陸緯 儲華平 李東 吳健琨

摘要：大壩安全監(jiān)測通用無線數(shù)據(jù)采集現(xiàn)地單元的監(jiān)測手段具有微功耗、體積小、易布設(shè)和采取多級防護等特點。介紹了該系統(tǒng)在湖南托口水電站以及江西柘林水電站安全監(jiān)測中的應(yīng)用情況。該通用現(xiàn)地單元可混合接入多種類型安全監(jiān)測傳感器，采用分布式架構(gòu)布設(shè)于各儀器集中處，利用無線廣域網(wǎng)或無線局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，有效節(jié)省了線纜及土建成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，縮短了值守時間。應(yīng)用結(jié)果表明，該微功耗現(xiàn)地單元穩(wěn)定可靠，可高效獲取了大壩及周邊難于供電測點數(shù)據(jù)，并大幅提升了數(shù)據(jù)采集設(shè)備的防雷性能。

關(guān)鍵詞： 無線組網(wǎng);數(shù)據(jù)采集;現(xiàn)地單元;大壩監(jiān)測;微功耗

中圖法分類號：TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.016

大壩安全監(jiān)測是對大壩施工過程和運行狀態(tài)進行監(jiān)視的一種必要手段。目前，大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)基本采用分布式架構(gòu)，利用各種專用的數(shù)據(jù)采集模塊獲取特定類型傳感器的物理信號，再通過有線數(shù)據(jù)總線或無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至中心控制計算機[1]。

由于大壩監(jiān)測傳感器的種類繁多，一個工程可能采用多種類型的模塊，使得日常維護十分繁瑣;同時，各類傳感器無法同時接入同一個模塊，因此可能需要為了一支不同儀器而增加一個專用采集模塊的情況，造成資源的浪費和增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

針對這一問題，研究并設(shè)計了一種微功耗通用數(shù)據(jù)采集模塊，將該數(shù)據(jù)采集模塊與傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測常用的振弦式、差阻式、±5V電壓量、4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流量、RS485標(biāo)準(zhǔn)接口式、電位器式等類型傳感器結(jié)合，可構(gòu)成適合于大壩監(jiān)測行業(yè)的新型通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該模塊根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用的需要設(shè)計了一個具有不同通道數(shù)的系列，包含單通道、4通道、8通道以及16通道通用型，對電能要求低，穩(wěn)定可靠，通用性和互換性高，數(shù)據(jù)可多通道發(fā)送，已成功應(yīng)用于多個工程現(xiàn)場。

1 托口水電站

1.1 系統(tǒng)應(yīng)用概況

托口水電站位于湖南省洪江市境內(nèi)，工程以發(fā)電為主，兼具防洪、航運等綜合效益。工程等級為I等大（一）型，最大壩高82 m。水庫正常蓄水位250.00 m，死水位235.00 m，正常蓄水時庫容12.49億m3，校核洪水位252.43 m，總庫容13.84億m3，電站總裝機容量830 MW（其中生態(tài)放水小機組15×2 MW），多年平均發(fā)電量21.31億kW·h。樞紐建筑物由東游祠主壩、王麻溪副壩、河灣地塊防滲工程及生態(tài)放水發(fā)電系統(tǒng)等四大部分組成。由于托口水電站特殊的地形條件，樞紐建筑物采用分散式布置，即東游祠主壩（擋水、泄洪建筑物）與王麻溪副壩（發(fā)電廠房、通航建筑物）等分開布置，其間為河灣地塊。該地塊全線直線距離約4.5 km，共布置46孔地下水位觀測孔，需要采集相關(guān)地下水水位高程信息。

1.2 技術(shù)難點

托口水電站河灣地塊地下水安全監(jiān)測項目在具體實施中存在一些問題，對數(shù)據(jù)采集模塊的布設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信方式及架構(gòu)、電源的設(shè)置等都提出了一定的要求，主要包括：

（1）河灣地塊全線范圍較大，布置的46孔地下水位觀測孔分布較廣，各觀測孔間距離在幾百米以上，難以實現(xiàn)將多支儀器電纜拖引至一處集中接入相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊的方式。

（2）由于各測點與中心機房距離遠(yuǎn)，且存在沿途土地權(quán)屬問題，難以在現(xiàn)場埋設(shè)光纜等有線通信線路或拖引儀器電纜經(jīng)過農(nóng)田、果園等居民設(shè)施。

