劉滿江，陳　平，田　超（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

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錦屏水電站監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉滿江，陳平，田超（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

隨著西南大型水電站的逐步開發(fā)和對水利水電工程安全意識的不斷提高，每個大中型水利水電工程都建立了一套內(nèi)外觀相結(jié)合的安全監(jiān)測系統(tǒng)。安全監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，為評判工程各部位工作形態(tài)，保證工程施工和運行安全提供了更為翔實的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，海量監(jiān)測數(shù)據(jù)和隨著水電工程“區(qū)域化、流域化、無人值守、少人值班”管理理念的不斷深化也對工程安全監(jiān)測自動化的加快實施提出了迫切要求。錦屏一二級自動化建設(shè)由于規(guī)模大、自動化程度高、集成各種專業(yè)監(jiān)控儀器類型多等特點，設(shè)計復(fù)雜，現(xiàn)場情況多變，利用先進的設(shè)計理念，實現(xiàn)了多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)一體化管理、監(jiān)測信息查詢與可視化表達，建立了監(jiān)測預(yù)測預(yù)報模型，提高了監(jiān)控與預(yù)警效率。

錦屏水電站；監(jiān)測自動化系統(tǒng)；設(shè)計；建設(shè)

1　工程概況

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流中下游水電開發(fā)規(guī)劃的“控制性”水庫梯級，具有年調(diào)節(jié)能力，在雅礱江梯級滾動開發(fā)中具有“承上啟下”重要作用，對下游梯級補償調(diào)節(jié)效益顯著。其工程規(guī)模巨大，開發(fā)任務(wù)主要是發(fā)電，結(jié)合汛期蓄水兼有分擔(dān)長江中下游地區(qū)防洪的作用。電站裝機容量3600MW，保證出力1086MW，多年平均年發(fā)電量166.2億kW·h，年利用小時數(shù)4616h。大壩為世界第一高拱壩，壩高305.0m，水庫正常蓄水位1880m，死水位1800m，正常蓄水位以下庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。錦屏二級水電站上游緊接錦屏一級水電站，為長引水電站，主要利用雅礱江卡拉至江口下游河段150km長大河彎的天然落差，通過長約16.7km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約 310m。電站總裝機容量4800MW，單機容量600MW，額定水頭288m，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h，保證出力1972MW，年利用小時5048h，是雅礱江上水頭最高、裝機規(guī)模最大的水電站。

錦屏一級水電站工程于2005年11月12日正式開工建設(shè)，2006年12月04日大江截流，2009年10月23日大壩首倉混凝土澆筑，計劃于2013年8月首臺機組發(fā)電，2015年3月工程完工。錦屏二級水電站籌建期項目于2003年初開始陸續(xù)施工，2005年12月通過可行性研究報告審查，項目申請報告于2006年12月15日通過國家核準(zhǔn)，2007年元月30日主體工程正式開工建設(shè)。工程已于2012年12月31日第一批兩臺機組發(fā)電，2015年9月底計劃全部工程完工。

2014年底，錦屏一二級水電站啟動監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)項目，2015年底完成自動化系統(tǒng)的建設(shè)并投入運行。實現(xiàn)大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化采集與分析管理，做到無人值守情況下電站安全運行的基本目標(biāo)。

2　監(jiān)測自動化系統(tǒng)規(guī)劃實施

錦屏一級水電站包含引水發(fā)電系統(tǒng)（大壩、地下廠房三大洞室、壓力管道、尾水洞及出口邊坡等）、泄洪洞及出口邊坡、水墊塘及二道壩、左右岸壩肩邊坡等監(jiān)測儀器接入自動化系統(tǒng)。

錦屏二級水電站包含引攔河閘壩、進水口、水隧洞、上游調(diào)壓室、高壓管道、地下廠房、尾水支管及尾水隧洞等建筑物等監(jiān)測儀器接入自動化系統(tǒng)。

經(jīng)統(tǒng)計，錦屏一級、二級接入自動化系統(tǒng)的監(jiān)測儀器測點超過12000支，儀器測點眾多，且分布廣，這對監(jiān)測自動化測站規(guī)劃、通訊建設(shè)和后期系統(tǒng)穩(wěn)定提出極高的要求。

