摘 要: 簡(jiǎn)要回顧了電力系統(tǒng)水電站大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程, 結(jié)合水電廠實(shí)際應(yīng)用情況, 系統(tǒng)總結(jié)了10 余年監(jiān)測(cè)自動(dòng)化工作經(jīng)驗(yàn), 客觀評(píng)價(jià)了水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的現(xiàn)狀, 提出了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展方向。
水電站大壩的安全, 不僅直接影響電廠自身效益, 更與下游人民的生命財(cái)產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字通訊技術(shù)的推廣應(yīng)用, 為監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提供了保障。目前, 全國(guó)電力系統(tǒng)的大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已全面展開(kāi), 并朝網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)用化方向發(fā)展。
1.發(fā)展歷史簡(jiǎn)要回顧
國(guó)外開(kāi)展大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備研制始于20 世紀(jì)60 年代末。目前國(guó)際上有代表性的系統(tǒng)有美國(guó)Campbell Scientific 公司的CR —10 系統(tǒng), 其測(cè)量單元機(jī)芯被世界大多數(shù)監(jiān)測(cè)儀器制造商(包括基康、SINCO、ROCTEST等)用做其自動(dòng)化系統(tǒng)的采集單元, 澳大利亞Datataker 公司的數(shù)據(jù)采集儀, 美國(guó)Geomation 公司的2380 系統(tǒng), 意大利ISMES 研究所的GPDAS 系統(tǒng)。電力系統(tǒng)水電站是我國(guó)最早開(kāi)展大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化單位。電力系統(tǒng)應(yīng)用較多的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要是南京南瑞集團(tuán)公司的DAMS 系統(tǒng)和南京水文自動(dòng)化研究所的DG系統(tǒng), 國(guó)外系統(tǒng)是美國(guó) Geomation 公司的2380 系統(tǒng)。此外, 北京木聯(lián)能工程科技有限公司研制的LNl018 - Ⅱ開(kāi)放型分布式系統(tǒng)也在多個(gè)水電廠得到應(yīng)用。
2.水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化現(xiàn)狀
2.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
2.1.1 變形
大壩變形是水電站大壩的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。又可分為水平位移和垂直位移2 個(gè)子項(xiàng)。大多數(shù)大壩設(shè)有壩頂水平、垂直位移觀測(cè), 通常每個(gè)壩段設(shè)1 對(duì)測(cè)點(diǎn)?；炷翂位A(chǔ)廊道的位移觀測(cè)通常只有高壩或特別重要的壩才設(shè)置, 一般的中低壩在更改中大都已取消。近幾年對(duì)典型壩段的水平位移觀測(cè)較為重視, 一般沿壩高布置3 個(gè)以上測(cè)點(diǎn)。
2.1.2 滲流
大壩滲流也是水電站大壩的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。又可分為滲透壓力和滲流量2 個(gè)子項(xiàng)?；炷翂蔚挠^測(cè)設(shè)施設(shè)在基礎(chǔ)廊道, 揚(yáng)壓力每個(gè)壩段1 個(gè)測(cè)點(diǎn); 滲流量測(cè)點(diǎn)根據(jù)排水溝集水情況確定, 一般能測(cè)出分區(qū)流量和總量。土石壩的滲流量都在壩趾滲水匯集處觀測(cè), 滲壓測(cè)點(diǎn)則根據(jù)具體壩型布置在壩體浸潤(rùn)線下面或趾板后等部位。此外, 大壩的左右兩岸山坡還設(shè)置地下水位觀測(cè)項(xiàng)目, 以便監(jiān)測(cè)繞壩滲流情況。
2.1.3 應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)觀項(xiàng)目
大壩應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)觀項(xiàng)目是水電站大壩的一般性觀測(cè)項(xiàng)目, 只有一些重要測(cè)點(diǎn)才納入自動(dòng)化監(jiān)測(cè), 很多中低壩都已停測(cè)或封存這類觀測(cè)項(xiàng)目。
2.2 自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備
2.2.1 常用傳感器
引張線。目前水平位移自動(dòng)化觀測(cè)中, 最常見(jiàn)的設(shè)施是引張線。引張線讀數(shù)儀常用的有電容式和步進(jìn)電機(jī)式2 種, 前者測(cè)讀速度快, 但對(duì)環(huán)境要求高, 且線體太長(zhǎng)時(shí)中間易偏離; 后者測(cè)讀速度慢, 但對(duì)環(huán)境的要求不高, 長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。真空激光裝置近幾年發(fā)展較快, 已在十幾個(gè)工程得到應(yīng)用, 效果較好, 但其造價(jià)較高, 運(yùn)行維護(hù)不便。近幾年CCD 式引張線式垂線坐標(biāo)儀也在一些大型工程中得到應(yīng)用, 但應(yīng)用時(shí)間較短。
遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀。撓度用正、倒垂線組觀測(cè)。垂線的讀數(shù)儀器是遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀, 其工作原理和特點(diǎn)與引張線儀一樣。常用的是電容式和步進(jìn)電機(jī)式2 種, 采用CCD 式新型坐標(biāo)儀的工程正在逐漸增加, 個(gè)別大壩(如二灘) 采用了國(guó)外的電感式坐標(biāo)儀。
靜力水準(zhǔn)儀。垂直位移大都用靜力水準(zhǔn)觀測(cè), 觀測(cè)水平位移的真空激光裝置也能同時(shí)觀測(cè)垂直位移。應(yīng)用較多的靜力水準(zhǔn)儀有差動(dòng)變壓器式和電容式2 種, 其它類型如弦式、步進(jìn)電機(jī)式等只在個(gè)別電廠得到應(yīng)用。
弦式滲壓計(jì)。通常用滲壓計(jì)觀測(cè)滲透壓力和地下水位。應(yīng)用最廣的是國(guó)外生產(chǎn)的弦式滲壓計(jì), 其特點(diǎn)是耐久性和穩(wěn)定性都較好, 但測(cè)值受大氣壓變化影響, 小量程時(shí), 精度較難保證, 應(yīng)增設(shè)氣壓計(jì)等措施對(duì)測(cè)值進(jìn)行修正。壓阻式滲壓計(jì)在一些水電站也有應(yīng)用實(shí)例, 它通過(guò)變送器后輸出的是標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào), 精度也較高, 但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性不夠高。
滲流量?jī)x。滲流量一般都用量水堰觀測(cè), 通過(guò)測(cè)讀堰上游水面高度, 用三角堰或矩形堰流量公式換算出實(shí)際的滲流量。目前應(yīng)用較多的是進(jìn)口弦式微壓傳感器和電容浮子式水位計(jì)。由于對(duì)水面高度量測(cè)精度的要求高, 很多工程沒(méi)有達(dá)到精度要求, 總的來(lái)說(shuō)效果不是十分理想。
應(yīng)力、應(yīng)變傳感器。應(yīng)用最廣的應(yīng)力、應(yīng)變傳感器是差動(dòng)電阻式儀器, 它的特點(diǎn)是價(jià)格低廉, 精度可以滿足要求, 長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好, 但外接電纜不宜太長(zhǎng)。近幾年在一些大型大電工程中采用進(jìn)口或組裝的弦式儀器的逐漸增多, 它的精度和穩(wěn)定性較高, 信號(hào)不易受干擾, 便于長(zhǎng)距離傳輸。
2.2.2 量測(cè)控制設(shè)備
量測(cè)控制設(shè)備的英文縮寫為MCU , 是監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心設(shè)備。MCU 的主要功能有: 傳感器信號(hào)采集,測(cè)點(diǎn)切換, A/ D 轉(zhuǎn)換, 數(shù)據(jù)通信, 數(shù)據(jù)存儲(chǔ), 電源管理和時(shí)鐘等。MCU 與外界的數(shù)據(jù)通信協(xié)議基本上都是RS -
485 , 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 個(gè), 通信速率與距離成反比, 1000m 以內(nèi)為9600bps。MCU 與外界的數(shù)據(jù)通信方式最常見(jiàn)的是雙絞線, 傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)也有采用光纖的, 個(gè)別受地理?xiàng)l件限制不便敷設(shè)電纜的地方也有采用無(wú)線通信,近年也有采用短信通訊的。目前隨著光纖通信成本的下降, 用光纖代替雙絞線已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
2.2.3 中央控制設(shè)備
以往的中央控制設(shè)備主要指監(jiān)控主機(jī)、管理主機(jī)、不間斷電源及其它一些打印繪圖設(shè)備?，F(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及, 已被一個(gè)包括專用服務(wù)器和若干臺(tái)客戶機(jī)組成的小型觀測(cè)局域網(wǎng)所替代。監(jiān)控主機(jī)由于要求24h連續(xù)運(yùn)行, 早期一般都選用工控機(jī)。隨著微機(jī)的普及, 現(xiàn)在普通微機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性已大大提高, 且價(jià)格明顯低于工控機(jī), 因此很多工程都選用品牌微機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)。當(dāng)然, 還有一個(gè)因素是由于監(jiān)測(cè)和信息管理網(wǎng)絡(luò)化后, 一般都有一個(gè)專用服務(wù)器儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水工的有關(guān)電子化檔案, 監(jiān)控主機(jī)的作用其實(shí)已減弱為單純的采集數(shù)據(jù), 即使采集機(jī)損壞也不致于造成數(shù)據(jù)丟失。
2.3 軟件
