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)測設施根據馬馬崖一級水電站樞紐布置、地質情況,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)設計的必要性

馬馬崖一級水電站建成投入正常運行后,存在監(jiān)測設施類型多樣且監(jiān)測點分布離散的問題,目前僅靠人員的人工觀測,數據的準確性、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,嚴重影響電站的調度與決策。因此需要建立一套工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng),能夠快速完成數據采集、及時分析、數據報送等工作。

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)、補朗堆積體GNSS系統(tǒng)、強震系統(tǒng)、水情系統(tǒng)等,各子系統(tǒng)相對獨立,數據無法共享調用,各子系統(tǒng)無法聯動。在已建設的子系統(tǒng)基礎上,有必要對各體系集成,實現信息綜合管理。

3系統(tǒng)總體結構

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)、外觀測量機器人及邊坡堆積體GNSS子系統(tǒng)、已建子系統(tǒng)(水情、強震等)。系統(tǒng)主要由數據采集系統(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)的構成主要包括以下內容:

(1)自動化數據采集系統(tǒng)。自動化數據采集系統(tǒng)主要功能是數據采集,即對分布在各水工建筑物的各類型監(jiān)測儀器進行標準信號量采集與傳輸,根據相關的協議、標準,轉換成相關物理量,按照標準格式存儲在指定的服務器上。采集系統(tǒng)中的通信主要包括MCU(數據采集單元)和傳感器之間、MCU與上位機之間的通信。

(2)信息綜合管理系統(tǒng)。以現代通信和信息處理技術為基礎,充分利用現有的自動化系統(tǒng)軟硬件等資源,結合大壩實際管理辦法,建立完整、及時、先進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,對采集的數據進行科學、有效的管理,包括各子系統(tǒng)數據交換、數據分析、數據整理、報告整編,實現系統(tǒng)聯動集中統(tǒng)一管理。

3.2網絡結構型式

馬馬崖一級水電站樞紐工程自動化系統(tǒng)采用分布式網絡結構,設置三級網絡(分別為監(jiān)測站、監(jiān)測管理站和監(jiān)測中心站),并預留相應接口,可實現信息交換、遠程連接等功能。

馬馬崖一級水電站樞紐工程自動化系統(tǒng)的現場監(jiān)測站主要分布在廠房洞室及大壩廊道內,邊坡上設有觀測站?；诖髩胃骼鹊啦荚O情況,部分廊道有多余的分叉,根據建筑物結構形式和上述網絡結構特點,總線＋星型網絡拓撲適合本工程安全監(jiān)測網絡系統(tǒng)。

MCU與傳感器通信采用傳感器直接匹配相應類型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,實現系統(tǒng)的高速數據傳輸,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,通過電廠內部局域網、PN+IRNI+通信。

為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,根據馬馬崖工程建筑物分布分散的特點,系統(tǒng)采用三級連接一分布式網絡結構,監(jiān)測站和監(jiān)測管理站之間采用光纖和+CT/PT網絡通信方式形成星型結構,監(jiān)測管理站和監(jiān)測中心站及安全監(jiān)測中心通過電站內部局域網、PN+IRNI+通信方式形成總線結構。

3.3供電系統(tǒng)

電站監(jiān)測管理站和監(jiān)測中心站配置機柜式電源,內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交流電對設備進行供電。采用電源電纜供電時可根據現場實際情況采取挖溝槽埋設或空中架設的方式。

3.4防雷接地設計

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)進行全面的防雷設計。

在傳感器和MCU增加信號防雷器,可有效保護系統(tǒng),阻止過電壓損壞MCU。MCU宜選用具備良好防雷性能,可防千瓦級感應雷電的型號。電源防雷設計采用兩級防雷保護:采用電站統(tǒng)一集中供電:電源接口均安裝穩(wěn)壓設備、防雷器。

接地設計:樞紐建筑物區(qū)可直接利用樞紐區(qū)的接地設施,電阻應小于4Q:堆積體等戶外的部分設施,應采用鋼筋+鍍鋅扁鐵方式,鋼筋應打入地下數米,接地電阻應小于10Q。電纜在鋪設過程中應可靠接地,采用屏蔽電纜。

3.5自動化數據采集系統(tǒng)

自動化數據采集系統(tǒng)主要功能包括數據采集及處理、狀態(tài)判別和整編等,其中,數據采集是最主要的功能。數據采集的各功能有獨立的用戶界面,既可協同工作,又可單獨運行。數據采集是通過MCU采集傳感器的信號,MCU將信號傳輸到上位機軟件,實現監(jiān)測數據的自動采集。

3.6信息綜合管理系統(tǒng)

信息綜合管理系統(tǒng)功能主要分為數據管理、成果分析與評價、數據報送與反饋、預警和遠程服務等。信息綜合管理系統(tǒng)應采用較為成熟、先進的技術,滿足電站現代管理要求。

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)內觀自動化系統(tǒng)、外觀子系統(tǒng)(邊坡測量機器人及GNSS系統(tǒng))、水情系統(tǒng)、補朗堆積體GNSS系統(tǒng)、大壩強震系統(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器端功能外其余全部功能應齊備。各子系統(tǒng)的計算機應組成局域網,可實現互訪和監(jiān)測數據互備份。

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:能按照相關規(guī)范及要求制作圖表及相關過程線、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實際情況進行二維(建筑物和部位)成果展示,現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、招標階段和建設實施階段的設計資料,要實現的功能為文檔資料(PDF、word和Exce1)的輸入、查詢、下載等管理,同時可以調用查詢其他系統(tǒng)的設計資料(例如主體結構圖紙、地質資料等),其他系統(tǒng)也可以調用查詢監(jiān)測設計資料。

5.4預警預報功能

預警預報分析包括預警判據、預警級別和信息發(fā)布(處理措施)。其主要功能為將預警判據(設計判據、科研單位判據和規(guī)范指標判據等)與觀測成果進行比較,得到相應的預警級別,并根據預警級別發(fā)布相應的處理措施。預警應根據要求劃分為不同級別。

5.5遠程服務功能

遠程服務功能包括遠程管理和信息報送兩方面,遠程管理即通過授權可遠程瀏覽服務器的監(jiān)測信息:信息報送具備不定時報送預警信息,定時向不同部門報送相關安全信息的功能。

6結語

馬馬崖一級水電站安全監(jiān)測體系范圍廣、測點多,各自獨立的監(jiān)測系統(tǒng)眾多,數據結構復雜。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)進行了全面的規(guī)劃設計,該系統(tǒng)可實時采集各建筑物監(jiān)測數據,分析評價建筑物的安全狀態(tài)。集成后的系統(tǒng)可實現管理一體化,具備完善的應用管理功能,滿足了電站的現代化管理要求。