摘 要: 簡要回顧了電力系統(tǒng)水電站大壩安全監(jiān)測自動化的發(fā)展過程, 結(jié)合水電廠實際應(yīng)用情況, 系統(tǒng)總結(jié)了10 余年監(jiān)測自動化工作經(jīng)驗, 客觀評價了水電站大壩監(jiān)測自動化的現(xiàn)狀, 提出了監(jiān)測自動化的發(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產(chǎn)、國民經(jīng)濟發(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)測自動化提供了保障。目前, 全國電力系統(tǒng)的大壩監(jiān)測自動化已全面展開, 并朝網(wǎng)絡(luò)化、實用化方向發(fā)展。
1.發(fā)展歷史簡要回顧
國外開展大壩監(jiān)測自動化設(shè)備研制始于20 世紀(jì)60 年代末。目前國際上有代表性的系統(tǒng)有美國Campbell Scientific 公司的CR —10 系統(tǒng), 其測量單元機芯被世界大多數(shù)監(jiān)測儀器制造商(包括基康、SINCO、ROCTEST等)用做其自動化系統(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)水電站是我國最早開展大壩安全監(jiān)測自動化單位。電力系統(tǒng)應(yīng)用較多的國內(nèi)產(chǎn)品主要是南京南瑞集團(tuán)公司的DAMS 系統(tǒng)和南京水文自動化研究所的DG系統(tǒng), 國外系統(tǒng)是美國 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開放型分布式系統(tǒng)也在多個水電廠得到應(yīng)用。
2.水電站大壩監(jiān)測自動化現(xiàn)狀
2.1 自動化監(jiān)測項目
2.1.1 變形
大壩變形是水電站大壩的重要監(jiān)測項目。又可分為水平位移和垂直位移2 個子項。大多數(shù)大壩設(shè)有壩頂水平、垂直位移觀測, 通常每個壩段設(shè)1 對測點?；炷翂位A(chǔ)廊道的位移觀測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。近幾年對典型壩段的水平位移觀測較為重視, 一般沿壩高布置3 個以上測點。
2.1.2 滲流
大壩滲流也是水電站大壩的重要監(jiān)測項目之一。又可分為滲透壓力和滲流量2 個子項?；炷翂蔚挠^測設(shè)施設(shè)在基礎(chǔ)廊道, 揚壓力每個壩段1 個測點; 滲流量測點根據(jù)排水溝集水情況確定, 一般能測出分區(qū)流量和總量。土石壩的滲流量都在壩趾滲水匯集處觀測, 滲壓測點則根據(jù)具體壩型布置在壩體浸潤線下面或趾板后等部位。此外, 大壩的左右兩岸山坡還設(shè)置地下水位觀測項目, 以便監(jiān)測繞壩滲流情況。
2.1.3 應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)觀項目
大壩應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)觀項目是水電站大壩的一般性觀測項目, 只有一些重要測點才納入自動化監(jiān)測, 很多中低壩都已停測或封存這類觀測項目。
2.2 自動化觀測設(shè)備
2.2.1 常用傳感器
引張線。目前水平位移自動化觀測中, 最常見的設(shè)施是引張線。引張線讀數(shù)儀常用的有電容式和步進(jìn)電機式2 種, 前者測讀速度快, 但對環(huán)境要求高, 且線體太長時中間易偏離; 后者測讀速度慢, 但對環(huán)境的要求不高, 長期穩(wěn)定性較好。真空激光裝置近幾年發(fā)展較快, 已在十幾個工程得到應(yīng)用, 效果較好, 但其造價較高, 運行維護(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)用時間較短。
遙測垂線坐標(biāo)儀。撓度用正、倒垂線組觀測。垂線的讀數(shù)儀器是遙測垂線坐標(biāo)儀, 其工作原理和特點與引張線儀一樣。常用的是電容式和步進(jìn)電機式2 種, 采用CCD 式新型坐標(biāo)儀的工程正在逐漸增加, 個別大壩(如二灘) 采用了國外的電感式坐標(biāo)儀。
靜力水準(zhǔn)儀。垂直位移大都用靜力水準(zhǔn)觀測, 觀測水平位移的真空激光裝置也能同時觀測垂直位移。應(yīng)用較多的靜力水準(zhǔn)儀有差動變壓器式和電容式2 種, 其它類型如弦式、步進(jìn)電機式等只在個別電廠得到應(yīng)用。
弦式滲壓計。通常用滲壓計觀測滲透壓力和地下水位。應(yīng)用最廣的是國外生產(chǎn)的弦式滲壓計, 其特點是耐久性和穩(wěn)定性都較好, 但測值受大氣壓變化影響, 小量程時, 精度較難保證, 應(yīng)增設(shè)氣壓計等措施對測值進(jìn)行修正。壓阻式滲壓計在一些水電站也有應(yīng)用實例, 它通過變送器后輸出的是標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號, 精度也較高, 但其長期穩(wěn)定性不夠高。
