姜彥作，鄧榮歡，李運(yùn)良

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 工程概況

索風(fēng)營(yíng)水電站位于貴州省中部修文、黔西兩縣交界的烏江中游六廣河河段，是烏江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第五級(jí)水電站，距貴陽(yáng)市直線距離54 km。工程主要任務(wù)是發(fā)電，承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)，兼有灌溉、養(yǎng)殖、旅游等效益。電站裝機(jī)容量600 MW，保證出力166.9 MW，年平均發(fā)電量20.11億kW·h，年利用小時(shí)為3352 h。

壩址控制流域面積21862 m2，占全流域面積的24.9%；流域內(nèi)雨量充沛，多年平均降雨量1102 mm，多年平均徑流量124.6億m3，多年平均流量395 m3/s。索風(fēng)營(yíng)水庫(kù)總庫(kù)容2.012億m3，具有日調(diào)節(jié)性能，正常蓄水位837 m，死水位822 m，百年一遇設(shè)計(jì)洪水流量12500 m3/s，千年一遇校核洪水流量16300 m3/s。

2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本情況

根據(jù)規(guī)程規(guī)范、地形地質(zhì)情況及本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，為全面掌握樞紐建筑物施工期和運(yùn)行期的工作形態(tài)，在大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、邊坡和堆積體、Dr2危巖體等部位布置一系列監(jiān)測(cè)儀器[1-4]，并通過(guò)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接野吨行恼荆瑢?duì)樞紐建筑物安全性態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 監(jiān)測(cè)布置簡(jiǎn)介

本工程大壩布置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有三大類(lèi)：①變形監(jiān)測(cè)，包括水平位移、豎向位移、傾斜、接觸縫和裂縫開(kāi)合度監(jiān)測(cè)等。②滲流監(jiān)測(cè)，包括壩基、岸坡及壩體的滲漏量觀測(cè)、壩體滲透壓力及壩基滲透壓力監(jiān)測(cè)、繞壩滲流監(jiān)測(cè)、揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)等。③應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)，包括壩體應(yīng)力應(yīng)變、溫度監(jiān)測(cè)。

引水發(fā)電系統(tǒng)布置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有兩大類(lèi)，①圍巖穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，包括圍巖內(nèi)部變形和錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)。②結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，包括鋼筋應(yīng)力、接觸縫開(kāi)合度監(jiān)測(cè)及外水壓力監(jiān)測(cè)等。

專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：①邊坡監(jiān)測(cè)，包括人工開(kāi)挖邊坡監(jiān)測(cè)和自然邊坡監(jiān)測(cè)；②灌漿帷幕監(jiān)測(cè)，包括運(yùn)行期滲壓觀測(cè)；③水力學(xué)監(jiān)測(cè)，包括摻氣濃度、水流壓力監(jiān)測(cè)；④Dr2危巖體監(jiān)測(cè)，包括變形、滲流滲壓、應(yīng)力、溫度等監(jiān)測(cè)；其中導(dǎo)流洞堵頭溫度、接縫變形、滲壓及混凝土自身體積變形監(jiān)測(cè)儀器全部失效性。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)狀

索風(fēng)營(yíng)水電站樞紐工程建筑物安全監(jiān)測(cè)設(shè)施齊全，測(cè)點(diǎn)分布較廣，監(jiān)測(cè)儀器種類(lèi)多，監(jiān)測(cè)儀器于2003年3月開(kāi)始埋設(shè)，隨著時(shí)間的推移，各部位的監(jiān)測(cè)儀器均有不同程度的損壞和失效。于2019年和2020年7月兩次對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行鑒定和篩選。

經(jīng)鑒定，大壩、引水隧洞、尾水隧洞、地下廠房洞室、邊坡、危巖體和堆積體等部位共埋設(shè)各類(lèi)觀測(cè)儀器1626支儀器，其中已完成監(jiān)測(cè)使命的施工期觀測(cè)儀器有308支、永久觀測(cè)儀器有1318支。當(dāng)前合格永久觀測(cè)儀器有956支，失效永久觀測(cè)儀器有362支(58支需要修復(fù))，久觀測(cè)儀器完好率72.53%，修復(fù)后永久觀測(cè)儀器完好率為76.93%。