（3）各地下水觀測孔基本都處于野外林深草密處，夏季林木枝葉可能會完全遮擋住太陽能電板，且野外禁止砍伐樹木，加之基本沒有市電供電的可能性，因此對數(shù)據(jù)采集模塊的低功耗性能提出了較高的要求。

（4）河灣地塊存在一些洼地、水塘、魚塘等覆蓋水體的區(qū)域，易遭受雷擊，對安全監(jiān)測系統(tǒng)的防雷性能提出了較高要求。防雷及相關(guān)的電磁干擾防護是安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊的必要組成部分。除傳感器外，對外通信是系統(tǒng)最易遭受損害的環(huán)節(jié)，因此需采用多種保護措施[2]。

（5）區(qū)域內(nèi)多處測點處于暴露狀態(tài)，夏天陽光暴曬，雨季潮濕悶熱，部分測點位置人跡罕至、難以到達(dá)，因此對相關(guān)監(jiān)測設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性以及值守可靠性提出了較高要求。

1.3 解決方案

針對主要技術(shù)實施難點，新引入的河灣地塊地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)和4通道微功耗通用大壩安全監(jiān)測模塊作為現(xiàn)地單元進行數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸。結(jié)合基于網(wǎng)絡(luò)的上位機軟件，構(gòu)成新型微功耗無線安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有如下特點：

（1）以高精度振弦式滲壓計為地下水水位測量儀器。數(shù)據(jù)采集模塊就近布設(shè)于各地下水觀測孔并接入滲壓計，大大減少了儀器線纜的長度。同時每個測點均配置4通道微功耗通用采集模塊，形成通道冗余，便于后期增加儀器，且當(dāng)一個通道損壞時有可供替換的備用通道繼續(xù)進行測量。模塊電路板見圖1。

（2）數(shù)據(jù)接收端的中心計算機接入因特網(wǎng)后均可實現(xiàn)接收測控裝置發(fā)送的實時數(shù)據(jù)[3]。經(jīng)過實地測量，現(xiàn)場各測點處均有GPRS公網(wǎng)信號，信號強度各異，故系統(tǒng)采用基于公網(wǎng)GPRS信號的無線傳輸方案。針對受所在地地理位置限制、個別測點信號強度較弱的情況，采用了增強型天線作為有效應(yīng)對措施，實際使用中效果良好，可以有效保障獲取的信號強度。整個地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)呈星型分布式架構(gòu)，每個測量模塊接入一支傳感器獨立工作，一個測點模塊的損壞或失效不影響其他測點數(shù)據(jù)的正常上報。同時，因雙網(wǎng)隔離需要，相關(guān)測量數(shù)據(jù)先遠(yuǎn)程傳送至長沙五凌電力數(shù)據(jù)中心，托口水電站再通過網(wǎng)絡(luò)從長沙數(shù)據(jù)中心調(diào)閱相關(guān)數(shù)據(jù)。相關(guān)組網(wǎng)設(shè)計方案見圖2。

（3）數(shù)據(jù)采集模塊采用智能電源分配控制。控制器智能休眠待機模式可有效降低模塊的整體運行功耗，節(jié)省大量電力?，F(xiàn)地單元整體待機電流30 μA以下，僅依靠配備小功率、小面積太陽能板及小容量鉛酸蓄電池即可滿足使用要求，如15 Ah蓄電池可供損壞的太陽能板工作至少1a。

（4）在實際的電路設(shè)計中，除了電源和對外通信使用電源及通信防雷器外，采集系統(tǒng)所有接入儀器線纜的通道都設(shè)計了雙重防雷系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊的下端各通道的接入電路均應(yīng)用光耦繼電器進行隔離，同時配備氣體放電管及瞬變抑制管對螺絲固定孔連接的箱體進行有效放電。實際安裝時，立桿與箱體進行連接可有效導(dǎo)電放電，立桿根基處設(shè)置簡易鋼筋籠并配合導(dǎo)電劑使用，可大大降低現(xiàn)地單元的接地電阻，便于短時、快速泄放電荷，具體見圖3。另外，箱體通過接地線與測點防雷接地樁連接，每個測點設(shè)置4個接地樁，實測接地電阻均小于10Ω。