滲流量儀。滲流量一般都用量水堰觀測, 通過測讀堰上游水面高度, 用三角堰或矩形堰流量公式換算出實際的滲流量。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。由于對水面高度量測精度的要求高, 很多工程沒有達(dá)到精度要求, 總的來說效果不是十分理想。
應(yīng)力、應(yīng)變傳感器。應(yīng)用最廣的應(yīng)力、應(yīng)變傳感器是差動電阻式儀器, 它的特點是價格低廉, 精度可以滿足要求, 長期穩(wěn)定性較好, 但外接電纜不宜太長。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, 信號不易受干擾, 便于長距離傳輸。
2.2.2 量測控制設(shè)備
量測控制設(shè)備的英文縮寫為MCU , 是監(jiān)測自動化系統(tǒng)的核心設(shè)備。MCU 的主要功能有: 傳感器信號采集,測點切換, A/ D 轉(zhuǎn)換, 數(shù)據(jù)通信, 數(shù)據(jù)存儲, 電源管理和時鐘等。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)點數(shù)為32 個, 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)通信方式最常見的是雙絞線, 傳輸距離較遠(yuǎn)時也有采用光纖的, 個別受地理條件限制不便敷設(shè)電纜的地方也有采用無線通信,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。
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、管理主機、不間斷電源及其它一些打印繪圖設(shè)備?，F(xiàn)在隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的普及, 已被一個包括專用服務(wù)器和若干臺客戶機組成的小型觀測局域網(wǎng)所替代。監(jiān)控主機由于要求24h連續(xù)運行, 早期一般都選用工控機。隨著微機的普及, 現(xiàn)在普通微機的穩(wěn)定性和可靠性已大大提高, 且價格明顯低于工控機, 因此很多工程都選用品牌微機作為監(jiān)控主機。當(dāng)然, 還有一個因素是由于監(jiān)測和信息管理網(wǎng)絡(luò)化后, 一般都有一個專用服務(wù)器儲存監(jiān)測數(shù)據(jù)和水工的有關(guān)電子化檔案, 監(jiān)控主機的作用其實已減弱為單純的采集數(shù)據(jù), 即使采集機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)測信息管理軟件2 部分。采集軟件通常都具有測點管理、選點測量、選MCU 測量、自報式測量等功能, 還有對測值是否超限的簡單評判功能。為便于操作, 采集軟件界面一般都比較直觀, 測點位置、大壩剖面圖等在窗口上一目了然, 觀測人員能方便地點擊測點進(jìn)行采集等操作。自動采集的數(shù)據(jù)大多
儲存在桌面數(shù)據(jù)庫上(如Access、SQLAnywhere 等) 。此外, 系統(tǒng)的的基本特征參數(shù)、測點的屬性、計算公式等也都儲存在該數(shù)據(jù)庫上, 有些系統(tǒng)甚至把與MCU 通信的指令也儲存在該數(shù)據(jù)庫上。國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)測自動化改造情況、充分了解行業(yè)需求的基礎(chǔ)上, 開發(fā)出了全新的大壩監(jiān)測信息與水工安全管理軟件, 已經(jīng)在幾個大型水電廠得到應(yīng)用, 成效顯著。
3.實踐與經(jīng)驗
3.1 規(guī)劃設(shè)計
大壩監(jiān)測自動化改造應(yīng)進(jìn)行專門的規(guī)劃設(shè)計?？偟脑瓌t是“少而精, 統(tǒng)一規(guī)劃, 分步實施”。 自動化監(jiān)測項目及測點一定要從大壩的實際性態(tài)出發(fā)選定, 實際需要和技術(shù)上的可行性要兼顧。為此, 必須首先對已有的監(jiān)測資料和大壩的設(shè)計施工資料進(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, 確定對這些部位實施重點監(jiān)測的項目和測點。針對性不強、目的性不明確、可有可無的測點, 盡量不納入自動化系統(tǒng),要真正做到少而精。監(jiān)測自動化改造設(shè)計必須通過專家評審, 否則不能實施。專家組要由水工、監(jiān)測自動化等專業(yè)的技術(shù)權(quán)威組成。
3.2 安裝和實施
監(jiān)測設(shè)施的采購要排除非技術(shù)因素干擾, 應(yīng)根據(jù)水電廠實際情況選擇最適合的產(chǎn)品。
