马马崖水电站信息综合自动化系统研究

1工程概况

马马崖一级水电站位于北盘江干流的贵州省关岭县花江镇,工程属二等大(2)型工程,为规划梯级的第二级,其上游为已经建成的光照水电站,下游依次为规划的马马崖二级水电站和已经建成的董箸水电站。枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸引水系统、左岸地下厂房和尾水系统组成。

安全监测设施根据马马崖一级水电站枢纽布置、地质情况,选取挡水建筑物、引水发电系统和边坡(含D6堆积体、补朗堆积体等)为主要监测对象,主要包括:大坝、防渗帷幕安全监测:大坝边坡安全监测:左岸厂房安全监测:引、尾水隧洞安全监测:D6堆积体安全监测:补朗堆积体安全监测:DR1和DR2危岩体安全监测。

2系统设计的必要性

马马崖一级水电站建成投入正常运行后,存在监测设施类型多样且监测点分布离散的问题,目前仅靠人员的人工观测,数据的准确性、实时性和可靠性无法得到有效保证。在特殊情况下,要求对监测设施连续实时观测时,人工观测的时效性及频次无法满足电站要求,严重影响电站的调度与决策。因此需要建立一套工程安全监测自动化系统,能够快速完成数据采集、及时分析、数据报送等工作。

同时,马马崖一级水电站监测自成体系较多,包括真空激光系统、补朗堆积体GNSS系统、强震系统、水情系统等,各子系统相对独立,数据无法共享调用,各子系统无法联动。在已建设的子系统基础上,有必要对各体系集成,实现信息综合管理。

3系统总体结构

马马崖一级水电站枢纽工程安全监测综合自动化管理系统,含括内观子系统(包括大坝、防渗帷幕:厂房及边坡:地下洞室:堆积体及危岩体安全监测)、外观测量机器人及边坡堆积体GNSS子系统、已建子系统(水情、强震等)。系统主要由数据采集系统、信息综合管理系统两个部分组成。

3.1系统构成

马马崖一级水电站枢纽工程安全监测自动化系统的构成主要包括以下内容:

(1)自动化数据采集系统。自动化数据采集系统主要功能是数据采集,即对分布在各水工建筑物的各类型监测仪器进行标准信号量采集与传输,根据相关的协议、标准,转换成相关物理量,按照标准格式存储在指定的服务器上。采集系统中的通信主要包括MCU(数据采集单元)和传感器之间、MCU与上位机之间的通信。

(2)信息综合管理系统。以现代通信和信息处理技术为基础,充分利用现有的自动化系统软硬件等资源,结合大坝实际管理办法,建立完整、及时、先进的信息综合管理系统。系统以提高电站安全管理工作的整体水平和效率为目的,对采集的数据进行科学、有效的管理,包括各子系统数据交换、数据分析、数据整理、报告整编,实现系统联动集中统一管理。

3.2网络结构型式

马马崖一级水电站枢纽工程自动化系统采用分布式网络结构,设置三级网络(分别为监测站、监测管理站和监测中心站),并预留相应接口,可实现信息交换、远程连接等功能。

马马崖一级水电站枢纽工程自动化系统的现场监测站主要分布在厂房洞室及大坝廊道内,边坡上设有观测站。基于大坝各廊道布设情况,部分廊道有多余的分叉,根据建筑物结构形式和上述网络结构特点,总线＋星型网络拓扑适合本工程安全监测网络系统。

MCU与传感器通信采用传感器直接匹配相应类型MCU的方式。监测站和监测管理站通信采用光纤和+CT/PT总线方式,实现系统的高速数据传输,如表1所示。监测管理站和监测中心站之间、监测中心站和安全监测中心之间,通过电厂内部局域网、PN+IRNI+通信。

为确保系统的稳定可靠,根据马马崖工程建筑物分布分散的特点,系统采用三级连接一分布式网络结构,监测站和监测管理站之间采用光纤和+CT/PT网络通信方式形成星型结构,监测管理站和监测中心站及安全监测中心通过电站内部局域网、PN+IRNI+通信方式形成总线结构。

