漫湾水电站大坝安全监测自动化系统更新改造

宁德兴，褚彩菊，郭 俊，简树明

（华能澜沧江水电有限公司漫湾水电厂，云南云县 675805）

1 概述

漫湾水电站位于云南省云县漫湾镇，是云南省第一座百万千瓦级大型水电站。大坝为混凝土重力坝，坝顶高程1 002 m，最大坝高132 m，总装机容量为1 670 MW，属大（1）型一等工程。漫湾水电站工程规模大，地质条件复杂，监测测点多，监测项目齐全。漫湾自动化监测系统主要由一期和二期工程自动化监测系统组成。一期工程包括变形、渗压及内部观测三部分，采用DAMS～IV型分布式大坝监测系统。二期工程由13套MCU-2型测控装置、22个智能数据采集模块和265支内观仪器组成。2007年5月，漫湾二期监测自动化系统在一期自动化系统基础上进行适当改造，将二期监测自动化系统的数据自动采集和资料管理等接入一期自动化系统内。经过长期运行，这套系统逐渐不能满足安全运行的要求。

2 监测自动化系统运行现状

为保证系统采集数据缺失率、系统平均无故障工作时间、测控装置和控制系统故障率达到规范要求，以及为进一步完善漫湾大坝安全监测自动化系统各项功能，需分析漫湾大坝监测自动化系统各监测项目存在的问题和运行状态。

2.1 正倒垂观测

按照大坝安全监测规范规定，垂线钢丝长度不能超过50 m。布置于河床坝段的1号垂线总长为122 m，因线体过长，垂线孔受窜风影响较大，线体晃动影响了观测精度，2008年1号垂线曾断过一次，且垂线实际挂重不满足规范要求，因此，需对1号垂线进行分段改造，提高挂重，并做防风处理。

2.2 引张线观测

引张线油箱防冻液使用多年，因昆虫杂物污染，液体已十分混浊，造成浮船在液面活动灵敏度不高，影响了引张线的观测精度，需要更换每个测点箱内的浮体装置和变压器油。引张线从2005年大坝定检标定后运行至今，需要做线体试验重新标定，检测仪器性能及可靠性，并对引张线仪进行精度校正，校核其灵敏度系数，此外，961廊道内部分测点中间极极板偏移中间位置，需对EP2-9～EP2-19等测点极板进行调整。

2.3 静力水准

漫湾电站在908 m高程、873 m高程的横向廊道内设置了3条液体静力水准，采用90年代生产的半自动化观测静力水准装置。虽然在一期自动化改造中已接入自动化系统，但因为设备不稳定，故障频发，不能保证观测数据的连续性和良好的观测精度，有必要对三条液体静力水准管路共19个测点进行改造。

2.4 数据采集单元

由于原设备数据采集单元DAU1300已经运行11年，老的NDA1104系列模块存在断电后地址丢失的问题，以及NDA电源模块损坏问题，维护工作量较大，增加了人力物力成本。为了减少维护量，保证自动化系统正常运行，需要对设备进行升级改造。

2.5 内部监测系统

一期原有的内部观测数据采集模块为南京水科院生产的13套MCU-2型测控装置，其余内部监测的数据采集模块和监测系统均为南瑞集团生产。为确保系统的一致性和可靠性，有必要将原22个智能数据采集模块更换为南瑞的设备，同时接入265支测量正常的内观仪器。

2.6 软件系统功能

原系统测量、计算、成果输出的响应时间较长，不能及时反映观测数据的变化情况，系统中各测点属性部分对仪器埋设部位、高程、测值信息、计算公式、报警上下限等内容的定义不够完整。

3 自动化系统改造项目

3.1 1号垂线改造

3.1.1 1号垂线分段

将1号垂线在961高程廊道和930高程廊道分段，每段长度不大于50 m，增加2套正垂装置，传感器安装位置不变。正垂线系统分段后增加的设备主要有：961、908廊道分段处分别增加阻尼桶及重锤设备各1套，悬挂端各1套；支架各1套。垂线坐标仪仍用原设备，不进行更换。

