锦屏水电站监测自动化系统设计与实现

刘满江，陈　平，田　超（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）



锦屏水电站监测自动化系统设计与实现

刘满江，陈平，田超（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

随着西南大型水电站的逐步开发和对水利水电工程安全意识的不断提高，每个大中型水利水电工程都建立了一套内外观相结合的安全监测系统。安全监测系统规模的不断扩大，为评判工程各部位工作形态，保证工程施工和运行安全提供了更为翔实的监测数据。同时，海量监测数据和随着水电工程“区域化、流域化、无人值守、少人值班”管理理念的不断深化也对工程安全监测自动化的加快实施提出了迫切要求。锦屏一二级自动化建设由于规模大、自动化程度高、集成各种专业监控仪器类型多等特点，设计复杂，现场情况多变，利用先进的设计理念，实现了多源异构监测数据一体化管理、监测信息查询与可视化表达，建立了监测预测预报模型，提高了监控与预警效率。

锦屏水电站；监测自动化系统；设计；建设

1　工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级，具有年调节能力，在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”重要作用，对下游梯级补偿调节效益显著。其工程规模巨大，开发任务主要是发电，结合汛期蓄水兼有分担长江中下游地区防洪的作用。电站装机容量3600MW，保证出力1086MW，多年平均年发电量166.2亿kW·h，年利用小时数4616h。大坝为世界第一高拱坝，坝高305.0m，水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，正常蓄水位以下库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。锦屏二级水电站上游紧接锦屏一级水电站，为长引水电站，主要利用雅砻江卡拉至江口下游河段150km长大河弯的天然落差，通过长约16.7km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约 310m。电站总装机容量4800MW，单机容量600MW，额定水头288m，多年平均发电量242.3亿kW·h，保证出力1972MW，年利用小时5048h，是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。

锦屏一级水电站工程于2005年11月12日正式开工建设，2006年12月04日大江截流，2009年10月23日大坝首仓混凝土浇筑，计划于2013年8月首台机组发电，2015年3月工程完工。锦屏二级水电站筹建期项目于2003年初开始陆续施工，2005年12月通过可行性研究报告审查，项目申请报告于2006年12月15日通过国家核准，2007年元月30日主体工程正式开工建设。工程已于2012年12月31日第一批两台机组发电，2015年9月底计划全部工程完工。

2014年底，锦屏一二级水电站启动监测自动化系统建设项目，2015年底完成自动化系统的建设并投入运行。实现大坝监测数据自动化采集与分析管理，做到无人值守情况下电站安全运行的基本目标。

2　监测自动化系统规划实施

锦屏一级水电站包含引水发电系统（大坝、地下厂房三大洞室、压力管道、尾水洞及出口边坡等）、泄洪洞及出口边坡、水垫塘及二道坝、左右岸坝肩边坡等监测仪器接入自动化系统。

锦屏二级水电站包含引拦河闸坝、进水口、水隧洞、上游调压室、高压管道、地下厂房、尾水支管及尾水隧洞等建筑物等监测仪器接入自动化系统。

经统计，锦屏一级、二级接入自动化系统的监测仪器测点超过12000支，仪器测点众多，且分布广，这对监测自动化测站规划、通讯建设和后期系统稳定提出极高的要求。

锦屏工程监测自动化系统采用分布式、多级连接的网络结构形式。其安全监测自动化系统按三级设置，即现场监测站、监测管理站和监测管理中心站。现场监测站布置在监测仪器相对集中的部位，主要考虑交通、通风及无干扰并远离强电磁干扰设备；监测管理站，主要作用是数据采集计算机通过数据采集系统接收数据采集装置并进行转换、按规定的格式统一存放在原始和整编数据库中，并接收监测管理中心站上位机的相关指令及对数据采集装置下达控制指令，布置于独立的观测房内；监测管理中心站主要作用是工作站和服务器通过安全监测信息管理系统对监测管理站自动采集的数据、工程所有与安全监测相关的文档资料进行集中统一管理，且通过安全分析评价系统进行监测资料的分析和发布工作，并根据分析成果反馈给监测管理站的采集计算机相关控制指令，最后进入管理中心站集中发布。

