微功耗大壩安全監(jiān)測(cè)通用無線現(xiàn)地單元應(yīng)用實(shí)踐

陸緯 儲(chǔ)華平 李東 吳健琨

摘要：大壩安全監(jiān)測(cè)通用無線數(shù)據(jù)采集現(xiàn)地單元的監(jiān)測(cè)手段具有微功耗、體積小、易布設(shè)和采取多級(jí)防護(hù)等特點(diǎn)。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(cè)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(cè)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(jìn)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(shí)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(cè)點(diǎn)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(cè);微功耗

中圖法分類號(hào)：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(cè)是對(duì)大壩施工過程和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視的一種必要手段。目前，大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)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(hào)，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(jì)算機(jī)[1]。

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

針對(duì)這一問題，研究并設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)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(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)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(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)。

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(yùn)等綜合效益。工程等級(jí)為I等大（一）型，最大壩高82 m。水庫(kù)正常蓄水位250.00 m，死水位235.00 m，正常蓄水時(shí)庫(kù)容12.49億m3，校核洪水位252.43 m，總庫(kù)容13.84億m3，電站總裝機(jī)容量830 MW（其中生態(tài)放水小機(jī)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(cè)孔，需要采集相關(guān)地下水水位高程信息。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

托口水電站河灣地塊地下水安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在具體實(shí)施中存在一些問題，對(duì)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(cè)孔分布較廣，各觀測(cè)孔間距離在幾百米以上，難以實(shí)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(cè)點(diǎn)與中心機(jī)房距離遠(yuǎn)，且存在沿途土地權(quán)屬問題，難以在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)孔基本都處于野外林深草密處，夏季林木枝葉可能會(huì)完全遮擋住太陽(yáng)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(duì)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(duì)安全監(jiān)測(cè)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(hù)是安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊的必要組成部分。除傳感器外，對(duì)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(hù)措施[2]。

（5）區(qū)域內(nèi)多處測(cè)點(diǎn)處于暴露狀態(tài)，夏天陽(yáng)光暴曬，雨季潮濕悶熱，部分測(cè)點(diǎn)位置人跡罕至、難以到達(dá)，因此對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)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(duì)主要技術(shù)實(shí)施難點(diǎn)，新引入的河灣地塊地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)模塊作為現(xiàn)地單元進(jìn)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(jī)軟件，構(gòu)成新型微功耗無線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：

（1）以高精度振弦式滲壓計(jì)為地下水水位測(cè)量?jī)x器。數(shù)據(jù)采集模塊就近布設(shè)于各地下水觀測(cè)孔并接入滲壓計(jì)，大大減少了儀器線纜的長(zhǎng)度。同時(shí)每個(gè)測(cè)點(diǎn)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(gè)通道損壞時(shí)有可供替換的備用通道繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。模塊電路板見圖1。

（2）數(shù)據(jù)接收端的中心計(jì)算機(jī)接入因特網(wǎng)后均可實(shí)現(xiàn)接收測(cè)控裝置發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[3]。經(jīng)過實(shí)地測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)處均有GPRS公網(wǎng)信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度各異，故系統(tǒng)采用基于公網(wǎng)GPRS信號(hào)的無線傳輸方案。針對(duì)受所在地地理位置限制、個(gè)別測(cè)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度較弱的情況，采用了增強(qiáng)型天線作為有效應(yīng)對(duì)措施，實(shí)際使用中效果良好，可以有效保障獲取的信號(hào)強(qiáng)度。整個(gè)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)呈星型分布式架構(gòu)，每個(gè)測(cè)量模塊接入一支傳感器獨(dú)立工作，一個(gè)測(cè)點(diǎn)模塊的損壞或失效不影響其他測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的正常上報(bào)。同時(shí)，因雙網(wǎng)隔離需要，相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)先遠(yuǎn)程傳送至長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)方案見圖2。

（3）數(shù)據(jù)采集模塊采用智能電源分配控制?？刂破髦悄苄菝叽龣C(jī)模式可有效降低模塊的整體運(yùn)行功耗，節(jié)省大量電力?，F(xiàn)地單元整體待機(jī)電流30 μA以下，僅依靠配備小功率、小面積太陽(yáng)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(yáng)能板工作至少1a。

（4）在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，除了電源和對(duì)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(jì)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(jìn)行隔離，同時(shí)配備氣體放電管及瞬變抑制管對(duì)螺絲固定孔連接的箱體進(jìn)行有效放電。實(shí)際安裝時(shí)，立桿與箱體進(jìn)行連接可有效導(dǎo)電放電，立桿根基處設(shè)置簡(jiǎn)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(shí)、快速泄放電荷，具體見圖3。另外，箱體通過接地線與測(cè)點(diǎn)防雷接地樁連接，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置4個(gè)接地樁，實(shí)測(cè)接地電阻均小于10Ω。

