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深溪溝水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造

文檔作者：黃會寶１文豪１彭勃２文檔來源：１．國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司庫壩管理中心２．中水東北勘測設計研究有限責任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月17日
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２０１４ 年第１２ 期
２０１４ Ｎｕｍｂｅｒ １２
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
總第１２６ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２６
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１４．１２．０１６
收稿日期：２０１４ －０７ －３０ 作者簡介：黃會寶，男，工程師，主要從事水電站水庫大壩運行管理工作。
深溪溝水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造
黃會寶１，文　豪１，彭　勃２
（１．國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司庫壩管理中心，四川樂山?。叮保矗梗埃?；
２．中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春１３００６１）
摘要：介紹深溪溝大壩原工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在運行過程中存在的主要問題，并進行了分析，提出了改造方案。對
系統(tǒng)中采集系統(tǒng)網絡結構進行了優(yōu)化，增設了防雷電設備及人工接口裝置，更換了新型的ＭＣＵ 測控裝置，有效地解決了
原系統(tǒng)運行速度慢、無人工比測模塊等問題。
關鍵詞：安全監(jiān)測；雙環(huán)自愈；自動化；遠程集控；改造
中圖分類號：ＴＰ２７：ＴＰ２７４　　　文獻標志碼：Ｂ　　　文章編號：１６７１ －３３５４（２０１４）１２ －００５０ －０４
Renovation of Automatic Safety Monitoring System in
Shenxigou Hydropower Station
ＨＵＡＮＧ Ｈｕｉｂａｏ１ ， ＷＥＮ Ｈａｏ１ ， ＰＥＮＧ Ｂｏ２
（１．Ｄａｍ ａｎｄ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｇｕｏｄｉａｎ Ｄａｄｕ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ ．， Ｌｔｄ．， Ｌｅｓｈａｎ ６１４９００， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｈｉｎａ Ｗａｔｅｒ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏ ．， Ｌｔｄ．， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００６１， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｓｈｅｎｘｉｇｏｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ
Ｓｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ．Ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｒｅ ａｄｄｅｄ ．Ｔｈｅ ＭＣＵ ｔｒａｃｋｉｎｇ
ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ｎｅｗ ｍｏｄｅｌ ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ， ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｌｄ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ
ｌａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｍａｎｕａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ ａｒｅ ｓｏｌｖｅｄ ． Key words： ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｄｏｕｂｌｅ-ｌｏｏｐ ｓｅｌｆ-ｈｅａｌｉｎｇ； ａｕｔｏｍａｔｉｃ； ｒｅｍｏｔｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ
