论文部分内容阅读
摘 要：本次研究主要分析的内容是电站大坝内观监测系统自动化改造方案，在选取实际案例的基础上，总结以下几个方面：电站大坝内观监测系统自动化所存在的问题、电站大坝内观监测系统自动化改造方案改造方案的制定。期望为后期的电站大坝内观监测系统自动化改造提供相应的借鉴。
关键词：电站大坝；内观监测系统；自动化；改造
一、工程概况
福建街面水电站是尤溪干流梯级的龙头水库电站，工程枢纽由砼面板堆石坝、左岸岸边式溢洪道、右岸引水系统、地下厂房及开关站等组成。大坝内观监测由面板周边缝及垂直缝监测、面板应力应变监测、面板脱空监测、面板温度监测、面板钢筋计、渗流监测等组成。
二、大坝内观设备情况
面板周边缝及垂直缝监测包括沿周边缝共设11组测缝计，用以监测面板与趾板间周边缝的张开度、相对切向位移和垂直面板方向的相對沉降。周边缝测缝计为南瑞公司生产的3DM-200型仪器（电位器式），采用3DM-2检测仪进行观测。面板测缝计主要布置在典型的受拉和受压的面板接缝处，以观测张拉缝的变形，共9支；面板应力应变监测包括在面板上共布置三向应变计8组、二向应变计9组，共计42支，并在每组应变计旁配设1支无应力计，共计17支；面板钢筋计包括14支钢筋计分别布置在三个桩号（坝左0+075、坝右0+036、坝右0+120）不同高程（190m、215m、235m、255.00m、275m）面板顺坝坡的受力钢筋上。渗流监测包括坝基渗透压力、绕坝渗流和渗漏量监测等。坝基渗透压力采用渗压计监测，在周边缝附近面板后的垫层区共布置5支GK-4500S型渗压计，以监测大坝基础的渗透水力梯度。大坝左岸坝肩（溢左0+024.88m、溢下0+024.906m）、右岸坝肩（坝右0+303.159m、坝下0+021.993m）各布置1个绕坝渗流孔，采用渗压计监测大坝两岸绕坝渗流情况。大坝下游侧结合下游混凝土围堰在坝左0+001.5m、坝下0+171.11m、178.72m高程设置2座量水堰，以监测大坝渗漏量。量水堰采用木联能LN2063量水堰测量系统观测。以上监测设备均采用人工观测。
三、存在问题
街面安全监测系统自投入运行以来，目前该系统已运行多年，系统整体运行状况较好，但仍存在一些不足之处，仍采用人工观测，观测频次和精度无法满足监测要求，给系统长期、稳定、准确的工作带来一定的隐患，需要通过此次技术改造彻底解决长期困扰的难题，以便监测系统能够更好的服务于大坝的安全运行[1]。
四、改造方案
1.数据采集单元（DAU）
数据采集单元（DAU）要求采用模块化结构，由测量模块、专用不间断电源、防潮加热器和多功能分线部件等几部分组成，安装在一个密封保护机箱内。一个DAU内部可根据不同的监测对象配置不同类型及数量的测量模块；专用不间断电源为测量模块提供电源，内含免维护蓄电池和充电器，正常情况下，由市电或太阳能通过充电器给蓄电池充电，发生停电事件时，蓄電池可维持测量模块工作，保证测量数据的连续性；多功能分线部件用于将电源线和通信线合理地分接给DAU内的各个部分，分线部件内含有保险丝和开关，为安装、调试及维护提供方便。防潮加热器用于在潮湿环境下保证DAU内部的相对干燥。各模块、部件互相独立，安装、维修十分方便。每个测量模块有独立的微控制器电路、实时时钟电路、通信接口电路、数据存储器、传感器信号调理电路、传感器激励信号发生电路、防雷击电路及电源管理电路[2]。
2.数据测量模块
DAU2000型分布式数据采集装置的主要组成部分NDA系列数据采集智能模块的主要部件（例如CPU、RAM、ROM、时钟及电源管理、EIA 485通信、2级瞬态保护、自诊断等）均采用了进口欧美和日本等国家的元（器）件，接线端子为德国Phoenix公司产品，详见表。模块外壳为全不锈钢，不锈钢表面文字采用激光刻制[3]。
NDA系列数据采集智能模块的印刷电路板上所有的接点均镀金，以保证抗氧化和耐受间歇运行的能力，此外印刷电路板焊接后还喷涂了防潮防腐剂以适应本工程潮湿的气候条件。
（1）差阻仪器测量模块选型：