3.1.2 绝缘检查及处理

检查时，先将传感器线从测量模块上断开，用100 V兆欧表测量每根仪器线对地绝缘并做详细记录。仪器对地绝缘电阻要求在50 MΩ以上，不能满足以上条件的传感器为绝缘不良，需要做以下处理：先检查传感器电缆有无破损，然后以不改变仪器原始安装位置为前提，打开仪器保护罩查看传感器极板绝缘保护层是否有破损，如有破损则需做电缆或极板绝缘处理，处理方法是将电缆与极板焊接头上的绝缘保护层去除，用电吹风将极板上的水气吹干，然后重新涂上102胶，要求至少3遍。

3.1.3 系数率定

将垂线仪率定架和百分表固定在垂线仪外壳上，调整率定架位置使仪器被率定方向输出电容比在0左右，用率定器推动钢丝移动12.5 mm，读取仪器输出电容比（R1）并记录，然后用率定器推动钢丝反方向移动25 mm，读取仪器输出电容比（R2）并记录。灵敏度系数计算如下：

灵敏度系数G=25/|R1-R2|

比较率定出来的系数和原系统的系数，对偏差超过2%的仪器进行系数调整。根据以往的经验，仪器系数的偏差主要来源于电缆及仪器的绝缘下降。

3.2 引张线改造

本次改造需更换每个测点箱内的浮体装置和变压器油，更换前先把浮托装置进行拆除、清洗，清洗干净后完成重新安装及更换变压器油等工作。经过对每个测点进行检查，钢丝完全托起并自由后线体恢复正常，其后做线体实验。线体实验是在钢丝自由状态时先对一条引张线上所有测点进行测量，测量后保存数据，然后选取靠近线体长度中间位置附近的测点进行人工移动钢丝，通过专用的标定装置加标准垫块对钢丝进行位移，待钢丝稳定后进行测量并保存数据，再往相反的方向进行同样的钢丝位移工作，测量并保存数据。以上工作结束后进行绘图处理，按照本段引张线上所有测点的位移与距离比进行绘图，如果绘图成对称的三角形说明引张线线体自由、引张线测点灵敏度系数正常、接线正常。

3.3 静力水准自动化改造

3.3.1 仪器检查及系数率定

通过抬升试验来检查每条静力水准仪管线仪器及连通管路工作是否正常。试验时先读取所有仪器初始电容比（R1）和换算位移值（L1），然后任选一静力水准仪垫10 mm的垫块，待液面平稳后再次测量电容比（R2）和换算位移值（L2），则被垫仪器理论位移（设被测管线有n+1个静力水准仪）：

其余仪器理论位移差：

如果测量值和理论值的差异超过仪器指标则需对仪器进行率定。率定方法是将传感器从钵体上卸掉，用10 mm垫圈垫到仪器底部，测出仪器的电容比变化量。灵敏度系数计算公式如下：

将率定出来的系数和原系统的系数进行比较，对偏差超过2%的仪器进行系数调整。

3.3.2 横向廊道静力水准仪自动化改造

静力水准改造主要是对三条液体静力水准管路共19个测点进行改造，仪器更换为南瑞电容式静力水准仪，880横向廊道增加了1个测点。908、880廊道顺河道方向改造的3条静力水准系统管路距离较短，不再另外分段。

改造方案选用RJ型智能感应式静力水准仪，它具有结构简单、无二次元器件、测量速度快、抗干扰能力强、分辨率高（可达2～10 μm）、适应潮湿环境、长期工作可靠等特点。RJ型感应式静力水准仪的原理、性能特点如下。

（1）RJ型感应式静力水准仪结构和工作原理RJ-S智能型感应式静力水准仪与连通管配合使用，用于测量各测点沉降。结构如图1。

RJ-S智能型感应式静力水准仪传感器为变面积型，其原理为电极1、电极2与中间极构成两个电容C1与C2，电容量为：

式中RA为中心极外径，RB为电极1、2内径，e0为真空介电常数，er为介质相对介电常数，L为圆柱长度。

当仪器位置发生垂直位移时，浮子相对液面位移从而带动屏蔽管位移，采用屏蔽管接地方式改变电容C2感应长度L2的变化而使电容C2发生变化。C1为固定电容，测量电路采用比率测量方式测出测点位置沿沉降向的位移量。

