天荒坪抽水蓄能电站水工监测系统改造

焦修明

（华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉313302）

0 引言

天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县天荒坪镇，电站枢纽主要建筑物由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、开关站及主控室等部分组成。引水隧洞采用一洞三机布置型式，尾水隧洞采用一洞一机布置型式，两条引水斜井中心间距为59.54 m。上下库库底高差590 m，平均水头570 m，最大发电毛水头610.20 m，电站上下库均为日调节水库。地下厂房内装有6台单机为300 MW的机组。

1999年6月，电站投产初期，水工监测开始接入自动化系统，系统采用美国原装进口的Geoma⁃tion 2380，由一个监测管理中心站和33个现场测控单元组成，各测控单元之间、测控单元与监测管理中心站之间均采用光纤实现网络通信。接入数据自动采集系统的传感器有：多点变位计、渗压计、应变计、钢筋计、测缝计、水位计、雨量计等共计850只。

Geomation系统由33个Geomation2380现场测控单元和位于中控楼内的主监控站组成，测控单元的位置以及网络连接见图1。

1 Geomation系统运行情况及改造原因

Geomation2380系统经过十年运行，总体上稳定、可靠，满足大坝安全监测的需要。但随着工作年限的增长，不少设备模块出现老化现象，系统的可靠性下降，而且该型号产品Geomation 2380已停产，备品备件基本用完，一旦监测模块出现问题，系统恢复的难度较大，难以保证水工建筑物的安全监测；同时，不少监测仪器老化、损坏，部分仪器电缆断裂、进水等，导致这些仪器无法正常测量，测值不正确或无法测读，监测资料可靠性下降，影响到水工建筑物安全监测的完整性和连续性。因此，将监测系统进行大修改造是非常必要的。如果仍采用Geomation系统，需将原系统升级换代，全部重新购置美国生产的升级版模块，费用高，且由于厂家不在国内，售后服务得不到保障。

图1 Geomation2380测控单元网络连接图Fig.1 Network connection of Geomation2380 measure-control units

从近几年国内水电站大坝监测自动化系统的发展和运行情况看，国产自动化系统的性能已有很大提高，系统运行稳定，技术成熟，可靠性较好，能满足工程安全监测的需要，且经济合理。为保障安全监测系统的可靠性，提高监测资料的准确性及自动化系统的稳定性，对重要部位的监测仪器进行及时的修复及更换，采用国产自动化系统替代现有自动化系统是可行的。

2 改造前的准备工作

2.1 系统调研

由于抽水蓄能电站运行方式与常规电站有着明显的不同，其水工建筑物不仅型式多、分布广，而且高压输水系统长期承受高水头，上下水库水位变化频繁，变幅大，所以电站的水工建筑物的安全监测非常重要。因此，在水工自动化改造过程中保证数据的连续性和稳定性就更加重要：许多重要监测数据的采集频率为2次/h，这就要求现场更换采集模块速度要快，并保证通讯畅通；同时还要兼顾信息管理软件与数据采集系统的配套，以方便快捷地调用新系统采集的数据库，并可以将原数据库的数据与新采集的数据库对接。

为达到上述要求，对改造方案采取了非常慎重、全面的评估。系统改造的前一年内，对国内几个水工监测系统厂家进行了深入的调研。

目前，国内外各仪器厂家生产的监测数据自动采集系统大都采用分布式系统。分布式系统可以将不同类型的传感器就近接入现场的各个测控单元，经测控单元进行数据转换，通过通信光缆与监测管理中心站的采集计算机连接，将信息传送到监测管理中心站。这种监测数据的采集和传输具有很高的系统抗干扰能力，极大地提高了系统运行的可靠性。工程中应用较多、具有代表性的国产系统有：南京南瑞集团公司DAMS-Ⅳ型智能分布式数据采集系统、南京水利水文自动化研究所DG型分布式数据采集系统、基康仪器（北京）有限公司的BGK-MICRO分布式数据自动采集系统和北京木联能工程科技有限公司的LN1018Ⅱ型分布式数据采集系统等。