本方案选用南京南瑞集团公司生产的NDA1103型8通道差阻仪器测量模块，它们完全满现场的要求。并具有测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定、维护方便的特点。
（2）振弦仪器测量模块选型：
本方案选用南京南瑞集团公司生产的NDA1403、NDA1404型振弦式仪器测量模块，它具有测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定、维护方便的优点，并具有以下特点：
（1）采用自适应测试技术，同一个模块的不同通道能同时接入国内、外不同厂家的多种振弦式仪器。
（2）NDA14系列各通道频率和温度电阻自适应，可以接入任意的频率温度组合。
（3）测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定。
（3）标准量信号测量模块选型：
选用南京南瑞集团公司生产的NDA1523（标准电压）数据采集智能模块，其用于自动采集各类标准量式仪器的信号，测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定。广泛应用于大朝山、五强溪、三板溪、公伯峡、东深供水改造、天生桥二级、隔河岩等水电站。
电位器式传感器数据采集智能模块。
3.DSIMS V4.0大坝安全信息管理网络系统软件
本方案选用南京南瑞集团公司生产的NARI DSIMS大坝安全信息管理网络系统软件V4.0软件，其与自动化数据采集单元配套，具有数据在线采集、电测成果计算、测点数据的报表、图形输出、采集馈控、远程召测、信息报送等六个主要部分。各部分有独立的用户界面，既可以和安全监测信息管理及综合分析系统协同工作，又可单独运行。 4.远程监测中心站改造
大坝监测系统自动化改造后，因流域梯级电站大坝安全管理的需要，拟建设远程监测中心站对街面电站大坝监测系统进行远程监控，本工程监测数据自动采集系统由监测站（内有一台或多台测控单元）、通信设备、控制线路、电源线路、采集计算机、数据采集软件等组成。整个系统由二个监测管理中心站和13个现场监测站组成。监测管理中心站设置在水东电厂水工观测班及界面電站中控楼，现场监测站分布在各建筑物现场。
现场测控单元直接与传感器相接，每个测控单元在分布式网络结构中都是独立的，不需采集计算机指令，各测控单元有其自身的日历和时钟，可独立完成监测数据采集、A/D转换、工程单位转换，或接受采集计算机的指令完成有关操作等。由于光缆传输数据的优越性及可靠性，监测管理中心站与现场监测站之间以及监测站与监测站之间采用光缆连接实现网络通信。但同一监测站中若有两台及以上的测控单元，则该监测站内的测控单元间使用电缆连接。监测管理中心站预留与电站监控系统以及电站MIS系统的传输接口。
系统数据采集网络采用总线拓扑结构，即以数据采集计算机作为中央节点用总线向外延伸，连接所有现场监测站内的测控单元。总线通讯架构应结构简单，具有良好的通用性和兼容性。
5.中心站主要组成
（1）监测管理中心站
监测管理中心站设置在水东电厂水工观测班及界面电站中控楼，配置3台计算机，作为数据库服务器兼工控机，用于远程通信、监测资料分析、日常数据采集和管理。
（2）现场通信网络
安全监测自动化系统由监测管理站、若干个监测站和各监测部位的传感器组成，现场通信网络采用光纤和双绞线构建符合RS-485标准的总线型通信网络实现监测站之间、监测站与监测管理站之间的数据通信。
监测仪器接入相应监测站的数据采集装置（MCU），仪器数据信号通过MCU统一转换为数字信号传输。监测站内数据采集装置采用双绞线连接后，接入光端机，由光端机将数字信号转换为光信号通过光纤传输，在监测管理中心内，由光端机再次将光信号转换成为数字信号，传输至采集计算机。一般一个监测站位置设置一台光端机，条件许可时若干个近距离监测站的MCU可共用一台光端机。
参考文献
[1]海翔，马啸.西霞院大坝外部变形监测系统自动化改造方案设计综述[J].中国水运（下半月），2015，12|（22）：105-108.
[2]周世龙，梁佳瑞，王育琳，马红岩，孙宪斌.桃林口水库大坝监测自动化系统改造方案[J].河北水利，2013，05（15）：23.