（2）RJ型感应式静力水准仪性能特点

由电容感应式静力水准仪的原理可知，在传感器结构一定的情况下RA、RB为常数；比率测量方式当传感器处于同一环境时即可消除介质（r0）变化对测量的影响。由上述公式可知C2/C1与感应长度L2是线性关系，所以这种仪器测量精度高，可达万分之几，相同量程情况下测量精度高于现有其它类型的液位测试传感器。RJ型智能感应式静力水准仪屏蔽管上下相对移动过程中无同心要求，故无需导向装置，实现了传感器非接触测量，从而有效解决了浮子带动的大量程位移测量传感器摩擦力这一难题，提高了传感器的测量精度和可靠性。传感器无传动部件，采用全密封结构，结构简单，能在湿度100%环境中长期可靠工作。此外，采用SG溶液作为静力水准仪内传压液体，防腐性能好，液体在-30℃不结冻。

RJ-静力水准仪主要技术指标如下：

测量范围：0～20 mm；精度：0.5%F.S；工作环境：温度-20°C～70°C；湿度：≤100%；输出信号端口为RS485。仪器防潮、可靠性高，方便接入自动监测系统。

（3）RJ型感应式静力水准仪安装及自动化接入

将新静力水准仪安装在原观测墩上，利用原有的桥架布置管路和电缆。新增DAU2000数据采集箱和NDA1705数据采集模块，接入静力水准仪电缆实现自动化监测，并入原自动化系统。

图1 RJ型静力水准仪结构图Fig.1 Structure of the RJ type hydrostatic level

3.3.3 961、908廊道沉降测量自动化改造

沉降观测采用静力水准系统，漫湾大坝961廊道新增静力水准系统分为3段，共23个测点。908廊道分为2段，共15个测点。

3.4 主厂房房顶测缝计改造

厂房房顶三向测缝计已被损坏，且厂家仪器已经停产。本次改造选用振弦式表面单向测缝计，测量房顶裂缝开合度，现场共安装共9支测缝计。图2为测缝计的安装示意图，具体施工如下：确定仪器安装具体位置，其次进行仪器安装面摩平处理，安装面摩平后进行钻孔定位，仪器安装时需要根据仪器量程及现场裂缝变化情况进行预拉处理，本次安装时预拉3 mm左右，安装后进行仪器编号登记，最后进行电缆焊接和固定。

图2 NVJ-50表面式测缝计安装示意图Fig.2 Installation of the NVJ-50 type joint meter for surface cracks

3.5 渗漏监测改造

量水堰安装相对比较简单，本次改造采取堰沟安装方式，现场共安装5台量水堰仪。二期厂房安装2套NVWG-150量水堰及2套堰板，8号机组厂房安装2套NVWG-150量水堰仪、水垫塘廊道内安装1套NVWG-150量水堰及堰板1个、NRL-12容积式量水堰1套、压阻式水位计NYZ-1000（10 m）1套。二期厂房及8号机组厂房仪器电缆分别就近引入老系统采集模块NDA1403。水垫塘廊道位置新安装1台DAU2000。仪器安装前先根据现场情况选择合适的安装地点，一般取堰板上游1～1.5 m位置，安装前首先对仪器进行组装，传感器与悬挂浮子装置连接，等浮子稳定后用南瑞NDA1411振弦式读数指示仪进行读数，参照传感器出厂率定系数表，仪器正常即可开始安装。首先安装仪器保护管，安装时注意用水平尺同步调整，保护管安装完毕后进行仪器安装，安装前后用仪表测读检验浮子安装的深度，并做调整，仪器安装、调试完毕后进行焊接电缆，将传感器电缆与布设好的电缆进行连接，电缆连接完毕后将多余电缆整理捆扎固定，详见图3。

图3 NVWG-150量水堰仪安装示意图Fig.3 Installation of the NVWG-150 type measuring weir

3.6 二期尾水闸门室通讯改造

二期尾水闸门原来通讯方式为GSM modem配手机卡通讯方式，由于此种通讯方式受移动运营商影响较大，本次改为无线电波通讯，在原系统DAU2000采集单元处安装1个接收端NDA3320模块，在尾水闸门处采集系统内安装1个NDA3320发送端进行发送数据，2套NDA3320无线通讯模块进行连通。