上述各系统都已在许多工程中成功应用，各有特色，使用效果较好。从应用情况看，目前国产分布式监测数据自动采集系统的功能基本达到国外先进水平，其价格比国外系统便宜，使用、维修、售后服务更为方便。

经过深入广泛的调研，提出了自动化系统大修基本原则：

（1）先进性：监测自动化系统应采用先进的自动采集系统、高性能计算机网络和监测信息管理分析软件，实现监测数据的采集、处理和分析，及时了解水工建筑物的工作状态。

（2）可靠性：自动化系统各项性能应满足规范要求，具有较好的防雷性能，并能长期稳定运行。具备人工监测手段，以便定期校测。

（3）易维护性：除系统具有较好性能、减少故障外，应具有自诊断等功能，维护工作简单容易。

（4）可扩展性：系统应具有较强的可扩展性，提供良好的接口，能够方便地添加功能模块。

（5）经济性：在满足需求的前提下，应选择价格合适、维修方便、售后服务较好的产品。

同时对系统的性能指标如实时性、准确性、灵活性、安全性、实用性等也提出了具体的要求。

根据以上原则进行公开招标，数据采集系统最终选定南京水利水文自动化研究所生产的DG-2005型分布式大坝安全监测数据采集系统；信息管理系统最终选定国家电力监管委员会大坝安全监察中心研发的大坝安全监测信息管理系统。

2.2 仪器鉴定

为进行监测系统改造，还需对系统内的自动化仪器进行全面的测试与鉴定：

（1）考察每支仪器的实测资料过程线，根据各测点的具体情况和监测资料，分析判断观测资料的可靠性和长期稳定性。

（2）对差动电阻式传感器，采用水工电桥和兆欧表进行测试；对弦式传感器，采用频率计进行测试，分析判断接入自动化系统的传感器和采集模块的工作状态，同时结合过程线评价情况对每一支仪器进行分类，提出报废、封存停测及继续观测的仪器，为水工建筑物监测自动化系统大修提供依据。

（3）对廊道测压管、山体地下水位孔、流量等进行人工与自动化对比测试，考核传感器的准确性。

综合现场检测成果及历史观测资料，鉴定的498支仪器中，297支仪器达到A类仪器标准，占总数的60%；126支仪器达到B类仪器标准，占总数的25%；45支被评定为C类仪器，占9%；30支为D类仪器。

其中有101支仪器（差阻式仪器65支，弦式仪器36支）经现场测试仪器工作正常，但接入自动化系统后，短期稳定性均不能满足要求，可见这些仪器对应的数据采集系统模块和通道可靠性或稳定性较差。

3 改造的内容及成果

3.1 改造内容

水工监测系统改造的主要内容是将美国Geo⁃mation 2380系统更换为国产DG-2005型监测系统，并采用大坝安全监测信息管理系统做好数据库的对接处理，具体步骤如下：

（1）拆卸原有的GemationMCU观测箱，并清理箱内设备和电缆。

（2）疏通、整理接入自动化系统的所有监测仪器电缆，并在电缆接入端标注相应的仪器编号。

（3）修剪、搪锡封存停测、报废的仪器电缆，加电缆套保护，并做好编号标记，以便必要时再启用。

（4）安装新测控单元及各项辅助设施，将仪器接入新的自动化监测系统。

（5）安装大坝安全监测自动化系统软件，将接入监测自动化系统的所有仪器在系统软件内进行编号，完成仪器参数公式等相关设置，并完成新老数据库的对接处理，保证新数据库可以快捷、完整地提取原Geomation数据库的数据。

