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, 結合水電廠實際應用情況, 系統(tǒng)總結了10 余年監(jiān)測自動化工作經驗, 客觀評價了水電站大壩監(jiān)測自動化的現狀, 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、國民經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境密切相關。隨著電子技術的發(fā)展、數字通訊技術的推廣應用, 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, 并朝網絡化、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)測自動化設備研制始于20 世紀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 公司的數據采集儀, 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)應用較多的國內產品主要是南京南瑞集團公司的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用。
2.水電站大壩監(jiān)測自動化現狀
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。大多數大壩設有壩頂水平、垂直位移觀測, 通常每個壩段設1 對測點?；炷翂位A廊道的位移觀測通常只有高壩或特別重要的壩才設置, 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。混凝土壩的觀測設施設在基礎廊道, 揚壓力每個壩段1 個測點; 滲流量測點根據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置地下水位觀測項目, 以便監(jiān)測繞壩滲流情況。
2.1.3 應力應變等內觀項目
大壩應力應變等內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, 最常見的設施是引張線。引張線讀數儀常用的有電容式和步進電機式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用, 效果較好, 但其造價較高, 運行維護不便。近幾年CCD 式引張線式垂線坐標儀也在一些大型工程中得到應用, 但應用時間較短。
遙測垂線坐標儀。撓度用正、倒垂線組觀測。垂線的讀數儀器是遙測垂線坐標儀, 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電機式2 種, 采用CCD 式新型坐標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儀。
靜力水準儀。垂直位移大都用靜力水準觀測, 觀測水平位移的真空激光裝置也能同時觀測垂直位移。應用較多的靜力水準儀有差動變壓器式和電容式2 種, 其它類型如弦式、步進電機式等只在個別電廠得到應用。
弦式滲壓計。通常用滲壓計觀測滲透壓力和地下水位。應用最廣的是國外生產的弦式滲壓計, 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, 應增設氣壓計等措施對測值進行修正。壓阻式滲壓計在一些水電站也有應用實例, 它通過變送器后輸出的是標準電流或電壓信號, 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。目前應用較多的是進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, 很多工程沒有達到精度要求, 總的來說效果不是十分理想。
應力、應變傳感器。應用最廣的應力、應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 量測控制設備
量測控制設備的英文縮寫為MCU , 是監(jiān)測自動化系統(tǒng)的核心設備。MCU 的主要功能有: 傳感器信號采集,測點切換, A/ D 轉換, 數據通信, 數據存儲, 電源管理和時鐘等。MCU 與外界的數據通信協議基本上都是RS -
485 , 標準節(jié)點數為32 個, 通信速率與距離成反比, 1000m 以內為9600bps。MCU 與外界的數據通信方式最常見的是雙絞線, 傳輸距離較遠時也有采用光纖的, 個別受地理條件限制不便敷設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實。
2.2.3 中央控制設備
以往的中央控制設備主要指監(jiān)控主機、管理主機、不間斷電源及其它一些打印繪圖設備?，F在隨著計算機網絡的普及, 已被一個包括專用服務器和若干臺客戶機組成的小型觀測局域網所替代。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。當然, 還有一個因素是由于監(jiān)測和信息管理網絡化后, 一般都有一個專用服務器儲存監(jiān)測數據和水工的有關電子化檔案, 監(jiān)控主機的作用其實已減弱為單純的采集數據, 即使采集機損壞也不致于造成數據丟失。
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行采集等操作。自動采集的數據大多
儲存在桌面數據庫上(如Access、SQLAnywhere 等) 。此外, 系統(tǒng)的的基本特征參數、測點的屬性、計算公式等也都儲存在該數據庫上, 有些系統(tǒng)甚至把與MCU 通信的指令也儲存在該數據庫上。國家電力公司大壩安全監(jiān)察中心近幾年在全面調研水電廠監(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, 已經在幾個大型水電廠得到應用, 成效顯著。
3.實踐與經驗
3.1 規(guī)劃設計
大壩監(jiān)測自動化改造應進行專門的規(guī)劃設計。總的原則是“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)測資料和大壩的設計施工資料進行系統(tǒng)全面的分析, 找出大壩的關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。在此基礎上, 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)的技術權威組成。
3.2 安裝和實施
監(jiān)測設施的采購要排除非技術因素干擾, 應根據水電廠實際情況選擇最適合的產品。
對傳感器、MCU 等關鍵監(jiān)測設施要認真進行現場率定, 精度和穩(wěn)定性達不到要求的要堅決退換, 杜絕不合格產品的投運。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, 對運行人員的培訓工作要抓早、抓實。電廠技術人員不但要了解系統(tǒng)的基本原理, 還應在系統(tǒng)的安裝調試全過程跟班操作, 掌握基本的維修保養(yǎng)技能, 以便在系統(tǒng)出現故障時能及時自行修復。
雖然自動化監(jiān)測設備應具有在惡劣環(huán)境下工作的能力, 但水電廠還是應盡量創(chuàng)造好的環(huán)境。特別應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。
3.3 運行管理
大壩自動化監(jiān)測的
傾角傳感器設備除了自身因設備老化等原因失效外, 還會受到現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)也要定期進行巡視檢查, 發(fā)現情況要及時處理。
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。同一個廠家生產并負責安裝的硬件設備, 在一個電廠由于精心維護, 運行情況良好, 但在另一個電廠可能就一塌糊涂, 嚴重的甚至可能癱瘓。因此, 水電廠一定要培養(yǎng)自己的運行維護人員, 人員數量不在多, 但要精, 要有很強的責任心和敬業(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和大壩安全運行服務, 不是為監(jiān)測而監(jiān)測。要求水工技術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)現大壩的隱患, 指導大壩的安全運行。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, 一定要根據各水電站大壩的實際情況, 開發(fā)一套針對實際工程、體現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, 應將不成熟的技術及方法排除在軟件之外。
4.展望
4.1 觀測項目
觀測項目的設置要做到少而精。運行期則是自動化監(jiān)測的主要服務時期, 應根據大壩實際的設計、施工和初期運行情況, 針對大壩有關部位和薄弱環(huán)節(jié), 設置監(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。當然, 監(jiān)測規(guī)范也將作相應的修訂。
4.2 硬件
大壩安全自動化監(jiān)測領域所使用的智能變送器(Smart Transducer) 、光纖傳感器最終將會隨著產品的成熟逐漸走向實用, 智能傳感器( Intelligent Sensor) 的研究會更加活躍; 現場總線會從RS2485 向更先進的 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網的遠程通訊將會廣泛應用; 個人數字助理(PDA) 等數字設備將成為大壩監(jiān)測技術人員的常用工具。
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。首先從標準化、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展。數據倉庫、數據挖掘、決策支持等先進技術將在大壩監(jiān)測信息處理中得到應用。軟件技術平臺會從傳統(tǒng)的Windows 逐漸向dotNet 和Java 平臺發(fā)展, 除了普通桌面機應用軟件外, 還將開發(fā)用于PDA 等移動設備應用軟件。
5.結束語
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, 系數的可靠性、穩(wěn)定性、有效性、針對性有待進一步加強, 監(jiān)測人員的業(yè)務水平有待進一步提高。隨著全社會科技進步的加快, 預計將涌現出大量自動化監(jiān)測新技術和新產品, 水電站大壩監(jiān)測自動化將在實用化的基礎上向智能化發(fā)展。