3.7 数据采集单元改造

数据采集单元改造的内容为：将采集单元内的NDA1104采集模块更换为现在南瑞公司技术升级后的NDA1104模块；将采集单元内的电源模块更换为NDA5101电源模块，需要更换的NDA1104系列模块为18个，NDA5101电源28个。

3.8 软件系统维护、升级

考虑到系统已运行多年，系统存在部分无效数据，尤其是内观仪器的无效数据较多，需要进行校核整理，同时根据内观仪器的鉴定结果对鉴定出已经失效的仪器进行停测处理。另外，考虑到前方监控中心停电，影响后方系统的正常运行，系统增加了一个数据同步程序，并将南瑞集团公司生产的大坝监测软件升级为DSIMS4.0最新版本。

4 系统配置、原理及功能

4.1 自动化系统配置

DAMS-IV型智能模块化结构分布式监测自动化系统主要配置包括：传感器、数据采集单元（DAU）、计算机工作组、信息管理软件及通讯网络五大部分。系统中，传感器安装在监测部位，DAU对传感器进行数据采集，数据采集单元DAU接收采集计算机的指令，定时或随机将传感器转换成的频率、电流、电阻比、电阻值等电量自动采集并存储。采集计算机依据传感器的性能参数将测得的电量计算为相应的位移、渗漏量、水位高程及应力、应变、温度等，并加以存储和判断。

4.1.1 传感器

新安装的仪器有86台，具体是：静力水准仪76套，振弦式量水堰仪5台，容积式流量计1台、水位计1支、渗压计2支、振弦式测缝计9支。

4.1.2 数据采集单元（DAU）

漫湾大坝安全监测自动化系统共安装50台DAU2000数据采集单元，107个采集模块，分别是：82个振弦式采集模块NDA1403，2个差阻式采集模块NDA1104，5个标准量采集模块NDA1514，接入自动化测点1 130个。

4.1.3 监测中心站

漫湾大坝安全监测自动化系统配置有南瑞DSIMS大坝安全信息管理网络系统软件V4.0版1套及其他应用软件安装在大坝安全监测自动化系统监测中心站。现场设备还有：HP服务器、光端机、通讯模块NDA3100等。

监控主机对整个数据采集系统进行管理，DAU与DAU之间采用RS-485现场总线通讯相连接。每个DAU由若干个不同类型的智能采集模块（NDA）、通信总线和电源部件组成，并配有防雷、防潮及充蓄电池供电等部件，各个子系统之间采用光缆通讯。

4.2 自动化系统功能

数据采集单元（NDA）具有时钟、存储、掉电保护、故障自诊断等功能，整个系统具有在线监测、数据库管理、系统管理、离线分析、报表图形制作、大坝安全测点管理等功能。

5 系统运行情况

为了检测整个数据采集系统安装完成后的工作状态，现场对各DAU内的所有NDA数据采集模块的各项工作状态进行了测试，并做了相应的提升实验和线体实验，对每个测点都经过了许多次测量，结果表明各DAU和NDA模块工作正常。另外，现场还对各模块的各项功能进行了逐一测试，测试结果正常。上述各项检查和测试表明整个数据采集系统运行正常，各项性能和功能满足技术要求。

6 结语

经过全面改造后，漫湾大坝安全监测自动化系统各项功能得到提升，系统运行状态良好，为实时监控漫湾大坝的运行情况提供了保障，监测数据真实反映了大坝各部位的运行状态。其次，改造后的系统与原系统保持了数据的连续性，系统更加稳定，数据测取更加可靠。整个漫湾大坝监测自动化系统改造本着技术先进、超前规划的原则，系统改造达到了预期的效果，其观测项目及自动化系统改造工作所取得的成果具有借鉴意义。

[1]山永彪,李正富.龙羊峡水电站大坝安全监测系统改造方案设计[J].水电自动化与大坝监测,2002,26(4):48-51.

[2]DL/T5211-2005,大坝安全监测自动化技术规范[S].北京:中国电力出版社.2005.

[3]DL/T 5178-2003,混凝土大坝安全监测技术规范[S].北京:中国电力出版社.2003.