　　深溪溝水電站為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電
站，是一座以發(fā)電為主的樞紐工程。該工程由左岸泄
洪閘、排污閘、右岸河床式發(fā)電廠房、右岸泄洪沖沙洞
等建筑物組成，最大壩高１０６ ｍ，水庫正常蓄水位為
６６０．００ ｍ，總庫容３ ２００ 萬ｍ３ ，具有日調節(jié)能力，電站
安裝４ 臺單機容量為１６５ ＭＷ 的軸流轉槳式水輪發(fā)電
機組，總裝機容量６６０ ＭＷ，多年平均年發(fā)電量３２．３５
億ｋＷ· ｈ。該工程于２００６ 年４ 月開工建設，２００７ 年
１１ 月截流，２０１０ 年６ 月下閘蓄水首臺機組投產發(fā)電，
２０１２ 年１０ 月通過工程竣工安全鑒定。
根據(jù)深溪溝水電站工程所處地形、水文地質條件、
建設規(guī)模、地震設防烈度及其樞紐建筑物布置和運行
特點，對工程合理布設可靠的監(jiān)測系統(tǒng)。工程建設期，
由武漢理工大學負責建設完成了深溪溝水電站工程安
全監(jiān)測自動化系統(tǒng)（以下簡稱：原系統(tǒng)）。系統(tǒng)由監(jiān)測
儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、通訊設備、監(jiān)測計算機及外部設
備、數(shù)據(jù)采集軟件、信號及控制線路、通信及電源線路
等組成，設ｌ 個監(jiān)測管理中心站和５ 個監(jiān)測站，使用多
臺ＲＳ －４８５ 光電轉換器簡單并聯(lián)組網，實施自動化監(jiān)
測。本文對原系統(tǒng)存在的問題進行了分析，進出了改
造方案。
１　原系統(tǒng)存在的問題及改造的必要性
１）原系統(tǒng)故障率頻發(fā)，無法滿足壩工管理要求。
原系統(tǒng)建成后，因測量控制單元故障、電路板銹蝕、無
防雷電設備、通訊光纜多處斷裂等問題，系統(tǒng)故障頻
發(fā)，所有監(jiān)測內容均以人工觀測為主，工作量大、觀測
周期長、數(shù)據(jù)后期處理繁瑣，尤其在特殊工況下（如洪
５０
黃會寶，等：深溪溝水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造２０１４ 年１２ 月
水、暴雨、地震等） 加密觀測更是人工無法及時完
成的。
２）原系統(tǒng)無遠程監(jiān)控功能，信息無法異地備份。
原系統(tǒng)基于本地局域網實現(xiàn)工程區(qū)內的自動化監(jiān)測，
無法實現(xiàn)管理人員異地自動化控制，與集中、高效的運
行管理要求不相適應。每次實時采集數(shù)據(jù)均需要到電
站現(xiàn)場操控服務器才能完成。同時，原系統(tǒng)采集服務
器均布置在工程現(xiàn)場，無監(jiān)測數(shù)據(jù)異地備份功能，一旦
發(fā)生故障或突發(fā)災害，數(shù)據(jù)極易造成丟失。
３）原系統(tǒng)采用簡單并聯(lián)的采集網絡設置，采集效
率低。原系統(tǒng)中央控制方式下采集監(jiān)測數(shù)據(jù)等命令發(fā)
出后，系統(tǒng)自動進行逐點逐個依次測量，通訊干擾大，
測點數(shù)據(jù)等信息反饋和響應十分緩慢，采集效率低下。
４）原系統(tǒng)缺失必要的監(jiān)測項目，無法滿足規(guī)范要
求。原系統(tǒng)建設階段未接入工程常用的環(huán)境量監(jiān)測指
標，例如：雨量、溫濕度、風速風向等，且大壩滲漏量這
一關鍵數(shù)據(jù)未實現(xiàn)自動化監(jiān)測，無法滿足枟混凝土壩
安全監(jiān)測規(guī)范枠的技術要求。
５）原系統(tǒng)采集控制軟件落后，人機交互界面復
雜。原系統(tǒng)配置的軟件缺乏監(jiān)測儀器的參數(shù)指標等信
息，可用信息量不足，各項目均未設置警戒報警值，異
常測值無直接提醒功能，工程區(qū)多數(shù)監(jiān)測儀器或設備
尚未接入系統(tǒng)，系統(tǒng)未開發(fā)相應的模塊。
因此，建立一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便的
工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，是滿足水電站工程安全監(jiān)
測，保證大壩正常運行的迫切需要。
２　安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造方案
2．1　改造的基本原則
監(jiān)測自動化系統(tǒng)設計應以工程安全監(jiān)測為目的，