軟件一般包括采集軟件及監(jiān)測(cè)信息管理軟件2 部分。采集軟件通常都具有測(cè)點(diǎn)管理、選點(diǎn)測(cè)量、選MCU 測(cè)量、自報(bào)式測(cè)量等功能, 還有對(duì)測(cè)值是否超限的簡(jiǎn)單評(píng)判功能。為便于操作, 采集軟件界面一般都比較直觀, 測(cè)點(diǎn)位置、大壩剖面圖等在窗口上一目了然, 觀測(cè)人員能方便地點(diǎn)擊測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集等操作。自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)大多
儲(chǔ)存在桌面數(shù)據(jù)庫(kù)上(如Access、SQLAnywhere 等) 。此外, 系統(tǒng)的的基本特征參數(shù)、測(cè)點(diǎn)的屬性、計(jì)算公式等也都儲(chǔ)存在該數(shù)據(jù)庫(kù)上, 有些系統(tǒng)甚至把與MCU 通信的指令也儲(chǔ)存在該數(shù)據(jù)庫(kù)上。國(guó)家電力公司大壩安全監(jiān)察中心近幾年在全面調(diào)研水電廠監(jiān)測(cè)自動(dòng)化改造情況、充分了解行業(yè)需求的基礎(chǔ)上, 開(kāi)發(fā)出了全新的大壩監(jiān)測(cè)信息與水工安全管理軟件, 已經(jīng)在幾個(gè)大型水電廠得到應(yīng)用, 成效顯著。
3.實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)
3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)
大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化改造應(yīng)進(jìn)行專門的規(guī)劃設(shè)計(jì)?？偟脑瓌t是“少而精, 統(tǒng)一規(guī)劃, 分步實(shí)施”。 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)一定要從大壩的實(shí)際性態(tài)出發(fā)選定, 實(shí)際需要和技術(shù)上的可行性要兼顧。為此, 必須首先對(duì)已有的監(jiān)測(cè)資料和大壩的設(shè)計(jì)施工資料進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析, 找出大壩的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上, 確定對(duì)這些部位實(shí)施重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)。針對(duì)性不強(qiáng)、目的性不明確、可有可無(wú)的測(cè)點(diǎn), 盡量不納入自動(dòng)化系統(tǒng),要真正做到少而精。監(jiān)測(cè)自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)必須通過(guò)專家評(píng)審, 否則不能實(shí)施。專家組要由水工、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化等專業(yè)的技術(shù)權(quán)威組成。
3.2 安裝和實(shí)施
監(jiān)測(cè)設(shè)施的采購(gòu)要排除非技術(shù)因素干擾, 應(yīng)根據(jù)水電廠實(shí)際情況選擇最適合的產(chǎn)品。
對(duì)傳感器、MCU 等關(guān)鍵監(jiān)測(cè)設(shè)施要認(rèn)真進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)率定, 精度和穩(wěn)定性達(dá)不到要求的要堅(jiān)決退換, 杜絕不合格產(chǎn)品的投運(yùn)。此外, 對(duì)MCU 和某些暴露在空氣中的非密封型傳感器, 要在高濕度惡劣環(huán)境下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的通電考驗(yàn)后才能接入系統(tǒng)。為了使水電廠的監(jiān)測(cè)人員全面掌握大壩自動(dòng)化系統(tǒng), 便于今后的運(yùn)行維護(hù), 對(duì)運(yùn)行人員的培訓(xùn)工作要抓早、抓實(shí)。電廠技術(shù)人員不但要了解系統(tǒng)的基本原理, 還應(yīng)在系統(tǒng)的安裝調(diào)試全過(guò)程跟班操作, 掌握基本的維修保養(yǎng)技能, 以便在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)自行修復(fù)。
雖然自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具有在惡劣環(huán)境下工作的能力, 但水電廠還是應(yīng)盡量創(chuàng)造好的環(huán)境。特別應(yīng)采取有效的防雷措施, 對(duì)有可能遭到雷擊的部位, 要做好接地保護(hù)。
3.3 運(yùn)行管理
大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的
傾角傳感器設(shè)備除了自身因設(shè)備老化等原因失效外, 還會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)鼠類等動(dòng)物的破壞, 有些電廠甚至遭到附近村民的偷盜。因此, 對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也要定期進(jìn)行巡視檢查, 發(fā)現(xiàn)情況要及時(shí)處理。
