蒲石河抽水蓄能電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計

李俊富，姜盛吉，于秀蓮，王曉麗，劉 洋，韓洪濤

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概述

蒲石河抽水蓄能電站為一等工程，工程規(guī)模為大 （1）型。樞紐主要建筑物的級別均為1級，其中包括上、下水庫的大壩、下水庫泄洪排沙閘、廠房輸水系統(tǒng)，次要建筑物為3級建筑物。

上庫壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩長714.0 m，最大壩高78.5 m，總庫容為1 238萬m3。下庫為混凝土重力壩，壩長336.0 m，最大壩高34.1 m。地下廠房主廠房開挖尺寸為165.8 m×22.7 m×55.60 m （長×寬×高）， 主變洞為 132.6 m×22.4 m×24.4 m （長×寬×高）。

2 安全監(jiān)測項目設(shè)置

根據(jù)工程的特點、建筑物的結(jié)構(gòu)，安全監(jiān)測的項目主要包括3大部分。

（1）上庫安全監(jiān)測。上庫安全監(jiān)測包括①面板堆石壩表面變形監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容為壩頂及下游壩坡的水平位移與垂直位移監(jiān)測；②堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容為施工期和運行期堆石體內(nèi)部的水平和垂直位移監(jiān)測； ③混凝土面板變形監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容為面板撓度、面板與墊層間脫空、面板接縫 （周邊縫、板間垂直縫）開合度及剪切變形監(jiān)測； ④混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力；⑤滲流監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括壩體和壩基滲透壓力、滲流量、繞壩滲流；⑥上庫庫周地下水位監(jiān)測。

（2）下庫安全監(jiān)測。下庫安全監(jiān)測包括：①混凝土壩壩頂外部變形監(jiān)測，包括壩頂水平位移與垂直位移監(jiān)測；②滲流監(jiān)測，包括壩基揚壓力、滲流量、繞壩滲流；③預(yù)應(yīng)力閘墩錨索監(jiān)測。

（3）地下廠房及輸水系統(tǒng)安全監(jiān)測。地下廠房及輸水系統(tǒng)安全監(jiān)測包括：①結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測；②結(jié)合縫開度監(jiān)測；③巖體變形監(jiān)測；④巖體滲透壓力監(jiān)測；⑤滲漏量監(jiān)測；⑥巖體錨固效果監(jiān)測。

3 設(shè)計目標

根據(jù) 《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》、 《大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)實用化驗收細則》等文件并結(jié)合國內(nèi)、國際工程安全監(jiān)測自動化發(fā)展現(xiàn)狀，對蒲石河抽水蓄能電站工程安全監(jiān)測提出的目標要求如下：

（1）實現(xiàn)成熟可靠的自動化觀測系統(tǒng)。

（2）開發(fā)完善的自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（3）開發(fā)完善的遠程測控系統(tǒng)，通過在現(xiàn)場辦公區(qū)設(shè)立遠程監(jiān)測管理中心站及在長春設(shè)立遠程維護中心站，實現(xiàn)樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的遠程監(jiān)測、遠程管理及遠程維護功能。

（4）建立完善的數(shù)據(jù)管理體系。

（5）完成樞紐結(jié)構(gòu)性態(tài)及安全監(jiān)控指標的研究、確立及在線分析檢驗，實現(xiàn)資料分析的自動化。

（6）與電廠MIS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)整編結(jié)果的Web發(fā)布。

4 自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

蒲石河抽水蓄能電站目前埋設(shè)的所有電測式一次傳感器均可通過加裝相應(yīng)的DAU以實現(xiàn)自動化觀測。設(shè)計中的部分安全監(jiān)測項目其本身就已實現(xiàn)了自動化觀測 （如：下庫壩的真空激光準直變形系統(tǒng)），因此設(shè)計必需結(jié)合現(xiàn)有的自動化監(jiān)測項目，統(tǒng)一實施，做到經(jīng)濟實用、技術(shù)可靠。

4.1 自動化采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

4.1.1 監(jiān)測站布置

上庫壩共建設(shè)6座監(jiān)測站，其中1座位于壩體右岸 （編號為GCZS1），5座位于壩體下游側(cè)馬道上（按其高程及由右至左順序分別編號為GCZS2～GCZS6）。