充分利用現(xiàn)代先進的通訊技術、計算機技術、自動化技
術和軟、硬件技術，遵循“實用、可靠、先進、經濟”的基
本原則。
１）先進性的原則。通過高性能的計算機網絡環(huán)
境，采用先進的數(shù)據(jù)庫管理軟件、開發(fā)軟件、圖形處理
軟件及數(shù)據(jù)處理方法來實現(xiàn)系統(tǒng)功能［１］ 。
２）穩(wěn)定性的原則。要求系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能
夠長期穩(wěn)定地運行，具有完善的數(shù)據(jù)備份功能，能夠方
便地對重要的數(shù)據(jù)進行備份和恢復［２］ ；實現(xiàn)監(jiān)測自動
化時，還應設置人工監(jiān)測手段，以便定期比測，并保證
當自動化系統(tǒng)發(fā)生故障時，能測得人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，以保
證資料的連續(xù)性。
３）安全性的原則。要求系統(tǒng)具有完善的安全保
密、安全控制和安全管理功能，防止非法用戶對數(shù)據(jù)進
行操作［１］ ，同時對監(jiān)測系統(tǒng)的操作權限及信息修改權
限進行分層級設置。
2．2　改造的主要內容
１）優(yōu)化通訊組網方案。針對原系統(tǒng)采集網絡通
訊干擾大、穩(wěn)定性差、運行速度慢等特點，采用雙環(huán)自
愈網絡結構（見圖１），在監(jiān)測站增設ＲＳ －４８５ 集線器，
實現(xiàn)了每臺數(shù)據(jù)采集裝置（ＭＣＵ）之間信號的隔離。
監(jiān)控服務器發(fā)出命令后，各監(jiān)測點儀器同時觸發(fā)，提高
系統(tǒng)運行速度和數(shù)據(jù)采集效率，保證了通訊的可靠性
和安全性。
２）完善的系統(tǒng)監(jiān)測項目。根據(jù)枟混凝土壩安全監(jiān)
測規(guī)范枠（ＤＬ／Ｔ ５１７８ －２００３）和枟大壩安全監(jiān)測自動化
技術規(guī)范枠（ＤＬ／Ｔ ５２１１ －２００５）要求，在原有監(jiān)測儀器
設備的基礎上，增補了簡易氣象站及大壩總滲流量監(jiān)
測儀器，其中簡易氣象站監(jiān)測項目包括溫度、濕度、風
速、風向、雨量等；大壩總滲流量采用量水堰進行觀測，
安裝了量水堰計進行自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)了
工程監(jiān)測項目的全覆蓋。
３）增設安全防護和人工比測裝置。針對原ＭＣＵ
無防雷電裝置，易受雷擊破壞的現(xiàn)狀，在每個監(jiān)測站增
設１ 臺穩(wěn)壓電源、１ 套電源防雷器、１ 套通訊防雷器和
１ 套防雷接地體，降低了雷電對設施造成故障的頻次。
配備了人工比測裝置。原系統(tǒng)因各ＭＣＵ 無人工
比測接口，每次進行人工比測需將各儀器芯線取下進
行觀測，十分不便且效率低下。為此專門配置各ＭＣＵ
監(jiān)測模塊的人工比測裝置，方便進行人工與自動監(jiān)測
數(shù)據(jù)的比對分析，確保系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)真實可信。
４）開發(fā)了大壩安全監(jiān)測自動化軟件。針對原系
統(tǒng)軟件開發(fā)存在的問題，開發(fā)了具有系統(tǒng)自動檢查、自
動巡測和選測功能為一體的軟件平臺，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集
支持現(xiàn)場控制方式和遠程控制方式，可根據(jù)用戶需求
提供５ 種自動控制方式實現(xiàn)自動觀測的觸發(fā)、采集和
存儲，系統(tǒng)擁有實時完成觀測數(shù)據(jù)的整編計算及在線
檢測、自動觸發(fā)復測等保證觀測數(shù)據(jù)準確性、時效性
功能［３］ 。
2．3　改造后的技術指標
１）通訊控制方式：ＲＳ４８５ 通訊總線。
２）網絡通訊速率： ＞２ ４００ ｂｐｓ（ＲＳ４８５）。
３）傳輸距離：８０ ｋｍ（采用光纖通訊）。
４）測量方式：可實時、定時、單檢、巡檢、選測或任
設測點群。
５）監(jiān)測準確度：滿足規(guī)范ＤＬ／Ｔ５１７８ －２００３ 規(guī)定
要求。
５１
水電與新能源２０１４ 年第１２ 期
圖1　自動化采集網絡結構拓撲圖
　?。叮┒〞r間隔：分鐘間隔觸發(fā)、小時間隔觸發(fā)、天觸
發(fā)、星期觸發(fā)、月觸發(fā)，可選。
７）采樣時間：差阻式≤０．１ ｓ／點；振弦式≤０．５ ｓ／點。
８）工作溫度： －２０℃ ～＋６０℃。
９）工作濕度：≤８５％。
１０）平均無故障時間：≥６ ３００ ｈ。
１１）系統(tǒng)防雷電感應：５００ ～１ ５００ Ｗ。
2．4　改造的主要特點
１）改單一并聯(lián)為雙環(huán)自愈網絡模式，建立了基于
ＴＣＰ／ＩＰ 為基礎的以太網絡，進一步優(yōu)化采集網絡組網