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

1.4 應(yīng)用效果

由于很多測(cè)點(diǎn)處于植被茂密處，太陽(yáng)能電板會(huì)被部分或完全遮擋，同時(shí)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(chǎng)測(cè)量模塊采用睡眠定時(shí)喚醒或設(shè)置相應(yīng)的窗口時(shí)間。在窗口時(shí)間對(duì)GPRS通信模塊進(jìn)行設(shè)置，可保證模塊在需要的時(shí)間段保持實(shí)時(shí)在線，便于隨時(shí)對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行測(cè)量;還可對(duì)模塊在線時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)置，通過斷電或使其進(jìn)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(yùn)，運(yùn)行期間總體較為穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度滿足監(jiān)測(cè)要求。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝地區(qū)為南方高山密林地區(qū)，運(yùn)行過程中常出現(xiàn)長(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)中斷、丟失等現(xiàn)象。經(jīng)多次人工觀測(cè)校核，自動(dòng)化地下水水位測(cè)量精度及變化趨勢(shì)符合現(xiàn)場(chǎng)客觀事實(shí)，滿足電站的觀測(cè)要求。

運(yùn)行2 a間，相關(guān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)化測(cè)得地下水位與庫(kù)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(yùn)、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(jī)容量42萬(wàn)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(gè)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(jì)壩頂高程73.5 m，最大壩高 63.5 m，壩頂長(zhǎng)590.75 m。主壩部分安全監(jiān)測(cè)設(shè)備采用了南京水利水文自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的DG-2000型分布式大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，于2004 年投運(yùn)。2017年進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)及大部分監(jiān)測(cè)儀器的升級(jí)改造，改造后的系統(tǒng)由分布在主壩區(qū)的監(jiān)測(cè)儀器（273支）、微功耗現(xiàn)地測(cè)控裝置、中央機(jī)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(cè)控裝置共25臺(tái)，分別安裝在6個(gè)觀測(cè)房里。

現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)觀測(cè)房分別接入2～8臺(tái)的16通道微功耗現(xiàn)地測(cè)控裝置，所有觀測(cè)房均采用12V/30W太陽(yáng)能電板及12V/100Ah鉛酸蓄電池進(jìn)行供電，同時(shí)通過光纜與中心機(jī)房的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行有線通信。所有現(xiàn)場(chǎng)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(cè)控裝置，觀測(cè)房?jī)?nèi)布置如圖6所示。

柘林主壩兩側(cè)壩肩上個(gè)別土位移計(jì)極易遭受雷擊。由于安裝現(xiàn)場(chǎng)的地形地勢(shì)處于最高點(diǎn)的突出位置，自儀器埋設(shè)運(yùn)行以來多次遭受雷擊而損壞，微功耗現(xiàn)地測(cè)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(jì)的鋼弦也被擊斷，嚴(yán)重時(shí)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(tái)E1土位移計(jì)等測(cè)點(diǎn)為例，在2017年陸續(xù)發(fā)生4～5起防雷模塊及土位移計(jì)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(chǎng)受雷擊影響嚴(yán)重。

經(jīng)相關(guān)技術(shù)改進(jìn)，在山頂?shù)耐廖灰朴?jì)與半山腰的現(xiàn)地測(cè)控裝置之間架設(shè)防雷器，即將中間線纜兩端進(jìn)行防雷器接地保護(hù)。儀器線纜進(jìn)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(jìn)行大電流的泄放;另一端線纜進(jìn)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(chǎng)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(shí)間使用，在2018年3～8月，E1測(cè)點(diǎn)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(jìn)。

2.3 解決方案

針對(duì)柘林現(xiàn)場(chǎng)個(gè)別測(cè)點(diǎn)的防雷技術(shù)難點(diǎn)，新引入的微功耗無線通用安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)地單元采用單通道一體化設(shè)計(jì)，待機(jī)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(jìn)行可視范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(bǔ)充，可解決個(gè)別易遭受雷擊測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取問題，主要有如下特點(diǎn)：

（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(jiǎn)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(shí)際安裝時(shí)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(shí)不上電，相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊待機(jī)也采用低功耗睡眠模式。一般定時(shí)喚醒到點(diǎn)測(cè)量報(bào)數(shù)或設(shè)置相應(yīng)的通信窗口時(shí)間，在定時(shí)測(cè)報(bào)或窗口時(shí)間通信模塊上電組網(wǎng)，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。定時(shí)測(cè)報(bào)或窗口時(shí)間結(jié)束，通信模塊掉電的同時(shí)，采集模塊也進(jìn)入睡眠待機(jī)模式。因整個(gè)現(xiàn)地單元平時(shí)待機(jī)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(cè)點(diǎn)均處于與數(shù)據(jù)采集中心機(jī)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(tái)E1土位移計(jì)等測(cè)點(diǎn)應(yīng)用微功耗單點(diǎn)無線現(xiàn)地采集單元配備LoRa終端，中心機(jī)房計(jì)算機(jī)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(yàn)，各測(cè)點(diǎn)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，每天定時(shí)測(cè)報(bào)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(cè)點(diǎn)長(zhǎng)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(guó)家移動(dòng)通信公網(wǎng)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大及數(shù)據(jù)服務(wù)價(jià)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(kù)大壩工程監(jiān)測(cè)及大壩除險(xiǎn)加固系統(tǒng)升級(jí)改造等項(xiàng)目將會(huì)采用無線技術(shù)組網(wǎng)。同時(shí)，隨著傳感器技術(shù)的突飛猛進(jìn)，相關(guān)采集設(shè)備對(duì)通用性的要求也在不斷提高。在進(jìn)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(cè)、地下水信息化平臺(tái)的建設(shè)等方面，微功耗分布式通用安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與無線傳輸技術(shù)的有效結(jié)合將會(huì)成為重要的應(yīng)用方向之一。

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（編輯：李曉濛）