對傳感器、MCU 等關(guān)鍵監(jiān)測設(shè)施要認(rèn)真進(jìn)行現(xiàn)場率定, 精度和穩(wěn)定性達(dá)不到要求的要堅決退換, 杜絕不合格產(chǎn)品的投運。此外, 對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)過長時間的通電考驗后才能接入系統(tǒng)。為了使水電廠的監(jiān)測人員全面掌握大壩自動化系統(tǒng), 便于今后的運行維護(hù), 對運行人員的培訓(xùn)工作要抓早、抓實。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)故障時能及時自行修復(fù)。
雖然自動化監(jiān)測設(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, 對有可能遭到雷擊的部位, 要做好接地保護(hù)。
3.3 運行管理
大壩自動化監(jiān)測的
傾角傳感器設(shè)備除了自身因設(shè)備老化等原因失效外, 還會受到現(xiàn)場鼠類等動物的破壞, 有些電廠甚至遭到附近村民的偷盜。因此, 對自動化監(jiān)測系統(tǒng)也要定期進(jìn)行巡視檢查, 發(fā)現(xiàn)情況要及時處理。
很多電廠自動化監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐證明, 運行管理人員的責(zé)任心大小和工作能力強弱對系統(tǒng)的長期有效運行影響很大。同一個廠家生產(chǎn)并負(fù)責(zé)安裝的硬件設(shè)備, 在一個電廠由于精心維護(hù), 運行情況良好, 但在另一個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)自己的運行維護(hù)人員, 人員數(shù)量不在多, 但要精, 要有很強的責(zé)任心和敬業(yè)精神, 掌握水工、監(jiān)測、自動化、計算機等專業(yè)的基本知識, 特別在自動化和計算機方面有較強的興趣愛好和動手能力。
監(jiān)測的目的是盡可能地為水電廠安全生產(chǎn)和大壩安全運行服務(wù), 不是為監(jiān)測而監(jiān)測。要求水工技術(shù)人員充分利用自動化系統(tǒng)采集到的各種監(jiān)測信息, 加強對信息的整理分析, 以便及時發(fā)現(xiàn)大壩的隱患, 指導(dǎo)大壩的安全運行。要做好這項工作, 傳統(tǒng)的手工作業(yè)或依靠常規(guī)的計算機辦公軟件顯然是不夠的, 一定要根據(jù)各水電站大壩的實際情況, 開發(fā)一套針對實際工程、體現(xiàn)水電廠水工管理水平、集水工管理、監(jiān)測、防汛于一體的專業(yè)軟件。軟件要突出成熟性、實用性、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 觀測項目
觀測項目的設(shè)置要做到少而精。運行期則是自動化監(jiān)測的主要服務(wù)時期, 應(yīng)根據(jù)大壩實際的設(shè)計、施工和初期運行情況, 針對大壩有關(guān)部位和薄弱環(huán)節(jié), 設(shè)置監(jiān)測項目。監(jiān)測針對性加強和重點突出后, 接入自動化系統(tǒng)的測點數(shù)量將為大幅度減少, 但對監(jiān)測的有效性和接入項目的精度、可靠性要求會更高。當(dāng)然, 監(jiān)測規(guī)范也將作相應(yīng)的修訂。
4.2 硬件
大壩安全自動化監(jiān)測領(lǐng)域所使用的智能變送器(Smart Transducer) 、光纖傳感器最終將會隨著產(chǎn)品的成熟逐漸走向?qū)嵱? 智能傳感器( Intelligent Sensor) 的研究會更加活躍; 現(xiàn)場總線會從RS2485 向更先進(jìn)的 LonWorks 過渡; 通訊方式將更多樣化和實用化, 無線通訊、光纖通訊和基于Intemet網(wǎng)的遠(yuǎn)程通訊將會廣泛應(yīng)用; 個人數(shù)字助理(PDA) 等數(shù)字設(shè)備將成為大壩監(jiān)測技術(shù)人員的常用工具。
4.3 軟件
監(jiān)測信息處理軟件將先后在實用化和智能化兩方面得到發(fā)展。首先從標(biāo)準(zhǔn)化、實用化、正規(guī)化方面取得突破, 然后會在智能化方面取得進(jìn)展。數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持等先進(jìn)技術(shù)將在大壩監(jiān)測信息處理中得到應(yīng)用。軟件技術(shù)平臺會從傳統(tǒng)的Windows 逐漸向dotNet 和Java 平臺發(fā)展, 除了普通桌面機應(yīng)用軟件外, 還將開發(fā)用于PDA 等移動設(shè)備應(yīng)用軟件。
5.結(jié)束語
雖然大壩監(jiān)測自動化取得了很大成績, 但仍存在不少問題, 系數(shù)的可靠性、穩(wěn)定性、有效性、針對性有待進(jìn)一步加強, 監(jiān)測人員的業(yè)務(wù)水平有待進(jìn)一步提高。隨著全社會科技進(jìn)步的加快, 預(yù)計將涌現(xiàn)出大量自動化監(jiān)測新技術(shù)和新產(chǎn)品, 水電站大壩監(jiān)測自動化將在實用化的基礎(chǔ)上向智能化發(fā)展。
