摘 要: 简要回顾了电力系统水电站大坝安全监测自动化的发展过程, 结合水电厂实际应用情况, 系统总结了10 余年监测自动化工作经验, 客观评价了水电站大坝监测自动化的现状, 提出了监测自动化的发展方向。

水电站大坝的安全, 不仅直接影响电厂自身效益, 更与下游人民的生命财产、国民经济发展和生态环境密切相关。随着电子技术的发展、数字通讯技术的推广应用, 为监测自动化提供了保障。目前, 全国电力系统的大坝监测自动化已全面展开, 并朝网络化、实用化方向发展。


1.发展历史简要回顾
 
国外开展大坝监测自动化设备研制始于20 世纪60 年代末。目前国际上有代表性的系统有美国Campbell Scientific 公司的CR —10 系统, 其测量单元机芯被世界大多数监测仪器制造商(包括基康、SINCO、ROCTEST等)用做其自动化系统的采集单元, 澳大利亚Datataker 公司的数据采集仪, 美国Geomation 公司的2380 系统, 意大利ISMES 研究所的GPDAS 系统。电力系统水电站是我国最早开展大坝安全监测自动化单位。电力系统应用较多的国内产品主要是南京南瑞集团公司的DAMS 系统和南京水文自动化研究所的DG系统, 国外系统是美国 Geomation 公司的2380 系统。此外, 北京木联能工程科技有限公司研制的LNl018 - Ⅱ开放型分布式系统也在多个水电厂得到应用。

 
2.水电站大坝监测自动化现状
 
2.1 自动化监测项目
 
2.1.1 变形
 
大坝变形是水电站大坝的重要监测项目。又可分为水平位移和垂直位移2 个子项。大多数大坝设有坝顶水平、垂直位移观测, 通常每个坝段设1 对测点。混凝土坝基础廊道的位移观测通常只有高坝或特别重要的坝才设置, 一般的中低坝在更改中大都已取消。近几年对典型坝段的水平位移观测较为重视, 一般沿坝高布置3 个以上测点。
 
2.1.2 渗流
 
大坝渗流也是水电站大坝的重要监测项目之一。又可分为渗透压力和渗流量2 个子项。混凝土坝的观测设施设在基础廊道, 扬压力每个坝段1 个测点; 渗流量测点根据排水沟集水情况确定, 一般能测出分区流量和总量。土石坝的渗流量都在坝趾渗水汇集处观测, 渗压测点则根据具体坝型布置在坝体浸润线下面或趾板后等部位。此外, 大坝的左右两岸山坡还设置地下水位观测项目, 以便监测绕坝渗流情况。
 
2.1.3 应力应变等内观项目
 
大坝应力应变等内观项目是水电站大坝的一般性观测项目, 只有一些重要测点才纳入自动化监测, 很多中低坝都已停测或封存这类观测项目。
 
2.2 自动化观测设备

2.2.1 常用传感器

引张线。目前水平位移自动化观测中, 最常见的设施是引张线。引张线读数仪常用的有电容式和步进电机式2 种, 前者测读速度快, 但对环境要求高, 且线体太长时中间易偏离; 后者测读速度慢, 但对环境的要求不高, 长期稳定性较好。真空激光装置近几年发展较快, 已在十几个工程得到应用, 效果较好, 但其造价较高, 运行维护不便。近几年CCD 式引张线式垂线坐标仪也在一些大型工程中得到应用, 但应用时间较短。
 
遥测垂线坐标仪。挠度用正、倒垂线组观测。垂线的读数仪器是遥测垂线坐标仪, 其工作原理和特点与引张线仪一样。常用的是电容式和步进电机式2 种, 采用CCD 式新型坐标仪的工程正在逐渐增加, 个别大坝(如二滩) 采用了国外的电感式坐标仪。
 
静力水准仪。垂直位移大都用静力水准观测, 观测水平位移的真空激光装置也能同时观测垂直位移。应用较多的静力水准仪有差动变压器式和电容式2 种, 其它类型如弦式、步进电机式等只在个别电厂得到应用。
 