[3]朱化广，何利华，李善岩.潘家口抽水蓄能电站下池大坝安全监测系统改造设计[J].水利水电工程设计，2006，02（06）：43-45.
（作者单位：福建水口发電集团尤溪流域分公司）
关键词：电站大坝；内观监测系统；自动化；改造
一、工程概况
福建街面水电站是尤溪干流梯级的龙头水库电站，工程枢纽由砼面板堆石坝、左岸岸边式溢洪道、右岸引水系统、地下厂房及开关站等组成。大坝内观监测由面板周边缝及垂直缝监测、面板应力应变监测、面板脱空监测、面板温度监测、面板钢筋计、渗流监测等组成。
二、大坝内观设备情况
面板周边缝及垂直缝监测包括沿周边缝共设11组测缝计，用以监测面板与趾板间周边缝的张开度、相对切向位移和垂直面板方向的相對沉降。周边缝测缝计为南瑞公司生产的3DM-200型仪器（电位器式），采用3DM-2检测仪进行观测。面板测缝计主要布置在典型的受拉和受压的面板接缝处，以观测张拉缝的变形，共9支；面板应力应变监测包括在面板上共布置三向应变计8组、二向应变计9组，共计42支，并在每组应变计旁配设1支无应力计，共计17支；面板钢筋计包括14支钢筋计分别布置在三个桩号（坝左0+075、坝右0+036、坝右0+120）不同高程（190m、215m、235m、255.00m、275m）面板顺坝坡的受力钢筋上。渗流监测包括坝基渗透压力、绕坝渗流和渗漏量监测等。坝基渗透压力采用渗压计监测，在周边缝附近面板后的垫层区共布置5支GK-4500S型渗压计，以监测大坝基础的渗透水力梯度。大坝左岸坝肩（溢左0+024.88m、溢下0+024.906m）、右岸坝肩（坝右0+303.159m、坝下0+021.993m）各布置1个绕坝渗流孔，采用渗压计监测大坝两岸绕坝渗流情况。大坝下游侧结合下游混凝土围堰在坝左0+001.5m、坝下0+171.11m、178.72m高程设置2座量水堰，以监测大坝渗漏量。量水堰采用木联能LN2063量水堰测量系统观测。以上监测设备均采用人工观测。
三、存在问题
街面安全监测系统自投入运行以来，目前该系统已运行多年，系统整体运行状况较好，但仍存在一些不足之处，仍采用人工观测，观测频次和精度无法满足监测要求，给系统长期、稳定、准确的工作带来一定的隐患，需要通过此次技术改造彻底解决长期困扰的难题，以便监测系统能够更好的服务于大坝的安全运行[1]。
四、改造方案
1.数据采集单元（DAU）
数据采集单元（DAU）要求采用模块化结构，由测量模块、专用不间断电源、防潮加热器和多功能分线部件等几部分组成，安装在一个密封保护机箱内。一个DAU内部可根据不同的监测对象配置不同类型及数量的测量模块；专用不间断电源为测量模块提供电源，内含免维护蓄电池和充电器，正常情况下，由市电或太阳能通过充电器给蓄电池充电，发生停电事件时，蓄電池可维持测量模块工作，保证测量数据的连续性；多功能分线部件用于将电源线和通信线合理地分接给DAU内的各个部分，分线部件内含有保险丝和开关，为安装、调试及维护提供方便。防潮加热器用于在潮湿环境下保证DAU内部的相对干燥。各模块、部件互相独立，安装、维修十分方便。每个测量模块有独立的微控制器电路、实时时钟电路、通信接口电路、数据存储器、传感器信号调理电路、传感器激励信号发生电路、防雷击电路及电源管理电路[2]。
2.数据测量模块
DAU2000型分布式数据采集装置的主要组成部分NDA系列数据采集智能模块的主要部件（例如CPU、RAM、ROM、时钟及电源管理、EIA 485通信、2级瞬态保护、自诊断等）均采用了进口欧美和日本等国家的元（器）件，接线端子为德国Phoenix公司产品，详见表。模块外壳为全不锈钢，不锈钢表面文字采用激光刻制[3]。
NDA系列数据采集智能模块的印刷电路板上所有的接点均镀金，以保证抗氧化和耐受间歇运行的能力，此外印刷电路板焊接后还喷涂了防潮防腐剂以适应本工程潮湿的气候条件。
（1）差阻仪器测量模块选型：
本方案选用南京南瑞集团公司生产的NDA1103型8通道差阻仪器测量模块，它们完全满现场的要求。并具有测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定、维护方便的特点。