架構，實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的異地遠程操控
和觀測數(shù)據(jù)的異地存儲備份。
２）針對原系統(tǒng)的ＭＣＵ 存在的問題，研制了通訊
協(xié)議轉換器，可以有效的利用原系統(tǒng)完好的采集裝置，
實現(xiàn)設備的有效利用，節(jié)約改造成本。
３）增設了自動化設備的防雷電裝置。在每個監(jiān)
測站均增設１ 套電源防雷器、１ 套通訊防雷器及１ 套
防雷接地體，提高系統(tǒng)防雷電感應能力，防止設備因雷
電造成損壞。
４）獨立配置了讀數(shù)儀人工接口模塊，能夠使用讀
數(shù)儀采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過按動模塊上的通道切換鍵即
可實現(xiàn)通道轉換，便于對接入ＭＣＵ 的監(jiān)測儀器進行人
工測量。亦可方便對觀測數(shù)據(jù)進行人工比測。
５）實現(xiàn)內觀監(jiān)測自動化與外部變形監(jiān)測自動化
的統(tǒng)一管控。為提高數(shù)據(jù)采集效率，將內觀儀器自動
化系統(tǒng)與原建成的壩頂真空激光準直測壩變形系統(tǒng)有
機整合，形成工程不同監(jiān)測項目的安全監(jiān)測自動化系
統(tǒng)集中管控，實現(xiàn)異地遠程控制和管理。
３　系統(tǒng)改造后的運行狀況
3．1　運行狀況檢測
針對大壩布設的監(jiān)測儀器，使用信號發(fā)生器及直
流電阻箱檢測振弦式傳感器信號測量及差動電阻式傳
感器信號測量。用信號發(fā)生器將幅度為０．５ ～１０ ｍＶ
的輸出信號接入采集裝置進行測量，調節(jié)頻率在４００
～５ ０００ Ｈｚ，在被測物理量不變的條件下連續(xù)進行１５
次測量， 計算最大測量誤差， 測量頻率差不大于
０．２ Ｈｚ，結果表明測值穩(wěn)定性好。用兩只０．０１ 級直流
電阻箱按五芯方式接到采集裝置，使電阻值分別在
０．０１ ～６０．０１ Ω 范圍內變化，電阻比在０．０８００ ～
１．２０００ 之間變化，在被測物理量不變的條件下連續(xù)進
行１５ 次測量，測量電阻值之差不大于０．０２ Ω，電阻比
不大于０．００２，結果表明測值穩(wěn)定性好。另外對ＤＡＵ
的單點測量、選點測量、定時采集、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設置
及自診斷等功能進行測試，測試結果正常，滿足規(guī)范要求。
3．2　測值對比分析
系統(tǒng)建成投入試運行期間，選取典型測點對其人
工測值與自動化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進行對比分析，人工與
自動化監(jiān)測測值吻合度高（見圖２），表明自動化監(jiān)測
５２
黃會寶，等：深溪溝水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造２０１４ 年１２ 月
圖2　人工及自動觀測模數(shù)過程線對比
數(shù)據(jù)可靠。
3．3　穩(wěn)定性分析
通過系統(tǒng)投運后運行實踐，各采集控制系統(tǒng)運行
穩(wěn)定，采集命令發(fā)布后信息反饋迅速，軟件功能齊全、
界面簡潔、升級維護方便、自動化程度高，提高了工作
效率，節(jié)約了人力資源成本。
參考文獻：
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２０１２ 年中國水力發(fā)電工程學會大壩安全監(jiān)測專委會年會
暨學術交流會論文集， ２０１２
［２］寧德興， 褚彩菊， 郭俊， 等．漫灣水電站大壩安全監(jiān)測自
動化系統(tǒng)更新改造［Ｊ］．大壩與安全， ２０１２（２）： ３０ －３４
［３］王科峰， 金正浩．尼爾基水利樞紐工程安全監(jiān)測技術［Ｍ］．
北京： 中國水利水電出版社， ２０１０
本　刊　快　訊
１２ 月２３ 日，于東湖之濱、珞珈山麓的武漢大學召開了枟水電與新能源枠期刊編委會換屆及第
七屆編委會第一次會議。主辦單位宣布了第七屆編委會及期刊編輯部的組成人員名單。新編委
會委員來自三十多家單位，云集各方專家學者，學術層次高，涵蓋學科面寬。
會議聽取了上屆編委會及編輯部的工作匯報。編委們充分肯定了近年來期刊的跨越式發(fā)展，
取得長足的進步，刊物的科技含量、刊物質量及對社會的影響力均有大幅提升。編委們就今后刊
物的進一步改革創(chuàng)新，出謀劃策、盡獻良方。
新的編委會成立及編輯部調整擴容，必將為刊物帶來新的活力，使刊物更好地服務于全國水
電建設和新能源開發(fā)，為水電與新能源工作者交流技術經驗和溝通信息提供平臺，促進我國水電
與新能源的研究與開發(fā)。
５３

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