很多電廠自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐證明, 運(yùn)行管理人員的責(zé)任心大小和工作能力強(qiáng)弱對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效運(yùn)行影響很大。同一個(gè)廠家生產(chǎn)并負(fù)責(zé)安裝的硬件設(shè)備, 在一個(gè)電廠由于精心維護(hù), 運(yùn)行情況良好, 但在另一個(gè)電廠可能就一塌糊涂, 嚴(yán)重的甚至可能癱瘓。因此, 水電廠一定要培養(yǎng)自己的運(yùn)行維護(hù)人員, 人員數(shù)量不在多, 但要精, 要有很強(qiáng)的責(zé)任心和敬業(yè)精神, 掌握水工、監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的基本知識(shí), 特別在自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)方面有較強(qiáng)的興趣愛(ài)好和動(dòng)手能力。
監(jiān)測(cè)的目的是盡可能地為水電廠安全生產(chǎn)和大壩安全運(yùn)行服務(wù), 不是為監(jiān)測(cè)而監(jiān)測(cè)。要求水工技術(shù)人員充分利用自動(dòng)化系統(tǒng)采集到的各種監(jiān)測(cè)信息, 加強(qiáng)對(duì)信息的整理分析, 以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩的隱患, 指導(dǎo)大壩的安全運(yùn)行。要做好這項(xiàng)工作, 傳統(tǒng)的手工作業(yè)或依靠常規(guī)的計(jì)算機(jī)辦公軟件顯然是不夠的, 一定要根據(jù)各水電站大壩的實(shí)際情況, 開(kāi)發(fā)一套針對(duì)實(shí)際工程、體現(xiàn)水電廠水工管理水平、集水工管理、監(jiān)測(cè)、防汛于一體的專業(yè)軟件。軟件要突出成熟性、實(shí)用性、有效性, 應(yīng)將不成熟的技術(shù)及方法排除在軟件之外。
4.展望
4.1 觀測(cè)項(xiàng)目
觀測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置要做到少而精。運(yùn)行期則是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要服務(wù)時(shí)期, 應(yīng)根據(jù)大壩實(shí)際的設(shè)計(jì)、施工和初期運(yùn)行情況, 針對(duì)大壩有關(guān)部位和薄弱環(huán)節(jié), 設(shè)置監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)針對(duì)性加強(qiáng)和重點(diǎn)突出后, 接入自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量將為大幅度減少, 但對(duì)監(jiān)測(cè)的有效性和接入項(xiàng)目的精度、可靠性要求會(huì)更高。當(dāng)然, 監(jiān)測(cè)規(guī)范也將作相應(yīng)的修訂。
4.2 硬件
大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域所使用的智能變送器(Smart Transducer) 、光纖傳感器最終將會(huì)隨著產(chǎn)品的成熟逐漸走向?qū)嵱? 智能傳感器( Intelligent Sensor) 的研究會(huì)更加活躍; 現(xiàn)場(chǎng)總線會(huì)從RS2485 向更先進(jìn)的 LonWorks 過(guò)渡; 通訊方式將更多樣化和實(shí)用化, 無(wú)線通訊、光纖通訊和基于Intemet網(wǎng)的遠(yuǎn)程通訊將會(huì)廣泛應(yīng)用; 個(gè)人數(shù)字助理(PDA) 等數(shù)字設(shè)備將成為大壩監(jiān)測(cè)技術(shù)人員的常用工具。
4.3 軟件
監(jiān)測(cè)信息處理軟件將先后在實(shí)用化和智能化兩方面得到發(fā)展。首先從標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化、正規(guī)化方面取得突破, 然后會(huì)在智能化方面取得進(jìn)展。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持等先進(jìn)技術(shù)將在大壩監(jiān)測(cè)信息處理中得到應(yīng)用。軟件技術(shù)平臺(tái)會(huì)從傳統(tǒng)的Windows 逐漸向dotNet 和Java 平臺(tái)發(fā)展, 除了普通桌面機(jī)應(yīng)用軟件外, 還將開(kāi)發(fā)用于PDA 等移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件。
5.結(jié)束語(yǔ)
雖然大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化取得了很大成績(jī), 但仍存在不少問(wèn)題, 系數(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、有效性、針對(duì)性有待進(jìn)一步加強(qiáng), 監(jiān)測(cè)人員的業(yè)務(wù)水平有待進(jìn)一步提高。隨著全社會(huì)科技進(jìn)步的加快, 預(yù)計(jì)將涌現(xiàn)出大量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)新技術(shù)和新產(chǎn)品, 水電站大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化將在實(shí)用化的基礎(chǔ)上向智能化發(fā)展。
