馬馬崖水電站信息綜合自動化系統(tǒng)研究

1工程概況

馬馬崖一級水電站位于北盤江干流的貴州省關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn),工程屬二等大(2)型工程,為規(guī)劃梯級的第二級,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)測設(shè)施根據(jù)馬馬崖一級水電站樞紐布置、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)測對象,主要包括:大壩、防滲帷幕安全監(jiān)測:大壩邊坡安全監(jiān)測:左岸廠房安全監(jiān)測:引、尾水隧洞安全監(jiān)測:D6堆積體安全監(jiān)測:補(bǔ)朗堆積體安全監(jiān)測:DR1和DR2危巖體安全監(jiān)測。

2系統(tǒng)設(shè)計的必要性

馬馬崖一級水電站建成投入正常運(yùn)行后,存在監(jiān)測設(shè)施類型多樣且監(jiān)測點(diǎn)分布離散的問題,目前僅靠人員的人工觀測,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性和可靠性無法得到有效保證。在特殊情況下,要求對監(jiān)測設(shè)施連續(xù)實時觀測時,人工觀測的時效性及頻次無法滿足電站要求,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)測自動化系統(tǒng),能夠快速完成數(shù)據(jù)采集、及時分析、數(shù)據(jù)報送等工作。

同時,馬馬崖一級水電站監(jiān)測自成體系較多,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)相對獨(dú)立,數(shù)據(jù)無法共享調(diào)用,各子系統(tǒng)無法聯(lián)動。在已建設(shè)的子系統(tǒng)基礎(chǔ)上,有必要對各體系集成,實現(xiàn)信息綜合管理。

3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

馬馬崖一級水電站樞紐工程安全監(jiān)測綜合自動化管理系統(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)、外觀測量機(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)兩個部分組成。

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

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

(1)自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是數(shù)據(jù)采集,即對分布在各水工建筑物的各類型監(jiān)測儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)信號量采集與傳輸,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)有的自動化系統(tǒng)軟硬件等資源,結(jié)合大壩實際管理辦法,建立完整、及時、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、報告整編,實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動集中統(tǒng)一管理。

3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式

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

馬馬崖一級水電站樞紐工程自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測站主要分布在廠房洞室及大壩廊道內(nèi),邊坡上設(shè)有觀測站。基于大壩各廊道布設(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)類型MCU的方式。監(jiān)測站和監(jiān)測管理站通信采用光纖和+CT/PT總線方式,實現(xiàn)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸,如表1所示。監(jiān)測管理站和監(jiān)測中心站之間、監(jiān)測中心站和安全監(jiān)測中心之間,通過電廠內(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)采用三級連接一分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),監(jiān)測站和監(jiān)測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)測管理站和監(jiān)測中心站及安全監(jiān)測中心通過電站內(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)測管理站和監(jiān)測中心站配置機(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)測站,通過電源電纜直接引入220V交流電對設(shè)備進(jìn)行供電。采用電源電纜供電時可根據(jù)現(xiàn)場實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

雷擊對安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)危害較大,為提高監(jiān)測系統(tǒng)的防雷避雷性能,有必要對系統(tǒng)進(jìn)行全面的防雷設(shè)計。

在傳感器和MCU增加信號防雷器,可有效保護(hù)系統(tǒng),阻止過電壓損壞MCU。MCU宜選用具備良好防雷性能,可防千瓦級感應(yīng)雷電的型號。電源防雷設(shè)計采用兩級防雷保護(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: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)過程中應(yīng)可靠接地,采用屏蔽電纜。

3.5自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

自動化數(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MCU采集傳感器的信號,MCU將信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集。

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、成果分析與評價、數(shù)據(jù)報送與反饋、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

馬馬崖一級水電站的多個子系統(tǒng)需要進(jìn)行集成管理。馬馬崖一級水電站監(jiān)測子系統(tǒng)主要包括:樞紐區(qū)內(nèi)觀自動化系統(tǒng)、外觀子系統(tǒng)(邊坡測量機(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)的計算機(jī)應(yīng)組成局域網(wǎng),可實現(xiàn)互訪和監(jiān)測數(shù)據(jù)互備份。

5系統(tǒng)主要功能

5.1監(jiān)測與整編功能

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

5.2監(jiān)測成果展示及可視化

監(jiān)測成果展示及可視化功能可根據(jù)實際情況進(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)實施階段的設(shè)計資料,要實現(xiàn)的功能為文檔資料(PDF、word和Exce1)的輸入、查詢、下載等管理,同時可以調(diào)用查詢其他系統(tǒng)的設(shè)計資料(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)用查詢監(jiān)測設(shè)計資料。

5.4預(yù)警預(yù)報功能

預(yù)警預(yù)報分析包括預(yù)警判據(jù)、預(yù)警級別和信息發(fā)布(處理措施)。其主要功能為將預(yù)警判據(jù)(設(shè)計判據(jù)、科研單位判據(jù)和規(guī)范指標(biāo)判據(jù)等)與觀測成果進(jìn)行比較,得到相應(yīng)的預(yù)警級別,并根據(jù)預(yù)警級別發(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)程管理和信息報送兩方面,遠(yuǎn)程管理即通過授權(quán)可遠(yuǎn)程瀏覽服務(wù)器的監(jiān)測信息:信息報送具備不定時報送預(yù)警信息,定時向不同部門報送相關(guān)安全信息的功能。

6結(jié)語

馬馬崖一級水電站安全監(jiān)測體系范圍廣、測點(diǎn)多,各自獨(dú)立的監(jiān)測系統(tǒng)眾多,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文對馬馬崖一級水電站樞紐工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)進(jìn)行了全面的規(guī)劃設(shè)計,該系統(tǒng)可實時采集各建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù),分析評價建筑物的安全狀態(tài)。集成后的系統(tǒng)可實現(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。