2.3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀

(1)內(nèi)觀儀器自動(dòng)化現(xiàn)狀

前自動(dòng)化系統(tǒng)工程共接入儀器有701支，其中樞紐建筑物接入自動(dòng)化儀器數(shù)量597支，Dr2危巖體接入自動(dòng)化儀器數(shù)量104支。僅占埋設(shè)儀器總數(shù)量的46.80%。

(2)外觀儀器自動(dòng)化現(xiàn)狀

目前，外觀主要通過(guò)人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度不高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能實(shí)時(shí)掌握建筑物和邊坡外觀變形情況。

(3)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集模塊現(xiàn)狀

索風(fēng)營(yíng)水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)共使用自動(dòng)化系統(tǒng)模塊27塊(其中差阻式7塊，弦式20塊)。其中5#BCZ測(cè)站模塊因雷擊原因?yàn)闊龎?，其余測(cè)站模塊損壞主要是因?yàn)闇y(cè)站環(huán)境潮濕造成模塊失效。未失效的21塊模塊，除Dr2危巖體測(cè)站的4個(gè)模塊性能穩(wěn)定外，其余模塊穩(wěn)定性及可靠性較差，運(yùn)行期間故障率較高，而且由于產(chǎn)品更新?lián)Q代，目前已無(wú)合適備品備件，造成現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)基本處于停止運(yùn)行狀態(tài)。

(4)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化通訊系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前索風(fēng)營(yíng)水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用光端機(jī)和雙模光纜構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，存在傳輸距離短，信號(hào)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。另外，Dr2危巖體在實(shí)施自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)仍處于加固處理施工期，測(cè)站觀測(cè)房位置在施工期未能確定，通訊光纜暫時(shí)牽引至預(yù)估的位置，最終實(shí)施測(cè)站觀測(cè)房位置與預(yù)估位置存在偏差，造成光端機(jī)安置在測(cè)站外面，經(jīng)常損壞。

(5)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化電源現(xiàn)狀

目前自動(dòng)化系統(tǒng)的交流電源主要從右岸中控樓和壩頂啟閉機(jī)室接入。壩頂啟閉機(jī)室的電源主要為2#BCZ和781廊道測(cè)站供電，中控室的電源為1#BCZ、3#BCZ、4#BCZ、5#BCZ、1#CCZ、2#CCZ、5#施工支洞測(cè)站和Dr2危巖體測(cè)站供電。

(6)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化觀測(cè)站現(xiàn)狀

1#BCZ測(cè)站、3#BCZ測(cè)站環(huán)境較潮濕；5#施工支洞測(cè)站沒(méi)有修建測(cè)站，模塊直接放在洞內(nèi)邊墻，環(huán)境較潮濕；781測(cè)站內(nèi)較潮濕；1#CCZ測(cè)站空間較窄；其余測(cè)站運(yùn)行工況較好。

(7)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化硬件、軟件現(xiàn)狀

現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件、軟件參數(shù)指標(biāo)低，人機(jī)交互界面復(fù)雜，服務(wù)器和工作計(jì)算機(jī)使用年限較長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，操作系統(tǒng)為windows XP，無(wú)法升級(jí)，存在安全漏洞，采集主機(jī)有藍(lán)屏現(xiàn)象。

2.4 改造的必要性

(1)索風(fēng)營(yíng)水電站監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行將近8年，目前整體老化，部分測(cè)站采集模塊出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。由于產(chǎn)品更新?lián)Q代，廠家無(wú)同類(lèi)型采集模塊的備品備件，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，致使整個(gè)系統(tǒng)平有效數(shù)據(jù)缺失率較高。

(2)Dr2危巖體部分儀器由于雷擊導(dǎo)致?lián)p壞，且測(cè)站內(nèi)無(wú)電源；另外整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雙模光纜出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定現(xiàn)象，需進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)防雷、供電及通訊系統(tǒng)。

(3)索風(fēng)營(yíng)水電站大壩安全監(jiān)測(cè)共埋設(shè)傳感器類(lèi)儀器1498支(不包含外觀監(jiān)測(cè)儀器)，其中只有701支儀器進(jìn)入自動(dòng)化，僅占大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的46.80%(不統(tǒng)計(jì)外觀)，大部分儀器采用人工觀測(cè)，觀測(cè)人員工作量大，不能及時(shí)全面掌握大壩安全監(jiān)測(cè)情況。

