錦屏水電站監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉滿江，陳　平，田　超（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉滿江，陳平，田超（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)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(gè)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(kuò)大，為評判工程各部位工作形態(tài)，保證工程施工和運(yùn)行安全提供了更為翔實(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時(shí)，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(shí)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(diǎn)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，現(xiàn)場情況多變，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，實(shí)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(dá)，建立了監(jiān)測預(yù)測預(yù)報(bào)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(jì)；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(bǔ)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(jī)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(shí)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(jī)容量4800MW，單機(jī)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(shí)5048h，是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)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(jì)劃于2013年8月首臺機(jī)組發(fā)電，2015年3月工程完工。錦屏二級水電站籌建期項(xiàng)目于2003年初開始陸續(xù)施工，2005年12月通過可行性研究報(bào)告審查，項(xiàng)目申請報(bào)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(jī)組發(fā)電，2015年9月底計(jì)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(xiàng)目，2015年底完成自動化系統(tǒng)的建設(shè)并投入運(yùn)行。實(shí)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(yùn)行的基本目標(biāo)。

2　監(jiān)測自動化系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)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(jìn)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(jì)，錦屏一級、二級接入自動化系統(tǒng)的監(jiān)測儀器測點(diǎn)超過12000支，儀器測點(diǎn)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(yuǎn)離強(qiáng)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(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集裝置并進(jìn)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(jī)的相關(guān)指令及對數(shù)據(jù)采集裝置下達(dá)控制指令，布置于獨(dú)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(jìn)行集中統(tǒng)一管理，且通過安全分析評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算機(jī)相關(guān)控制指令，最后進(jìn)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(jìn)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(shí)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(dú)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(shí)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(yùn)行對所在地區(qū)乃至整個(gè)流域內(nèi)的人民生命、財(cái)產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)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(gè)，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(yàn)，一個(gè)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(yùn)行維護(hù)困難，設(shè)備故障難以管控，同時(shí)信息流設(shè)計(jì)不合理容易帶來網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(yùn)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(yàn)，采用實(shí)時(shí)選取各系統(tǒng)中全部測點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)測量的方法進(jìn)行對比測試，引入NDA8001測量并返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間較不引入NDA8001所測量并返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)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(jì)成以若干個(gè)NDA8001直接管理的獨(dú)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(gè)系統(tǒng)的并行運(yùn)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(gè)別節(jié)點(diǎn)或子網(wǎng)引起的故障可得到有效限制，同時(shí)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(hù)性及運(yùn)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(jī)層采用NDA8001網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對比圖

2.3強(qiáng)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(jì)、安裝了強(qiáng)震自動化監(jiān)測系統(tǒng)。但僅靠強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)無法獲取反映工程安全設(shè)計(jì)及運(yùn)行的全面信息，采取強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動運(yùn)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(shí)施了與大壩強(qiáng)震動系統(tǒng)自動觸發(fā)觀測功能，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，地震烈度大于Ⅱ度時(shí)，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(yùn)行狀況的第一手資料，有效驗(yàn)證、支撐工程抗震設(shè)計(jì)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(jìn)行分層、分區(qū)將整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大提高，并通過進(jìn)一步優(yōu)化NDA8001的NDA配置數(shù)量，把整個(gè)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(yùn)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(gè)配電房內(nèi)設(shè)備進(jìn)行斷電檢修，且斷電時(shí)間較長，極大地影響了大壩自動化的正常運(yùn)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?？紤]大壩進(jìn)水口電源點(diǎn)（壩頂右岸觀測房電源點(diǎn)）和大壩壩體內(nèi)電源點(diǎn)不會同時(shí)斷電檢修的情況，采用雙路電源開關(guān)將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源，以保證在一個(gè)電源點(diǎn)斷電時(shí)，另外一個(gè)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(diǎn)和壩頂控制樓電源點(diǎn)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(gè)電源點(diǎn)斷電時(shí)，另一個(gè)電源點(diǎn)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(diǎn)分別與壩頂右岸觀測房電源點(diǎn)組成雙電源為各廊道監(jiān)測站進(jìn)行供電；

（3）兩兩電源點(diǎn)連接到一個(gè)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(jìn)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(yùn)行效果

錦屏電站自動化實(shí)施后，數(shù)據(jù)采集密度可以達(dá)到1次/s，采集數(shù)據(jù)完整率達(dá)95%以上，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化管理、數(shù)據(jù)快速查詢，數(shù)據(jù)異常報(bào)警等功能，大大節(jié)省人工工作量。為整個(gè)電站安全運(yùn)行提供及時(shí)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(shí)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(yùn)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(gè)典范，具有極強(qiáng)的推廣價(jià)值。整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)、社會效益突出，具有較強(qiáng)的借鑒價(jià)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(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電氣應(yīng)用，2012，02.

［3］魏世玉，劉 星，郜 強(qiáng)，青 舟.自動化監(jiān)測模式下報(bào)表輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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