錦屏工程監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式、多級連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。其安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)按三級設(shè)置，即現(xiàn)場監(jiān)測站、監(jiān)測管理站和監(jiān)測管理中心站?，F(xiàn)場監(jiān)測站布置在監(jiān)測儀器相對集中的部位，主要考慮交通、通風(fēng)及無干擾并遠離強電磁干擾設(shè)備；監(jiān)測管理站，主要作用是數(shù)據(jù)采集計算機通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集裝置并進行轉(zhuǎn)換、按規(guī)定的格式統(tǒng)一存放在原始和整編數(shù)據(jù)庫中，并接收監(jiān)測管理中心站上位機的相關(guān)指令及對數(shù)據(jù)采集裝置下達控制指令，布置于獨立的觀測房內(nèi)；監(jiān)測管理中心站主要作用是工作站和服務(wù)器通過安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)對監(jiān)測管理站自動采集的數(shù)據(jù)、工程所有與安全監(jiān)測相關(guān)的文檔資料進行集中統(tǒng)一管理，且通過安全分析評價系統(tǒng)進行監(jiān)測資料的分析和發(fā)布工作，并根據(jù)分析成果反饋給監(jiān)測管理站的采集計算機相關(guān)控制指令，最后進入管理中心站集中發(fā)布。

2.1充分利用已建環(huán)網(wǎng)，合理有序地進行系統(tǒng)規(guī)劃和測站布置，有效地解決了本系統(tǒng)工程通訊建設(shè)難題

根據(jù)錦屏一級、二級水電站各部位監(jiān)測儀器分布情況并結(jié)合錦屏已建2.5G環(huán)網(wǎng)分布，經(jīng)綜合研究分析，各部位監(jiān)測儀器電纜牽引至就近監(jiān)測站，監(jiān)測站采用光纜引入監(jiān)測管理站，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后接入監(jiān)測管理站，各監(jiān)測管理站利用錦屏已建2.5G光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)與中心站的通訊，光纖環(huán)網(wǎng)接口形式為RJ45以太網(wǎng)，邏輯上與其他網(wǎng)絡(luò)獨立，帶寬大于10M。監(jiān)測管理站采用光纜引入附近的通訊站，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后接入光纖環(huán)網(wǎng)，錦屏一級、二級水電站分別通過地下廠通訊室內(nèi)的省調(diào)網(wǎng)絡(luò)接口與成都監(jiān)測中心通訊。這種利用已有的光纖環(huán)網(wǎng)實施通訊，有效的解決了本系統(tǒng)通訊建設(shè)難題。

圖1　中心站與各子系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2較好解決了自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度問題

錦屏一級水電站大壩作為世界第一高拱壩，錦屏二級水電站作為引水式發(fā)電，且具有世界最大水工洞室群，錦屏一級、二級水電站所處的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，工程的安全運行對所在地區(qū)乃至整個流域內(nèi)的人民生命、財產(chǎn)及經(jīng)濟安全具有重大影響。本系統(tǒng)共接入各類監(jiān)測傳感器超過12000支，各類自動化采集模塊超過950個，因各類模塊根據(jù)監(jiān)測對象的不同分布，分別安裝在現(xiàn)場不同區(qū)域，自動化現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大，信息傳輸總距離超長，屬于異于常規(guī)的大型自動化監(jiān)測系統(tǒng)。為科學(xué)、全面監(jiān)控錦屏工程的安全狀況，根據(jù)以往的自動化建設(shè)工程經(jīng)驗，一個大型自動化系統(tǒng)的整體可靠性除了與自動化設(shè)備本身的性能有關(guān)外，與系統(tǒng)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息流的管理亦密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運行維護困難，設(shè)備故障難以管控，同時信息流設(shè)計不合理容易帶來網(wǎng)絡(luò)運行效率的低下等。因此本系統(tǒng)目前行業(yè)內(nèi)唯一一種專門用來優(yōu)化大型工程安全監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性、提升系統(tǒng)運行效率的專用設(shè)備——網(wǎng)絡(luò)管理單元（NDA8001）。通過現(xiàn)場試驗，采用實時選取各系統(tǒng)中全部測點進行即時測量的方法進行對比測試，引入NDA8001測量并返回數(shù)據(jù)的時間較不引入NDA8001所測量并返回數(shù)據(jù)時間快15倍。通過引入NDA8001，將錦屏安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)按功能區(qū)域的不同，設(shè)計成以若干個NDA8001直接管理的獨立采集子網(wǎng)為主體的、分層、分區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。通過NDA8001，既提高了整個系統(tǒng)的并行運行速度，又使不同子網(wǎng)之間的形成物理隔離，某一區(qū)域內(nèi)的個別節(jié)點或子網(wǎng)引起的故障可得到有效限制，同時NDA8001本身還支持總線環(huán)形冗余，從而可有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可維護性及運行效率，降低自動化系統(tǒng)的日常管理難度（如圖2）。

圖2　錦屏一級水輪機層采用NDA8001網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對比圖

2.3強震動自動觸發(fā)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采集功能技術(shù)

