析是取某測(cè)點(diǎn)試運(yùn)行期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)相同時(shí)間、相同測(cè)次的測(cè)值分別組成自動(dòng)化測(cè)值序列和人工測(cè)值序列，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差σ自、σ人；再設(shè)某一時(shí)刻的自動(dòng)測(cè)值為X自i，人工測(cè)值為X人i，則兩者差值：

取δ≤2σ，其中均方差

式中，σ自為自動(dòng)化測(cè)量精度，σ人為人工測(cè)量精度。

3.3 改造成果

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造歷經(jīng)了一年，改造前期準(zhǔn)備充分，保證了改造過程中水工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，共接入有效儀器445支。改造后的新系統(tǒng)較以前的Geomation系統(tǒng)更容易掌握、操作和維護(hù)。在試運(yùn)行的一年當(dāng)中，各項(xiàng)考核指標(biāo)滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求，表明系統(tǒng)改造圓滿完成。圖2為改造好并重新編號(hào)的測(cè)控單元網(wǎng)絡(luò)連接圖。

圖2 DG-2005型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)控單元網(wǎng)絡(luò)連接圖Fig.2 Network connection of DG-2005 measure-control units

圖3、圖4分別為改造后的新系統(tǒng)采集生成的上水庫廊道滲水、進(jìn)出水口揚(yáng)壓力UP8與水位關(guān)系過程線，頻次為2次/h。從圖中可清楚看出兩者的相關(guān)性非常好。如果上庫廊道滲水或滲壓出現(xiàn)異常，可通過報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并分析原因，以便及時(shí)消缺。

圖3 上水庫廊道滲水與水位關(guān)系過程線Fig.3 Relation between gallery seepage and water level of up?per reservoir

圖4 上水庫進(jìn)出水口揚(yáng)壓力UP8與水位關(guān)系過程線Fig.4 Relation between uplift pressure UP8 at water intake and outlet and upper reservoir water level

4 體會(huì)

水工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化是發(fā)展的趨勢(shì)，它可以大大提高工作效率，減少運(yùn)行維護(hù)人員。經(jīng)過這次系統(tǒng)改造，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）水工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造前期準(zhǔn)備工作要充分，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀、新系統(tǒng)的選型、改造期間數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性，新老數(shù)據(jù)庫的對(duì)接等各個(gè)細(xì)節(jié)都要把握好，才能保證系統(tǒng)改造順利完成。

（2）對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施要有一個(gè)明確的規(guī)劃，對(duì)設(shè)計(jì)來說，要有明確的設(shè)計(jì)思路，傳感器布置要有針對(duì)性；對(duì)施工單位來說，要重視電纜的保護(hù)和觀測(cè)資料的收集和整理工作；運(yùn)行單位則要盡早介入，從設(shè)計(jì)、施工開始就有固定的技術(shù)人員參與建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作，有利于日后的運(yùn)行管理和資料分析。

（3）要選擇適合電站運(yùn)行方式的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)和管理軟件。天荒坪電站初期系統(tǒng)選型時(shí)，比較了多家系統(tǒng)，選定了美國的Geomation系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行了10年；改造后又采用了DG-2005型系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，并已穩(wěn)定運(yùn)行1年。現(xiàn)在看來，兩者的測(cè)控單元、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)管理等都是令人滿意的。

（4）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)工作很重要。水工監(jiān)測(cè)儀器及測(cè)控模塊工作環(huán)境差，容易損壞，需要隨時(shí)對(duì)損壞的儀器、測(cè)控模塊進(jìn)行修復(fù)，才能確保自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)還需要定期開展重要監(jiān)測(cè)量的人工與自動(dòng)化比測(cè)工作。

（5）目前國產(chǎn)的水工監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)日趨完善，可以滿足不同型式的水工監(jiān)測(cè)需求。選型過程中要充分考慮到系統(tǒng)的售后服務(wù)和技術(shù)支持，這樣才能保證系統(tǒng)的售后技術(shù)支持和后期的系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)。

（6）水工建筑物安全監(jiān)測(cè)是水電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作，水工要么不出事，要么出大事。因此保證充足的水工監(jiān)測(cè)專業(yè)人員非常重要，這樣才能保證水工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題于未然，并及時(shí)采取修復(fù)、防護(hù)措施?！?/p>