馬馬崖水電站信息綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究

1工程概況

馬馬崖一級(jí)水電站位于北盤(pán)江干流的貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn),工程屬二等大(2)型工程,為規(guī)劃梯級(jí)的第二級(jí),其上游為已經(jīng)建成的光照水電站,下游依次為規(guī)劃的馬馬崖二級(jí)水電站和已經(jīng)建成的董箸水電站。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸引水系統(tǒng)、左岸地下廠房和尾水系統(tǒng)組成。

安全監(jiān)測(cè)設(shè)施根據(jù)馬馬崖一級(jí)水電站樞紐布置、地質(zhì)情況,選取擋水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)和邊坡(含D6堆積體、補(bǔ)朗堆積體等)為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象,主要包括:大壩、防滲帷幕安全監(jiān)測(cè):大壩邊坡安全監(jiān)測(cè):左岸廠房安全監(jiān)測(cè):引、尾水隧洞安全監(jiān)測(cè):D6堆積體安全監(jiān)測(cè):補(bǔ)朗堆積體安全監(jiān)測(cè):DR1和DR2危巖體安全監(jiān)測(cè)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

馬馬崖一級(jí)水電站建成投入正常運(yùn)行后,存在監(jiān)測(cè)設(shè)施類(lèi)型多樣且監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布離散的問(wèn)題,目前僅靠人員的人工觀測(cè),數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性無(wú)法得到有效保證。在特殊情況下,要求對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)施連續(xù)實(shí)時(shí)觀測(cè)時(shí),人工觀測(cè)的時(shí)效性及頻次無(wú)法滿足電站要求,嚴(yán)重影響電站的調(diào)度與決策。因此需要建立一套工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng),能夠快速完成數(shù)據(jù)采集、及時(shí)分析、數(shù)據(jù)報(bào)送等工作。

同時(shí),馬馬崖一級(jí)水電站監(jiān)測(cè)自成體系較多,包括真空激光系統(tǒng)、補(bǔ)朗堆積體GNSS系統(tǒng)、強(qiáng)震系統(tǒng)、水情系統(tǒng)等,各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,數(shù)據(jù)無(wú)法共享調(diào)用,各子系統(tǒng)無(wú)法聯(lián)動(dòng)。在已建設(shè)的子系統(tǒng)基礎(chǔ)上,有必要對(duì)各體系集成,實(shí)現(xiàn)信息綜合管理。

3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

馬馬崖一級(jí)水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)綜合自動(dòng)化管理系統(tǒng),含括內(nèi)觀子系統(tǒng)(包括大壩、防滲帷幕:廠房及邊坡:地下洞室:堆積體及危巖體安全監(jiān)測(cè))、外觀測(cè)量機(jī)器人及邊坡堆積體GNSS子系統(tǒng)、已建子系統(tǒng)(水情、強(qiáng)震等)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息綜合管理系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

馬馬崖一級(jí)水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括以下內(nèi)容:

(1)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是數(shù)據(jù)采集,即對(duì)分布在各水工建筑物的各類(lèi)型監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)量采集與傳輸,根據(jù)相關(guān)的協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)換成相關(guān)物理量,按照標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)在指定的服務(wù)器上。采集系統(tǒng)中的通信主要包括MCU(數(shù)據(jù)采集單元)和傳感器之間、MCU與上位機(jī)之間的通信。

(2)信息綜合管理系統(tǒng)。以現(xiàn)代通信和信息處理技術(shù)為基礎(chǔ),充分利用現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件等資源,結(jié)合大壩實(shí)際管理辦法,建立完整、及時(shí)、先進(jìn)的信息綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以提高電站安全管理工作的整體水平和效率為目的,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、有效的管理,包括各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整理、報(bào)告整編,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)集中統(tǒng)一管理。

3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式

馬馬崖一級(jí)水電站樞紐工程自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),設(shè)置三級(jí)網(wǎng)絡(luò)(分別為監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)中心站),并預(yù)留相應(yīng)接口,可實(shí)現(xiàn)信息交換、遠(yuǎn)程連接等功能。

馬馬崖一級(jí)水電站樞紐工程自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站主要分布在廠房洞室及大壩廊道內(nèi),邊坡上設(shè)有觀測(cè)站?；诖髩胃骼鹊啦荚O(shè)情況,部分廊道有多余的分叉,根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)形式和上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),總線＋星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m合本工程安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

MCU與傳感器通信采用傳感器直接匹配相應(yīng)類(lèi)型MCU的方式。監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)管理站通信采用光纖和+CT/PT總線方式,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸,如表1所示。監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)中心站之間、監(jiān)測(cè)中心站和安全監(jiān)測(cè)中心之間,通過(guò)電廠內(nèi)部局域網(wǎng)、PN+IRNI+通信。

為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,根據(jù)馬馬崖工程建筑物分布分散的特點(diǎn),系統(tǒng)采用三級(jí)連接一分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)管理站之間采用光纖和+CT/PT網(wǎng)絡(luò)通信方式形成星型結(jié)構(gòu),監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)中心站及安全監(jiān)測(cè)中心通過(guò)電站內(nèi)部局域網(wǎng)、PN+IRNI+通信方式形成總線結(jié)構(gòu)。

3.3供電系統(tǒng)

電站監(jiān)測(cè)管理站和監(jiān)測(cè)中心站配置機(jī)柜式電源,內(nèi)置一套交流不間斷電源(UTS)、蓄電池。輸入電源引自電站常用電配電箱,采用雙電源配置,保證電力不中斷。

大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和邊坡的所有監(jiān)測(cè)站,通過(guò)電源電纜直接引入220V交流電對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。采用電源電纜供電時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取挖溝槽埋設(shè)或空中架設(shè)的方式。

