水电站数字化安全管理方案的初步设想

刘 玄

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

随着我国水电事业的发展，水电站数量持续增加，然而大坝运行中的安全问题也日益突出。为了保障水电站安全运行，需要实时监测大坝工作性态，包括变形、渗流、应力应变等，尤其是随着科学技术水平的提高，运用数字化信息系统已经成为一种有效提高安全管理效果的方式，也是文章研究的重点。

1 水电站大坝运行安全形势

基于水电资源开发力度的不断增大，水电站数量与规模持续增大，据统计，2019年我国水电建设投资规模达839亿元，累计装机容量约为35800万kW。目前，我国长江上游、金沙江、雅砻江、大渡河等流域修建了不少水电站项目，各种大坝规模、数量持续增加。

但是，早期建设中部分水电站大坝修建技术较为落后，大坝运行中存在不少安全问题，如地基失稳、渗流侵蚀等，甚至引发了不少垮坝事故，造成巨大经济损失的同时，也对周边人员产生了安全威胁。如2017年2月美国奥罗维尔土石坝溢洪道冲毁事故，造成18.8万人紧急转移，修复费用达2.75亿美元；2019年1月25日，巴西布鲁马迪纽市发生溃坝事故，截至2019年3月11日已有200余人死亡、约108人失踪。基于水电站大坝失事的严重后果，我国各级政府、水电专家更加重视水电站的安全管理问题。

2 水电站数字化安全管理要求

2.1 水电站大坝运行特点

根据我国目前的水电站运行情况，大坝的服役期往往长达几十年甚至更久，因此在运行过程中极易受到各种因素的影响而出现病害，如环境荷载、疲劳与腐蚀效应、材料老化等，最终导致坝体结构功能退化、安全性下降，若未能及时发现安全隐患，极易引发严重的安全事故。

基于大坝结构的特殊性与工作条件的复杂性，大坝工作性态指标复杂多样且具有一定的随机性特征，对此，要根据大坝运行期间的多源检测和监测信息以及设计、施工、运行管理等资料，对其进行综合评价，及时消除安全隐患，防止出现灾难性事故。

2.2 水电站数字化安全管理要求

根据水电站实际运行情况，传统人工安全监测工作极易受到各种因素的干扰，包括人员素质、人为误差以及工作环境等，而数字化安全管理减少了管理人员对经验的依赖，可精确、全面地反映大坝实时工作状态，并对其进行综合评价，及时发现问题进而指导运行与维护工作，避免灾难性事故发生。

利用现代信息技术构建水电站数字化安全管理方案，把各种行之有效的方法，如现场检测、原位监测、试验模拟、数值计算、理论分析、专家经验、工程经验等，综合起来进行评价决策，切实保证大坝安全稳定运行。

3 水电站数字化安全管理方案初步设想

3.1 功能要求

该水电站数字化安全管理系统功能要求如下：

（1）可根据不同类型的用户整合各种安全监测资源，提供不同形式、不同结构、不同规模的应用；同时各类应用间可平滑过渡与升级，从单个工程应用到大规模区域管理，系统具备高度的一致性。

（2）通过分布式自动化数据采集架构实现现地、远程、区域等不同级别的自动化设备通信；具备自动化任务、设备自检、资源安全备份还原等高级应用功能；从单机测量系统，到大规模区域集成管理，提供完善的自动化解决方案。

（3）利用不同功能、风格与取值定义特征值的图表模板实现各类数据的统计分析；通过各种分析模型与算法可对测点、项目、工程进行安全评判与预警，从而实现辅助决策。

3.2 系统架构

该水电站数字化安全管理系统架构包括“两个中心”“四大系统”，如图1所示。

图1 水电站数字化安全管理系统架构

（1）两个中心：数据中心和集控中心。

（2）四大系统：大坝安全信息管理及智能决策支持系统、水情自动测报与水调自动化系统、电站运行控制智能决策系统、地质灾害监测与预警管理系统。

3.3 系统设计

（1）大坝安全信息管理及智能决策支持系统。大坝安全信息管理及智能决策支持系统如图2所示，提供数据采集、信息管理、数据处理、移动应用、预警发布、分析评估等功能。

（2）水情自动测报与水调自动化系统。水情自动测报系统构成如图3所示，主要包括遥测站、信息传输通道以及中心控制站。通过水情自动测报与水调自动化系统实现测区水文、气象、汛情、工情等信息的实时采集与处理，以实现防洪、发电、水资源的综合利用管理。

图3 水情自动测报系统

（3）电站运行控制智能决策系统。电站运行控制智能决策系统如图4所示，是基于云计算、大数据、人工智能、智能通信等新技术，借鉴智能电网经验，积极开展智能水电站的前期研究、规划设计及应用，推动水电站自动化系统的变革和发展。

图4 电站运行控制智能决策系统

（4）地质灾害监测与预警管理系统。地质灾害监测与预警管理提供测站监测指标变化曲线、无数据预警、超警戒预警等功能，如图5所示。监测数据主要采用地表位移站、深部位移站以及地下水位站进行监测，监测曲线类型如表1所示，统计报表如表2所示。预警信息包括历史预警信息和预警配置，前者显示历史预警信息，而后者配置地表位移站、深部位移站、地下水位站各预警级别信息。

图5 地质灾害监测与预警管理系统

表1 监测曲线类型

表2 统计报表

4 结束语

综上所述，基于水电站大坝安全运行和管理要求，需充分利用现代信息技术的最新成果，构建数字化安全管理方案。通过数字化安全管理系统的运用，可实现对庞大大坝多源信息的高效集成、可视化管理与分析，且通过有效的安全预警机制应用，能为大坝运行管理决策提供可靠依据，实现水电站安全智能诊断与智能管理，为大坝长期稳定安全运行保驾护航。