下庫壩共建設(shè)2座監(jiān)測站，也是真空激光準直系統(tǒng)的發(fā)射端控制室與接收端控制室。按其由右至左順序分別編號為GCZX1～GCZX2。

下庫壩外部變形觀測項目采用真空激光準直變形系統(tǒng)觀測壩頂?shù)耐獠克轿灰婆c垂直位移，共有測點25個 （21個真空激光測點，2個倒垂線測點，2個雙金屬標測點）。由于真空激光準直系統(tǒng)是一套比較完善及成熟的變形觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝完成后即具備自動化觀測功能。

地下廠房及輸水系統(tǒng)共建設(shè)1座監(jiān)測站，編號為GCZD1。

4.1.2 監(jiān)測站儀器引入統(tǒng)計

上庫壩、下庫壩及地下廠房的可自動化觀測項目及測點數(shù)量見表1，根據(jù)各儀器引入相應(yīng)監(jiān)測站內(nèi)的數(shù)量及類型確定實施自動化所需的DAU類型及數(shù)量。

表1 GCZS1監(jiān)測站儀器設(shè)置

上述儀器均為振弦式傳感器，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，確定采用MCD-432型DAU實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集。

4.1.3 上庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

上庫壩的6個監(jiān)測站均安裝1臺RS485光電轉(zhuǎn)換器，并于GCZS1監(jiān)測站架設(shè)RS485光纖集線器，其余監(jiān)測站通過光纜集中到GCZS1監(jiān)測站，完成上庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)的通訊線路構(gòu)建。

上庫壩為面板堆石壩，自動化系統(tǒng)的防雷問題非常嚴重，通過加裝通訊防雷器及電源防雷器及良好的防雷接地系統(tǒng)可有效的降低系統(tǒng)的雷電破壞機率。設(shè)計在每一個監(jiān)測站均建設(shè)可靠的防雷接地（接地電阻小于10 Ω），并安裝通訊防雷器1套、B級電源防雷器1套。

上庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 上庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖

4.1.4 下庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

下庫壩2個監(jiān)測站均安裝1臺RS485光電轉(zhuǎn)換器，通過光纜集中到設(shè)置于辦公區(qū)的監(jiān)測管理站，完成上庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)的通訊線路構(gòu)建。

下庫壩設(shè)備均安裝在壩面監(jiān)測站內(nèi)，自動化系統(tǒng)的防雷問題也很嚴重，通過加裝通訊防雷器及電源防雷器及良好的防雷接地系統(tǒng)可有效的降低系統(tǒng)的雷電破壞機率。設(shè)計在每一個監(jiān)測站均建設(shè)可靠的防雷接地 （接地電阻小于10 Ω），并安裝通訊防雷器1套、B級電源防雷器1套。

下庫壩的真空激光準直系統(tǒng)采用工控機實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集，為防止系統(tǒng)因斷電原因無法進行正常觀測，設(shè)計在GCZX2監(jiān)測站內(nèi)安裝大容量UPS（6 K+12 V×20電池組）為站內(nèi)計算機、真空激光測點及其它DAU設(shè)備供電。

4.1.5 地下廠房自動化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

地下廠房1個監(jiān)測站安裝1臺RS485光電轉(zhuǎn)換器，通過光纜集中到設(shè)置于辦公區(qū)的監(jiān)測管理站，完成地下廠房自動化采集網(wǎng)絡(luò)的通訊線路構(gòu)建。

由于地下廠房位于山體內(nèi)，其自動化系統(tǒng)的防雷問題較輕，只需通過加裝通訊防雷器及電源防雷器即可有效的降低系統(tǒng)的雷電破壞機率。設(shè)計在監(jiān)測站安裝通訊防雷器1套、B級電源防雷器1套。

4.2 自動化監(jiān)測項目集成與統(tǒng)一

蒲石河抽水蓄能電站自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，一次傳感器就近接入DAU，以縮短數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)輸距離，同時減少儀器電纜使用量。采用分布式體系結(jié)構(gòu)能夠保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，即使一個測控單元出現(xiàn)問題也不會影響整個系統(tǒng)的運行。