3.4防雷接地設(shè)計(jì)

雷擊對(duì)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)危害較大,為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷避雷性能,有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的防雷設(shè)計(jì)。

在傳感器和MCU增加信號(hào)防雷器,可有效保護(hù)系統(tǒng),阻止過(guò)電壓損壞MCU。MCU宜選用具備良好防雷性能,可防千瓦級(jí)感應(yīng)雷電的型號(hào)。電源防雷設(shè)計(jì)采用兩級(jí)防雷保護(hù):采用電站統(tǒng)一集中供電:電源接口均安裝穩(wěn)壓設(shè)備、防雷器。

接地設(shè)計(jì):樞紐建筑物區(qū)可直接利用樞紐區(qū)的接地設(shè)施,電阻應(yīng)小于4Q:堆積體等戶外的部分設(shè)施,應(yīng)采用鋼筋+鍍鋅扁鐵方式,鋼筋應(yīng)打入地下數(shù)米,接地電阻應(yīng)小于10Q。電纜在鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)可靠接地,采用屏蔽電纜。

3.5自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能包括數(shù)據(jù)采集及處理、狀態(tài)判別和整編等,其中,數(shù)據(jù)采集是最主要的功能。數(shù)據(jù)采集的各功能有獨(dú)立的用戶界面,既可協(xié)同工作,又可單獨(dú)運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集是通過(guò)MCU采集傳感器的信號(hào),MCU將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

3.6信息綜合管理系統(tǒng)

信息綜合管理系統(tǒng)功能主要分為數(shù)據(jù)管理、成果分析與評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)報(bào)送與反饋、預(yù)警和遠(yuǎn)程服務(wù)等。信息綜合管理系統(tǒng)應(yīng)采用較為成熟、先進(jìn)的技術(shù),滿足電站現(xiàn)代管理要求。

4系統(tǒng)集成

馬馬崖一級(jí)水電站的多個(gè)子系統(tǒng)需要進(jìn)行集成管理。馬馬崖一級(jí)水電站監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要包括:樞紐區(qū)內(nèi)觀自動(dòng)化系統(tǒng)、外觀子系統(tǒng)(邊坡測(cè)量機(jī)器人及GNSS系統(tǒng))、水情系統(tǒng)、補(bǔ)朗堆積體GNSS系統(tǒng)、大壩強(qiáng)震系統(tǒng)、壩頂真空激光系統(tǒng)。系統(tǒng)集成圖如圖1所示。

子系統(tǒng)分管各自區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和儀器,信息綜合管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理各子系統(tǒng)。信息綜合管理系統(tǒng)為同一個(gè)單一界面的軟件,軟件除離線分析和服務(wù)器端功能外其余全部功能應(yīng)齊備。各子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)組成局域網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)互訪和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互備份。

5系統(tǒng)主要功能

5.1監(jiān)測(cè)與整編功能

系統(tǒng)具備自動(dòng)巡測(cè)、人工選測(cè)等多種測(cè)量采集方式:能按照相關(guān)規(guī)范及要求制作圖表及相關(guān)過(guò)程線、分布線等:同時(shí)具備物理量統(tǒng)計(jì)、成果分解、報(bào)告整編生成功能。

5.2監(jiān)測(cè)成果展示及可視化

監(jiān)測(cè)成果展示及可視化功能可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二維(建筑物和部位)成果展示,現(xiàn)階段以二維展示為主,后期可再開(kāi)發(fā)三維可視化。二維成果展示內(nèi)容如表2所示。

5.3資料成果管理功能

資料成果管理包括前期規(guī)劃、招標(biāo)階段和建設(shè)實(shí)施階段的設(shè)計(jì)資料,要實(shí)現(xiàn)的功能為文檔資料(PDF、word和Exce1)的輸入、查詢(xún)、下載等管理,同時(shí)可以調(diào)用查詢(xún)其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料(例如主體結(jié)構(gòu)圖紙、地質(zhì)資料等),其他系統(tǒng)也可以調(diào)用查詢(xún)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)資料。

5.4預(yù)警預(yù)報(bào)功能

預(yù)警預(yù)報(bào)分析包括預(yù)警判據(jù)、預(yù)警級(jí)別和信息發(fā)布(處理措施)。其主要功能為將預(yù)警判據(jù)(設(shè)計(jì)判據(jù)、科研單位判據(jù)和規(guī)范指標(biāo)判據(jù)等)與觀測(cè)成果進(jìn)行比較,得到相應(yīng)的預(yù)警級(jí)別,并根據(jù)預(yù)警級(jí)別發(fā)布相應(yīng)的處理措施。預(yù)警應(yīng)根據(jù)要求劃分為不同級(jí)別。

5.5遠(yuǎn)程服務(wù)功能

遠(yuǎn)程服務(wù)功能包括遠(yuǎn)程管理和信息報(bào)送兩方面,遠(yuǎn)程管理即通過(guò)授權(quán)可遠(yuǎn)程瀏覽服務(wù)器的監(jiān)測(cè)信息:信息報(bào)送具備不定時(shí)報(bào)送預(yù)警信息,定時(shí)向不同部門(mén)報(bào)送相關(guān)安全信息的功能。

6結(jié)語(yǔ)

馬馬崖一級(jí)水電站安全監(jiān)測(cè)體系范圍廣、測(cè)點(diǎn)多,各自獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)眾多,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文對(duì)馬馬崖一級(jí)水電站樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了全面的規(guī)劃設(shè)計(jì),該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集各建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析評(píng)價(jià)建筑物的安全狀態(tài)。集成后的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)管理一體化,具備完善的應(yīng)用管理功能,滿足了電站的現(xiàn)代化管理要求。