錦屏一級、二級水電站工程所處的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，屬于地震高發(fā)地區(qū)。為監(jiān)測地震對工程的影響，現(xiàn)場專門設(shè)計、安裝了強震自動化監(jiān)測系統(tǒng)。但僅靠強震監(jiān)測系統(tǒng)無法獲取反映工程安全設(shè)計及運行的全面信息，采取強震監(jiān)測系統(tǒng)與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動運行是行業(yè)內(nèi)的技術(shù)發(fā)展趨勢。錦屏監(jiān)測自動化系統(tǒng)實施了與大壩強震動系統(tǒng)自動觸發(fā)觀測功能，當(dāng)發(fā)生地震時，地震烈度大于Ⅱ度時，地震數(shù)據(jù)立刻發(fā)送到大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，觸發(fā)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采集功能并立即加密觀測。通過該功能，能迅速、全面掌控地震期間大壩的安全運行狀況的第一手資料，有效驗證、支撐工程抗震設(shè)計及施工。但采取常規(guī)方案建設(shè)的大型自動化監(jiān)測系統(tǒng)要完成一次完整的數(shù)據(jù)采集的速度一般都需要30min以上，這大大制約了對地震發(fā)生前后短期內(nèi)大壩安全狀況信息的收集。我們通過NDA8001對系統(tǒng)進行分層、分區(qū)將整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大提高，并通過進一步優(yōu)化NDA8001的NDA配置數(shù)量，把整個系統(tǒng)采集速度提高到了2min以下，從而為全面獲取地震期間大壩的運行信息提供了良好的基礎(chǔ)。

2.4錦屏一級大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用雙電源布置，有效解決了大壩壩體配電房斷電對自動化系統(tǒng)采集的影響

錦屏一級水電站大壩永久自動化電源因電廠經(jīng)常檢修斷電，因電廠會不定期對三個配電房內(nèi)設(shè)備進行斷電檢修，且斷電時間較長，極大地影響了大壩自動化的正常運行，經(jīng)綜合研究分析決定，錦屏一級大壩自動化系統(tǒng)采用雙電源布置。考慮大壩進水口電源點（壩頂右岸觀測房電源點）和大壩壩體內(nèi)電源點不會同時斷電檢修的情況，采用雙路電源開關(guān)將一個或幾個負載電路從一個電源轉(zhuǎn)換至另一個電源，以保證在一個電源點斷電時，另外一個電源能繼續(xù)為自動化系統(tǒng)供電。具體措施如下：

（1）壩頂右岸觀測房電源點和壩頂控制樓電源點組成雙電源共同為壩頂左右岸自動化監(jiān)測站供電，當(dāng)其中一個電源點斷電時，另一個電源點將持續(xù)為左右岸監(jiān)測站供電；

（2）壩體內(nèi)1829m、1778m、1664m三層廊道電源點分別與壩頂右岸觀測房電源點組成雙電源為各廊道監(jiān)測站進行供電；

（3）兩兩電源點連接到一個雙電源開關(guān)，再由雙電源開關(guān)輸出至各監(jiān)測站配電箱為相應(yīng)監(jiān)測站供電；

（4）電源線通過壩頂電纜溝和壩體電纜井進行敷設(shè)。

圖3　錦屏一級大壩壩體監(jiān)測自動化供電電源走線圖

3　自動化系統(tǒng)運行效果

錦屏電站自動化實施后，數(shù)據(jù)采集密度可以達到1次/s，采集數(shù)據(jù)完整率達95%以上，數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化管理、數(shù)據(jù)快速查詢，數(shù)據(jù)異常報警等功能，大大節(jié)省人工工作量。為整個電站安全運行提供及時可靠的基礎(chǔ)資料。

4　結(jié)論

錦屏監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)方案可行、實施過程合理。較好地解決了錦屏監(jiān)測自動化系統(tǒng)內(nèi)大量數(shù)據(jù)的傳輸速率問題，為錦屏一級、二級水電站的運行提供了可靠的保障，對大型監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)工程提供了一個典范，具有極強的推廣價值。整個系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)濟、社會效益突出，具有較強的借鑒價值。

［1］吳家樂.錦屏二級水電廠故障錄波系統(tǒng)的分析與開發(fā)［D］.電子科技大學(xué)，2014，03.

［2］黃成玉，張全柱.新型礦井供電自動化遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電氣應(yīng)用，2012，02.

［3］魏世玉，劉 星，郜 強，青 舟.自動化監(jiān)測模式下報表輸出系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.北京測繪，2012，04.

劉滿江（1975-），男，高級工程師，本科，主要從事工程測量和安全監(jiān)測等方面工作。陳 平（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。

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2095-2066（2016）16-0090-03

2016-5-5