4.2.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)集成

辦公區(qū)設(shè)立現(xiàn)場監(jiān)測管理站，安裝RS485光纖集線器，通過光纜將上庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)、下庫壩自動化采集網(wǎng)絡(luò)及地下廠房自動化采集網(wǎng)絡(luò)集中至現(xiàn)場監(jiān)測管理站。由安裝在現(xiàn)場監(jiān)測管理站的數(shù)據(jù)采集工作站完成現(xiàn)場實時自動化數(shù)據(jù)采集工作及遠程控制數(shù)據(jù)采集工作。

4.2.2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)通訊控制

測控單元與采集工作站之間采用RS485通訊總線進行通訊連接， RS485通訊采用數(shù)字量傳輸方式，用電纜連接傳輸距離可超過1 km，通過埋設(shè)光纜，傳輸距離可超過20 km，同時也防止通訊總線過長及鋪設(shè)范圍過廣產(chǎn)生的防雷問題。

考慮系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)流量較小，為保證系統(tǒng)通訊的可靠性，基于RS485通訊方式的通訊波特率暫定為2 400 b/s。

4.3 自動化系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

蒲石河抽水蓄能電站工程安全監(jiān)測管理網(wǎng)絡(luò)基于Client/Server（客戶端/服務(wù)器）工作方式搭建，樞紐現(xiàn)場設(shè)立現(xiàn)場監(jiān)測管理站。現(xiàn)場監(jiān)測管理站擬放置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站1臺、數(shù)據(jù)分析管理工作站2臺及服務(wù)器2臺，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及樞紐的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、管理及分析功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲示意見圖2所示。

圖2 監(jiān)測管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖

5 自動化軟件系統(tǒng)設(shè)計

5.1 系統(tǒng)開發(fā)工作原則

系統(tǒng)開發(fā)工作原則為：面向安全監(jiān)測工程實際的原則；確保系統(tǒng)的先進性；系統(tǒng)的通用性要求；遵循軟件工程開發(fā)的原則。

5.2 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由4個子系統(tǒng)組成。

（1）數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是整個軟件系統(tǒng)的核心，為其他子系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)服務(wù)支持，主要由原始數(shù)據(jù)庫、整編數(shù)據(jù)庫、分析數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)配置庫、模型庫、方法庫、工程資料庫等組成。

（2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括人工觀測數(shù)據(jù)輸入模塊、自動化數(shù)據(jù)采集模塊、遠程控制數(shù)據(jù)采集模塊。

（3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要包括綜合信息管理程序，能夠靈活查詢數(shù)據(jù)查詢，進行數(shù)據(jù)處理，管理工程信息，分析觀測數(shù)據(jù)圖表、模型，輸出成果的標準圖形及報表。

（4）Web發(fā)布子系統(tǒng)。WEB子系統(tǒng)主要指觀測數(shù)據(jù)Web瀏覽與查詢系統(tǒng)，主要功能為：工程安全監(jiān)測介紹；工程基本信息的存儲與網(wǎng)頁發(fā)布；工程相關(guān)資料的存儲與網(wǎng)頁發(fā)布；工程安全監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁式瀏覽、查詢及圖表統(tǒng)計；工程安全監(jiān)測成果資料的存儲與發(fā)布。

各子系統(tǒng)之間的關(guān)系見圖3所示。

6 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站由上庫壩、下庫壩、地下廠房及輸水系統(tǒng)組成，具有工程規(guī)模大，地理跨度大，工程安全監(jiān)測設(shè)置項目齊全，測點較多等特點。其自動化安全監(jiān)測設(shè)計與實施難度均較大，因此其安全監(jiān)測自動化的總體設(shè)計對于工程的順利實施非常重要。

圖3 安全監(jiān)測自動化軟件系統(tǒng)組成框圖

蒲石河抽水蓄能電站安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便，不但可以滿足蒲石河抽水蓄能電站的工程安全監(jiān)測的需要，同時也可以提高蒲石河抽水蓄能電站工程安全監(jiān)測人員的業(yè)務(wù)水平，促進蒲石河抽水蓄能電站以至全國工程安全監(jiān)測技術(shù)水平的發(fā)展。