(4)右岸中心站、管理站內(nèi)服務(wù)器、電腦等設(shè)備已使用將近8 a，運(yùn)行緩慢，已超過(guò)設(shè)備折舊年限，需更換。

(5)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源行動(dòng)計(jì)劃、水電智慧能源行動(dòng)計(jì)劃、水電“十三五”規(guī)劃中的“互聯(lián)網(wǎng)+”智能水電站建設(shè)均從國(guó)家和行業(yè)角度提出了促進(jìn)源生產(chǎn)、建設(shè)智能化的要求。開(kāi)展數(shù)字水電廠示范建設(shè)，構(gòu)建華電集團(tuán)數(shù)字水廠技術(shù)體系，對(duì)于提升水電存量資產(chǎn)的最大安全性、經(jīng)濟(jì)以及先進(jìn)性具有重廠意義。

目前索風(fēng)營(yíng)水電站監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀不符合目前倡導(dǎo)的“數(shù)字化電廠”的要求。

綜上所述，對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造是必要的。

3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造方案

3.1 原自動(dòng)化系統(tǒng)處理方案

(1)中心站硬件軟件處理

現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)硬件、軟件參數(shù)指標(biāo)低，人機(jī)交互界面復(fù)雜，服務(wù)器和工作計(jì)算機(jī)使用年限較長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，操作系統(tǒng)為windows XP，無(wú)法升級(jí)，存在安全漏洞，采集主機(jī)有藍(lán)屏現(xiàn)象。需要更換服務(wù)器和工作計(jì)算機(jī)，并安裝最新的工作軟件。

(2)采集模塊處理

Dr2危巖體測(cè)站的4個(gè)模塊繼續(xù)使用，其余采集模塊需要更換。舊自動(dòng)化系統(tǒng)的采集模塊安裝箱，大部分外觀完好，盡量保留，做好防銹防潮處理。

(3)通訊系統(tǒng)處理

目前索風(fēng)營(yíng)水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用光端機(jī)和雙模光纜構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，存在傳輸距離短，信號(hào)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

本次自動(dòng)化系統(tǒng)改造將光端機(jī)和雙模光纜更換為傳輸距離長(zhǎng)、信號(hào)穩(wěn)定的以太網(wǎng)光纖交換機(jī)和單模光纜。

(4)電源系統(tǒng)處理

目前的交流電源系統(tǒng)除Dr2危巖體測(cè)站無(wú)法正常供電外，其余測(cè)站均能正常供電，本次自動(dòng)化系統(tǒng)改造將保留現(xiàn)有正常供電的線路，僅對(duì)局部老化線路進(jìn)行更換。

原自動(dòng)化系統(tǒng)在中心站布置2套UPS(含8塊電池組)，在庫(kù)房備用有1套UPS，這3套UPS均能正常使用，本次改造將繼續(xù)保留使用。

3.2 改造后監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)總體構(gòu)成

改造后的自動(dòng)化系統(tǒng)[5-7]由892支監(jiān)測(cè)儀器(不含外觀自動(dòng)化測(cè)點(diǎn))、40個(gè)自動(dòng)化采集模塊、11個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)站、右岸中心測(cè)站、2#營(yíng)地后方管理站、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和自動(dòng)化采集、管理軟件組成。改造后的自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

3.3 通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)按三級(jí)設(shè)置，即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、右岸中心站和2#營(yíng)地后方管理站。結(jié)合索風(fēng)營(yíng)水電站工程樞紐監(jiān)測(cè)布置特點(diǎn)，各系統(tǒng)之間通信方式規(guī)劃見(jiàn)圖1。

圖1 索風(fēng)營(yíng)水電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

(1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站(放置數(shù)據(jù)采集裝置，簡(jiǎn)稱MCU)與傳感器之間，鑒于各類(lèi)型數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置均有自己的通信方式，且不影響系統(tǒng)總體功能，只要滿足能有效采集索風(fēng)營(yíng)工程各類(lèi)監(jiān)測(cè)傳感器的信號(hào)即可。

(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和右岸中心站之間，其通信方式根據(jù)建筑物的監(jiān)測(cè)布置和監(jiān)測(cè)管理站的設(shè)置綜合考慮。

1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與右岸中心站之間主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)光纖交換機(jī)和單模光纖構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)通信、抗電磁干擾和雷暴，從而保證系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行，且易于維護(hù)和擴(kuò)展。