弦式渗压计。通常用渗压计观测渗透压力和地下水位。应用最广的是国外生产的弦式渗压计, 其特点是耐久性和稳定性都较好, 但测值受大气压变化影响, 小量程时, 精度较难保证, 应增设气压计等措施对测值进行修正。压阻式渗压计在一些水电站也有应用实例, 它通过变送器后输出的是标准电流或电压信号, 精度也较高, 但其长期稳定性不够高。
 
渗流量仪。渗流量一般都用量水堰观测, 通过测读堰上游水面高度, 用三角堰或矩形堰流量公式换算出实际的渗流量。目前应用较多的是进口弦式微压传感器和电容浮子式水位计。由于对水面高度量测精度的要求高, 很多工程没有达到精度要求, 总的来说效果不是十分理想。
 
应力、应变传感器。应用最广的应力、应变传感器是差动电阻式仪器, 它的特点是价格低廉, 精度可以满足要求, 长期稳定性较好, 但外接电缆不宜太长。近几年在一些大型大电工程中采用进口或组装的弦式仪器的逐渐增多, 它的精度和稳定性较高, 信号不易受干扰, 便于长距离传输。
 
2.2.2 量测控制设备
 
量测控制设备的英文缩写为MCU , 是监测自动化系统的核心设备。MCU 的主要功能有: 传感器信号采集,测点切换, A/ D 转换, 数据通信, 数据存储, 电源管理和时钟等。MCU 与外界的数据通信协议基本上都是RS -
 
485 , 标准节点数为32 个, 通信速率与距离成反比, 1000m 以内为9600bps。MCU 与外界的数据通信方式最常见的是双绞线, 传输距离较远时也有采用光纤的, 个别受地理条件限制不便敷设电缆的地方也有采用无线通信,近年也有采用短信通讯的。目前随着光纤通信成本的下降, 用光纤代替双绞线已变为现实。
 
2.2.3 中央控制设备
 
以往的中央控制设备主要指监控主机、管理主机、不间断电源及其它一些打印绘图设备。现在随着计算机网络的普及, 已被一个包括专用服务器和若干台客户机组成的小型观测局域网所替代。监控主机由于要求24h连续运行, 早期一般都选用工控机。随着微机的普及, 现在普通微机的稳定性和可靠性已大大提高, 且价格明显低于工控机, 因此很多工程都选用品牌微机作为监控主机。当然, 还有一个因素是由于监测和信息管理网络化后, 一般都有一个专用服务器储存监测数据和水工的有关电子化档案, 监控主机的作用其实已减弱为单纯的采集数据, 即使采集机损坏也不致于造成数据丢失。
 
2.3 软件
 
软件一般包括采集软件及监测信息管理软件2 部分。采集软件通常都具有测点管理、选点测量、选MCU 测量、自报式测量等功能, 还有对测值是否超限的简单评判功能。为便于操作, 采集软件界面一般都比较直观, 测点位置、大坝剖面图等在窗口上一目了然, 观测人员能方便地点击测点进行采集等操作。自动采集的数据大多
 
储存在桌面数据库上(如Access、SQLAnywhere 等) 。此外, 系统的的基本特征参数、测点的属性、计算公式等也都储存在该数据库上, 有些系统甚至把与MCU 通信的指令也储存在该数据库上。国家电力公司大坝安全监察中心近几年在全面调研水电厂监测自动化改造情况、充分了解行业需求的基础上, 开发出了全新的大坝监测信息与水工安全管理软件, 已经在几个大型水电厂得到应用, 成效显著。
 
3.实践与经验

3.1 规划设计
 
大坝监测自动化改造应进行专门的规划设计。总的原则是“少而精, 统一规划, 分步实施”。 自动化监测项目及测点一定要从大坝的实际性态出发选定, 实际需要和技术上的可行性要兼顾。为此, 必须首先对已有的监测资料和大坝的设计施工资料进行系统全面的分析, 找出大坝的关键部位和薄弱环节。在此基础上, 确定对这些部位实施重点监测的项目和测点。针对性不强、目的性不明确、可有可无的测点, 尽量不纳入自动化系统,要真正做到少而精。监测自动化改造设计必须通过专家评审, 否则不能实施。专家组要由水工、监测自动化等专业的技术权威组成。
 