3.2 试运行及考核

系统改造后还需进行一年试运行，在此期间对其稳定性进行考核：

（1）试运行期监测数据的连续性、周期性好，无系统性偏移，能反映工程监测对象的变化规律。

（2）自动采集数据与对应时间的人工监测数据比较，要求变化规律基本一致，变幅相近。

（3）在被监测物理量基本不变的条件下，系统连续15次采集监测数据，计算其测值中误差，检验系统短期测值稳定性。

（4）系统人工比测指标

人工比测一般采用过程线比较或方差分析进行对比。

过程线比较是取某测点相同时间、相同测次的自动化测值和人工测值，分别绘出自动化测值过程线和人工测值过程线，进行规律性和测值变化幅度的比较。

方差分析是取某测点试运行期自动化监测和人工监测相同时间、相同测次的测值分别组成自动化测值序列和人工测值序列，计算其标准差σ自、σ人；再设某一时刻的自动测值为X自i，人工测值为X人i，则两者差值：

取δ≤2σ，其中均方差

式中，σ自为自动化测量精度，σ人为人工测量精度。

3.3 改造成果

整个监测系统自动化改造历经了一年，改造前期准备充分，保证了改造过程中水工监测数据的连续性和完整性，共接入有效仪器445支。改造后的新系统较以前的Geomation系统更容易掌握、操作和维护。在试运行的一年当中，各项考核指标满足稳定运行要求，表明系统改造圆满完成。图2为改造好并重新编号的测控单元网络连接图。

图2 DG-2005型监测系统测控单元网络连接图Fig.2 Network connection of DG-2005 measure-control units

图3、图4分别为改造后的新系统采集生成的上水库廊道渗水、进出水口扬压力UP8与水位关系过程线，频次为2次/h。从图中可清楚看出两者的相关性非常好。如果上库廊道渗水或渗压出现异常，可通过报警系统及时发现并分析原因，以便及时消缺。

图3 上水库廊道渗水与水位关系过程线Fig.3 Relation between gallery seepage and water level of up⁃per reservoir

图4 上水库进出水口扬压力UP8与水位关系过程线Fig.4 Relation between uplift pressure UP8 at water intake and outlet and upper reservoir water level

4 体会

水工监测系统自动化是发展的趋势，它可以大大提高工作效率，减少运行维护人员。经过这次系统改造，有以下几点认识：

（1）水工监测系统改造前期准备工作要充分，对系统运行现状、新系统的选型、改造期间数据的连续性、完整性，新老数据库的对接等各个细节都要把握好，才能保证系统改造顺利完成。

（2）对监测系统的实施要有一个明确的规划，对设计来说，要有明确的设计思路，传感器布置要有针对性；对施工单位来说，要重视电缆的保护和观测资料的收集和整理工作；运行单位则要尽早介入，从设计、施工开始就有固定的技术人员参与建立监测系统的工作，有利于日后的运行管理和资料分析。

（3）要选择适合电站运行方式的监测自动化系统和管理软件。天荒坪电站初期系统选型时，比较了多家系统，选定了美国的Geomation系统，稳定运行了10年；改造后又采用了DG-2005型系统和大坝安全监测信息管理系统，并已稳定运行1年。现在看来，两者的测控单元、网络结构、系统稳定性及数据管理等都是令人满意的。

（4）自动化监测系统的维护工作很重要。水工监测仪器及测控模块工作环境差，容易损坏，需要随时对损坏的仪器、测控模块进行修复，才能确保自动化系统稳定可靠运行。同时还需要定期开展重要监测量的人工与自动化比测工作。

（5）目前国产的水工监测自动化系统日趋完善，可以满足不同型式的水工监测需求。选型过程中要充分考虑到系统的售后服务和技术支持，这样才能保证系统的售后技术支持和后期的系统升级改进。

（6）水工建筑物安全监测是水电厂安全稳定运行的一项重要工作，水工要么不出事，要么出大事。因此保证充足的水工监测专业人员非常重要，这样才能保证水工监测系统正常运行，发现问题于未然，并及时采取修复、防护措施。■