托口水電站河灣地塊地下水監(jiān)測一體化現(xiàn)地單元現(xiàn)場安裝情況如圖4所示。

1.4 應(yīng)用效果

由于很多測點處于植被茂密處，太陽能電板會被部分或完全遮擋，同時南方持續(xù)陰雨天氣可能導(dǎo)致蓄電池?zé)o法有效充電;若GPRS通信模塊持續(xù)在線耗電較大，小型蓄電池也難以支持，故現(xiàn)場測量模塊采用睡眠定時喚醒或設(shè)置相應(yīng)的窗口時間。在窗口時間對GPRS通信模塊進行設(shè)置，可保證模塊在需要的時間段保持實時在線，便于隨時對相關(guān)傳感器進行測量;還可對模塊在線時長進行設(shè)置，通過斷電或使其進入睡眠模式以降低功耗[4]。

該系統(tǒng)自2016年7月調(diào)試完成后投運，運行期間總體較為穩(wěn)定可靠，測量精度滿足監(jiān)測要求。設(shè)備現(xiàn)場安裝地區(qū)為南方高山密林地區(qū)，運行過程中常出現(xiàn)長周期的陰雨天氣，采用微功耗數(shù)據(jù)采集模塊以來，利用公網(wǎng)發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)中斷、丟失等現(xiàn)象。經(jīng)多次人工觀測校核，自動化地下水水位測量精度及變化趨勢符合現(xiàn)場客觀事實，滿足電站的觀測要求。

運行2 a間，相關(guān)測點自動化測得地下水位與庫水位的相關(guān)性曲線見圖5。

2 柘林水利樞紐

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用概況

柘林水利樞紐位于江西省西北部永修縣境內(nèi)修河中游末端，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、灌溉、航運、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利水電工程。該工程距南昌、九江公路均約為100 km，距永修約40 km。工程于1958年開工興建，目前水電站總裝機容量42萬kW。柘林水利工程主要由主壩、Ⅰ副壩、Ⅱ副壩、Ⅲ副壩、第一溢洪道、第二溢洪道、泄空洞、兩個發(fā)電廠房及其引水系統(tǒng)、灌溉隧洞及取水閘、船筏道建筑物等組成。主壩為黏土及混凝土防滲心墻土石壩，設(shè)計壩頂高程73.5 m，最大壩高 63.5 m，壩頂長590.75 m。主壩部分安全監(jiān)測設(shè)備采用了南京水利水文自動化研究所生產(chǎn)的DG-2000型分布式大壩監(jiān)測系統(tǒng)，于2004 年投運。2017年進行自動化系統(tǒng)及大部分監(jiān)測儀器的升級改造，改造后的系統(tǒng)由分布在主壩區(qū)的監(jiān)測儀器（273支）、微功耗現(xiàn)地測控裝置、中央機房和配套電纜及數(shù)據(jù)采集軟件等構(gòu)成。目前，微功耗現(xiàn)地測控裝置共25臺，分別安裝在6個觀測房里。

現(xiàn)場6個觀測房分別接入2～8臺的16通道微功耗現(xiàn)地測控裝置，所有觀測房均采用12V/30W太陽能電板及12V/100Ah鉛酸蓄電池進行供電，同時通過光纜與中心機房的數(shù)據(jù)采集計算機進行有線通信。所有現(xiàn)場的振弦式、差阻式及電位器式儀器均可混合接入各微功耗現(xiàn)地測控裝置，觀測房內(nèi)布置如圖6所示。

柘林主壩兩側(cè)壩肩上個別土位移計極易遭受雷擊。由于安裝現(xiàn)場的地形地勢處于最高點的突出位置，自儀器埋設(shè)運行以來多次遭受雷擊而損壞，微功耗現(xiàn)地測控裝置配備的儀器通道防雷器多次被擊穿，另一端的振弦式土位移計的鋼弦也被擊斷，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集模塊被擊壞。以柘林水電站主壩左岸邊坡高程95 m平臺E1土位移計等測點為例，在2017年陸續(xù)發(fā)生4～5起防雷模塊及土位移計均被擊穿的現(xiàn)象，有1～2次采集模塊內(nèi)通道也發(fā)生損壞，現(xiàn)場受雷擊影響嚴(yán)重。