2)DR2危巖體和卞家寨GNSS儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用無(wú)線通訊模塊與右岸中心站連接，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳輸?shù)街行恼静杉?jì)算機(jī)上。

3)DR2危巖體頂部監(jiān)測(cè)儀器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)以無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)接野吨行恼静杉?jì)算機(jī)上。

4)表面觀測(cè)墩和測(cè)斜孔等外觀設(shè)備通過(guò)人工讀取數(shù)據(jù)導(dǎo)入中心站采集計(jì)算機(jī)上；真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)光纜與右岸中心站連接，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼静杉?jì)算機(jī)上。

(3)2#營(yíng)地后方管理站和右岸監(jiān)測(cè)中心站之間，通過(guò)公司內(nèi)部局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、快速傳輸。

3.4 電源設(shè)計(jì)

(1)交流電源線的牽引及布設(shè)

考慮到Dr2危巖體930測(cè)站(原Dr2危巖體測(cè)站)經(jīng)常斷電，本次自動(dòng)化系統(tǒng)改造，從右岸中控樓為Dr2危巖體930測(cè)站牽引專(zhuān)用電源線，不再與5#BCZ共用電源線。改造后的自動(dòng)化系統(tǒng)交流電源仍然是主要從右岸中控樓和壩頂啟閉機(jī)室接入。壩頂啟閉機(jī)室的電源主要為2#BCZ和781廊道測(cè)站供電，中控室的電源為1#BCZ、3#BCZ、4#BCZ、5#BCZ、1#CCZ、2#CCZ、5#施工支洞測(cè)站和Dr2危巖體930測(cè)站供電。

(2)太陽(yáng)能供電

本次監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造，在Dr2危巖體頂部新增一個(gè)測(cè)站，將危巖體頂部散布的監(jiān)測(cè)儀器納入自動(dòng)化系統(tǒng)?？紤]到Dr2危巖體頂部與壩頂?shù)母卟钶^大，從中控室架設(shè)交流電線路至危巖體頂部難度大，而且容易造成感應(yīng)雷破壞，危巖體頂部測(cè)站采用太陽(yáng)能電池板供電。

(3)不間斷電源(UPS)配置

右岸中心站繼續(xù)使用原自動(dòng)化系統(tǒng)的2套容量3 kVA的UPS(含8塊電池組)，保證交流電斷電后維持系統(tǒng)正常運(yùn)行不小于72小時(shí)。

2#營(yíng)地后方管理站配置一套容量3 kVA的UPS，保證交流電斷電后維持系統(tǒng)正常運(yùn)行不小于72小時(shí)。

3.5 自動(dòng)化系統(tǒng)采集及管理軟件

(1)自動(dòng)化系統(tǒng)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件是一套圖視化的窗口軟件，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均可顯示在布置圖上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，同時(shí)布置圖上的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)又與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置的對(duì)應(yīng)儀器相通，因此操作和選擇屏幕布置圖上的測(cè)點(diǎn)或采集模塊就可以完成對(duì)該測(cè)點(diǎn)或模塊的數(shù)據(jù)采集、換算、處理、入庫(kù)等全部過(guò)程。

采集軟件功能主要包括：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)通訊等。

(2)自動(dòng)化系統(tǒng)管理軟件

1)安全信息管理系統(tǒng)具有對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其它有關(guān)大壩安全的信息進(jìn)行自動(dòng)獲取、存儲(chǔ)、加工處理和輸入輸出，并且為數(shù)據(jù)分析軟件提供完備的數(shù)據(jù)接口，以便利用大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和各種大壩安全信息對(duì)大壩性態(tài)作出分析判斷。

2)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)得到的分析結(jié)果還可以反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用該接口，就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)監(jiān)控工程安全性態(tài)。

4 結(jié)論和建議

經(jīng)過(guò)全面改造后，索風(fēng)營(yíng)水電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，可以更好地對(duì)樞紐建筑物性態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。另外，改造后的系統(tǒng)與原系統(tǒng)保持了數(shù)據(jù)的連續(xù)性，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測(cè)取更加可靠。整個(gè)索風(fēng)營(yíng)水電站監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造達(dá)到了預(yù)期的效果，其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及自動(dòng)化系統(tǒng)改造工作所取得的成果可以為類(lèi)似工程提供借鑒。