3.3供电系统

电站监测管理站和监测中心站配置机柜式电源,内置一套交流不间断电源(UTS)、蓄电池。输入电源引自电站常用电配电箱,采用双电源配置,保证电力不中断。

大坝、引水发电系统和边坡的所有监测站,通过电源电缆直接引入220V交流电对设备进行供电。采用电源电缆供电时可根据现场实际情况采取挖沟槽埋设或空中架设的方式。

3.4防雷接地设计

雷击对安全监测自动化系统危害较大,为提高监测系统的防雷避雷性能,有必要对系统进行全面的防雷设计。

在传感器和MCU增加信号防雷器,可有效保护系统,阻止过电压损坏MCU。MCU宜选用具备良好防雷性能,可防千瓦级感应雷电的型号。电源防雷设计采用两级防雷保护:采用电站统一集中供电:电源接口均安装稳压设备、防雷器。

接地设计:枢纽建筑物区可直接利用枢纽区的接地设施,电阻应小于4Q:堆积体等户外的部分设施,应采用钢筋+镀锌扁铁方式,钢筋应打入地下数米,接地电阻应小于10Q。电缆在铺设过程中应可靠接地,采用屏蔽电缆。

3.5自动化数据采集系统

自动化数据采集系统主要功能包括数据采集及处理、状态判别和整编等,其中,数据采集是最主要的功能。数据采集的各功能有独立的用户界面,既可协同工作,又可单独运行。数据采集是通过MCU采集传感器的信号,MCU将信号传输到上位机软件,实现监测数据的自动采集。

3.6信息综合管理系统

信息综合管理系统功能主要分为数据管理、成果分析与评价、数据报送与反馈、预警和远程服务等。信息综合管理系统应采用较为成熟、先进的技术,满足电站现代管理要求。

4系统集成

马马崖一级水电站的多个子系统需要进行集成管理。马马崖一级水电站监测子系统主要包括:枢纽区内观自动化系统、外观子系统(边坡测量机器人及GNSS系统)、水情系统、补朗堆积体GNSS系统、大坝强震系统、坝顶真空激光系统。系统集成图如图1所示。

子系统分管各自区域内的监测系统和仪器,信息综合管理系统统一管理各子系统。信息综合管理系统为同一个单一界面的软件,软件除离线分析和服务器端功能外其余全部功能应齐备。各子系统的计算机应组成局域网,可实现互访和监测数据互备份。

5系统主要功能

5.1监测与整编功能

系统具备自动巡测、人工选测等多种测量采集方式:能按照相关规范及要求制作图表及相关过程线、分布线等:同时具备物理量统计、成果分解、报告整编生成功能。

5.2监测成果展示及可视化

监测成果展示及可视化功能可根据实际情况进行二维(建筑物和部位)成果展示,现阶段以二维展示为主,后期可再开发三维可视化。二维成果展示内容如表2所示。

5.3资料成果管理功能

资料成果管理包括前期规划、招标阶段和建设实施阶段的设计资料,要实现的功能为文档资料(PDF、word和Exce1)的输入、查询、下载等管理,同时可以调用查询其他系统的设计资料(例如主体结构图纸、地质资料等),其他系统也可以调用查询监测设计资料。

5.4预警预报功能

预警预报分析包括预警判据、预警级别和信息发布(处理措施)。其主要功能为将预警判据(设计判据、科研单位判据和规范指标判据等)与观测成果进行比较,得到相应的预警级别,并根据预警级别发布相应的处理措施。预警应根据要求划分为不同级别。

5.5远程服务功能

远程服务功能包括远程管理和信息报送两方面,远程管理即通过授权可远程浏览服务器的监测信息:信息报送具备不定时报送预警信息,定时向不同部门报送相关安全信息的功能。

6结语

马马崖一级水电站安全监测体系范围广、测点多,各自独立的监测系统众多,数据结构复杂。本文对马马崖一级水电站枢纽工程安全监测自动化系统进行了全面的规划设计,该系统可实时采集各建筑物监测数据,分析评价建筑物的安全状态。集成后的系统可实现管理一体化,具备完善的应用管理功能,满足了电站的现代化管理要求。