經(jīng)相關(guān)技術(shù)改進，在山頂?shù)耐廖灰朴嬇c半山腰的現(xiàn)地測控裝置之間架設(shè)防雷器，即將中間線纜兩端進行防雷器接地保護。儀器線纜進入數(shù)據(jù)采集模塊相關(guān)防雷通道之前，先經(jīng)過菲尼克斯防雷器，防雷器接地端直接與現(xiàn)地單元箱體接地螺栓柱連接進行大電流的泄放;另一端線纜進入相關(guān)傳感器之前也要先經(jīng)過菲尼克斯防雷器，防雷器接地端與現(xiàn)場設(shè)置的接地扁鐵相連后直接整體地埋，接地扁鐵砸入地下70 cm以上。安裝埋設(shè)方法如圖7所示。經(jīng)一段時間使用，在2018年3～8月，E1測點發(fā)生1次菲尼克斯防雷器及儀器被擊壞的現(xiàn)象，雖然該埋設(shè)方法起到一定效果，但仍亟需改進。

2.3 解決方案

針對柘林現(xiàn)場個別測點的防雷技術(shù)難點，新引入的微功耗無線通用安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集現(xiàn)地單元采用單通道一體化設(shè)計，待機電流小于30 μA，使用一次性大容量19 000 mAh鋰電池供電，可以接入振弦式、差阻式等多種類型傳感器。單通道現(xiàn)地采集單元具體地埋的安裝方式與接入防雷器類似，通信可采用無線公網(wǎng)GPRS或短消息SMS，也可采用短距無線LoRa方式進行可視范圍內(nèi)的點對點數(shù)據(jù)傳輸。

新型微功耗無線現(xiàn)地采集單元的引入作為原先柘林有線通信主體的有效補充，可解決個別易遭受雷擊測點的數(shù)據(jù)獲取問題，主要有如下特點：

（1）體積小巧，內(nèi)置相關(guān)防雷器件，極低的功耗可以保證其在無電源供給的情況下使用至少2 a。

（2）采用防水鋁盒封裝，安裝簡單方便，相鄰儀器可就近地埋，減少了儀器電纜的走線。

（3）采用無線通信方式大大降低了通信線纜遭受雷擊的可能，實際安裝時只需將無線通信天線置于地面之上。

（4）現(xiàn)地單元處的通信模塊平時不上電，相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊待機也采用低功耗睡眠模式。一般定時喚醒到點測量報數(shù)或設(shè)置相應(yīng)的通信窗口時間，在定時測報或窗口時間通信模塊上電組網(wǎng)，進行無線數(shù)據(jù)傳輸。定時測報或窗口時間結(jié)束，通信模塊掉電的同時，采集模塊也進入睡眠待機模式。因整個現(xiàn)地單元平時待機電流極低，故其遭受雷擊的可能性也大幅降低。

2.4 應(yīng)用效果

幾處易遭雷擊測點均處于與數(shù)據(jù)采集中心機房的通視路徑上，且與其直線距離不超過400 m，故具體應(yīng)用中采用有線局域無線組網(wǎng)LoRa技術(shù)。自2018年8月起，在柘林水電站主壩邊坡高程95 m平臺E1土位移計等測點應(yīng)用微功耗單點無線現(xiàn)地采集單元配備LoRa終端，中心機房計算機配備LoRa網(wǎng)關(guān)用于無線數(shù)據(jù)的接收。使用后數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，已連續(xù)經(jīng)歷過多次雷雨天氣考驗，各測點均運轉(zhuǎn)正常，每天定時測報兩組數(shù)據(jù)，滿足相關(guān)的數(shù)據(jù)完整性要求，解決了測點長期受到雷電影響的問題，有效保障了數(shù)據(jù)采集模塊和相關(guān)傳感器的安全。具體應(yīng)用相關(guān)組網(wǎng)架構(gòu)見圖8。

隨著國家移動通信公網(wǎng)覆蓋范圍的不斷擴大及數(shù)據(jù)服務(wù)價格的不斷降低，各種無線通訊技術(shù)得到了迅猛發(fā)展[5]，相關(guān)無線局域網(wǎng)技術(shù)與公網(wǎng)的有效融合也越來越緊密，未來越來越多的新建水庫大壩工程監(jiān)測及大壩除險加固系統(tǒng)升級改造等項目將會采用無線技術(shù)組網(wǎng)。同時，隨著傳感器技術(shù)的突飛猛進，相關(guān)采集設(shè)備對通用性的要求也在不斷提高。在進一步做好無線網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，未來在壩體或水工建筑物的內(nèi)部監(jiān)測、地下水信息化平臺的建設(shè)等方面，微功耗分布式通用安全監(jiān)測技術(shù)與無線傳輸技術(shù)的有效結(jié)合將會成為重要的應(yīng)用方向之一。

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（編輯：李曉濛）