（2）振弦仪器测量模块选型：
本方案选用南京南瑞集团公司生产的NDA1403、NDA1404型振弦式仪器测量模块，它具有测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定、维护方便的优点，并具有以下特点：
（1）采用自适应测试技术，同一个模块的不同通道能同时接入国内、外不同厂家的多种振弦式仪器。
（2）NDA14系列各通道频率和温度电阻自适应，可以接入任意的频率温度组合。
（3）测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定。
（3）标准量信号测量模块选型：
选用南京南瑞集团公司生产的NDA1523（标准电压）数据采集智能模块，其用于自动采集各类标准量式仪器的信号，测量精度高、功能齐全、抗干扰能力强、运行稳定。广泛应用于大朝山、五强溪、三板溪、公伯峡、东深供水改造、天生桥二级、隔河岩等水电站。
电位器式传感器数据采集智能模块。
3.DSIMS V4.0大坝安全信息管理网络系统软件
本方案选用南京南瑞集团公司生产的NARI DSIMS大坝安全信息管理网络系统软件V4.0软件，其与自动化数据采集单元配套，具有数据在线采集、电测成果计算、测点数据的报表、图形输出、采集馈控、远程召测、信息报送等六个主要部分。各部分有独立的用户界面，既可以和安全监测信息管理及综合分析系统协同工作，又可单独运行。 4.远程监测中心站改造
大坝监测系统自动化改造后，因流域梯级电站大坝安全管理的需要，拟建设远程监测中心站对街面电站大坝监测系统进行远程监控，本工程监测数据自动采集系统由监测站（内有一台或多台测控单元）、通信设备、控制线路、电源线路、采集计算机、数据采集软件等组成。整个系统由二个监测管理中心站和13个现场监测站组成。监测管理中心站设置在水东电厂水工观测班及界面電站中控楼，现场监测站分布在各建筑物现场。
现场测控单元直接与传感器相接，每个测控单元在分布式网络结构中都是独立的，不需采集计算机指令，各测控单元有其自身的日历和时钟，可独立完成监测数据采集、A/D转换、工程单位转换，或接受采集计算机的指令完成有关操作等。由于光缆传输数据的优越性及可靠性，监测管理中心站与现场监测站之间以及监测站与监测站之间采用光缆连接实现网络通信。但同一监测站中若有两台及以上的测控单元，则该监测站内的测控单元间使用电缆连接。监测管理中心站预留与电站监控系统以及电站MIS系统的传输接口。
系统数据采集网络采用总线拓扑结构，即以数据采集计算机作为中央节点用总线向外延伸，连接所有现场监测站内的测控单元。总线通讯架构应结构简单，具有良好的通用性和兼容性。
5.中心站主要组成
（1）监测管理中心站
监测管理中心站设置在水东电厂水工观测班及界面电站中控楼，配置3台计算机，作为数据库服务器兼工控机，用于远程通信、监测资料分析、日常数据采集和管理。
（2）现场通信网络
安全监测自动化系统由监测管理站、若干个监测站和各监测部位的传感器组成，现场通信网络采用光纤和双绞线构建符合RS-485标准的总线型通信网络实现监测站之间、监测站与监测管理站之间的数据通信。
监测仪器接入相应监测站的数据采集装置（MCU），仪器数据信号通过MCU统一转换为数字信号传输。监测站内数据采集装置采用双绞线连接后，接入光端机，由光端机将数字信号转换为光信号通过光纤传输，在监测管理中心内，由光端机再次将光信号转换成为数字信号，传输至采集计算机。一般一个监测站位置设置一台光端机，条件许可时若干个近距离监测站的MCU可共用一台光端机。
参考文献
[1]海翔，马啸.西霞院大坝外部变形监测系统自动化改造方案设计综述[J].中国水运（下半月），2015，12|（22）：105-108.
[2]周世龙，梁佳瑞，王育琳，马红岩，孙宪斌.桃林口水库大坝监测自动化系统改造方案[J].河北水利，2013，05（15）：23.
[3]朱化广，何利华，李善岩.潘家口抽水蓄能电站下池大坝安全监测系统改造设计[J].水利水电工程设计，2006，02（06）：43-45.
（作者单位：福建水口发電集团尤溪流域分公司）