3.2 安装和实施
 
监测设施的采购要排除非技术因素干扰, 应根据水电厂实际情况选择最适合的产品。
 
对传感器、MCU 等关键监测设施要认真进行现场率定, 精度和稳定性达不到要求的要坚决退换, 杜绝不合格产品的投运。此外, 对MCU 和某些暴露在空气中的非密封型传感器, 要在高湿度恶劣环境下经过长时间的通电考验后才能接入系统。为了使水电厂的监测人员全面掌握大坝自动化系统, 便于今后的运行维护, 对运行人员的培训工作要抓早、抓实。电厂技术人员不但要了解系统的基本原理, 还应在系统的安装调试全过程跟班操作, 掌握基本的维修保养技能, 以便在系统出现故障时能及时自行修复。
 
虽然自动化监测设备应具有在恶劣环境下工作的能力, 但水电厂还是应尽量创造好的环境。特别应采取有效的防雷措施, 对有可能遭到雷击的部位, 要做好接地保护。
 
3.3 运行管理
 
大坝自动化监测的倾角传感器设备除了自身因设备老化等原因失效外, 还会受到现场鼠类等动物的破坏, 有些电厂甚至遭到附近村民的偷盗。因此, 对自动化监测系统也要定期进行巡视检查, 发现情况要及时处理。
 
很多电厂自动化监测系统的运行实践证明, 运行管理人员的责任心大小和工作能力强弱对系统的长期有效运行影响很大。同一个厂家生产并负责安装的硬件设备, 在一个电厂由于精心维护, 运行情况良好, 但在另一个电厂可能就一塌糊涂, 严重的甚至可能瘫痪。因此, 水电厂一定要培养自己的运行维护人员, 人员数量不在多, 但要精, 要有很强的责任心和敬业精神, 掌握水工、监测、自动化、计算机等专业的基本知识, 特别在自动化和计算机方面有较强的兴趣爱好和动手能力。
 
监测的目的是尽可能地为水电厂安全生产和大坝安全运行服务, 不是为监测而监测。要求水工技术人员充分利用自动化系统采集到的各种监测信息, 加强对信息的整理分析, 以便及时发现大坝的隐患, 指导大坝的安全运行。要做好这项工作, 传统的手工作业或依靠常规的计算机办公软件显然是不够的, 一定要根据各水电站大坝的实际情况, 开发一套针对实际工程、体现水电厂水工管理水平、集水工管理、监测、防汛于一体的专业软件。软件要突出成熟性、实用性、有效性, 应将不成熟的技术及方法排除在软件之外。
 
4.展望 

4.1 观测项目
 
观测项目的设置要做到少而精。运行期则是自动化监测的主要服务时期, 应根据大坝实际的设计、施工和初期运行情况, 针对大坝有关部位和薄弱环节, 设置监测项目。监测针对性加强和重点突出后, 接入自动化系统的测点数量将为大幅度减少, 但对监测的有效性和接入项目的精度、可靠性要求会更高。当然, 监测规范也将作相应的修订。
 
4.2 硬件
 
大坝安全自动化监测领域所使用的智能变送器(Smart Transducer) 、光纤传感器最终将会随着产品的成熟逐渐走向实用, 智能传感器( Intelligent Sensor) 的研究会更加活跃; 现场总线会从RS2485 向更先进的 LonWorks 过渡; 通讯方式将更多样化和实用化, 无线通讯、光纤通讯和基于Intemet网的远程通讯将会广泛应用; 个人数字助理(PDA) 等数字设备将成为大坝监测技术人员的常用工具。
 
4.3 软件
 
监测信息处理软件将先后在实用化和智能化两方面得到发展。首先从标准化、实用化、正规化方面取得突破, 然后会在智能化方面取得进展。数据仓库、数据挖掘、决策支持等先进技术将在大坝监测信息处理中得到应用。软件技术平台会从传统的Windows 逐渐向dotNet 和Java 平台发展, 除了普通桌面机应用软件外, 还将开发用于PDA 等移动设备应用软件。
 
5.结束语
 
虽然大坝监测自动化取得了很大成绩, 但仍存在不少问题, 系数的可靠性、稳定性、有效性、针对性有待进一步加强, 监测人员的业务水平有待进一步提高。随着全社会科技进步的加快, 预计将涌现出大量自动化监测新技术和新产品, 水电站大坝监测自动化将在实用化的基础上向智能化发展。