2.1充分利用已建环网，合理有序地进行系统规划和测站布置，有效地解决了本系统工程通讯建设难题

根据锦屏一级、二级水电站各部位监测仪器分布情况并结合锦屏已建2.5G环网分布，经综合研究分析，各部位监测仪器电缆牵引至就近监测站，监测站采用光缆引入监测管理站，经光电转换后接入监测管理站，各监测管理站利用锦屏已建2.5G光纤环网实现与中心站的通讯，光纤环网接口形式为RJ45以太网，逻辑上与其他网络独立，带宽大于10M。监测管理站采用光缆引入附近的通讯站，经光电转换后接入光纤环网，锦屏一级、二级水电站分别通过地下厂通讯室内的省调网络接口与成都监测中心通讯。这种利用已有的光纤环网实施通讯，有效的解决了本系统通讯建设难题。

图1　中心站与各子系统通讯网络结构图

2.2较好解决了自动化系统数据传输速度问题

锦屏一级水电站大坝作为世界第一高拱坝，锦屏二级水电站作为引水式发电，且具有世界最大水工洞室群，锦屏一级、二级水电站所处的地质环境复杂，工程的安全运行对所在地区乃至整个流域内的人民生命、财产及经济安全具有重大影响。本系统共接入各类监测传感器超过12000支，各类自动化采集模块超过950个，因各类模块根据监测对象的不同分布，分别安装在现场不同区域，自动化现场数据采集网络覆盖面大，信息传输总距离超长，属于异于常规的大型自动化监测系统。为科学、全面监控锦屏工程的安全状况，根据以往的自动化建设工程经验，一个大型自动化系统的整体可靠性除了与自动化设备本身的性能有关外，与系统的现场网络结构和信息流的管理亦密切相关。网络结构不合理容易导致网络运行维护困难，设备故障难以管控，同时信息流设计不合理容易带来网络运行效率的低下等。因此本系统目前行业内唯一一种专门用来优化大型工程安全监测系统网络结构、提高系统可靠性、提升系统运行效率的专用设备——网络管理单元（NDA8001）。通过现场试验，采用实时选取各系统中全部测点进行即时测量的方法进行对比测试，引入NDA8001测量并返回数据的时间较不引入NDA8001所测量并返回数据时间快15倍。通过引入NDA8001，将锦屏安全监测自动化系统按功能区域的不同，设计成以若干个NDA8001直接管理的独立采集子网为主体的、分层、分区的网络结构形式。通过NDA8001，既提高了整个系统的并行运行速度，又使不同子网之间的形成物理隔离，某一区域内的个别节点或子网引起的故障可得到有效限制，同时NDA8001本身还支持总线环形冗余，从而可有效提高网络的可靠性、可维护性及运行效率，降低自动化系统的日常管理难度（如图2）。

图2　锦屏一级水轮机层采用NDA8001网络结构对比图

2.3强震动自动触发安全监测自动化系统采集功能技术

锦屏一级、二级水电站工程所处的地质环境复杂，属于地震高发地区。为监测地震对工程的影响，现场专门设计、安装了强震自动化监测系统。但仅靠强震监测系统无法获取反映工程安全设计及运行的全面信息，采取强震监测系统与大坝安全监测系统联动运行是行业内的技术发展趋势。锦屏监测自动化系统实施了与大坝强震动系统自动触发观测功能，当发生地震时，地震烈度大于Ⅱ度时，地震数据立刻发送到大坝安全监测自动化系统，触发安全监测自动化系统采集功能并立即加密观测。通过该功能，能迅速、全面掌控地震期间大坝的安全运行状况的第一手资料，有效验证、支撑工程抗震设计及施工。但采取常规方案建设的大型自动化监测系统要完成一次完整的数据采集的速度一般都需要30min以上，这大大制约了对地震发生前后短期内大坝安全状况信息的收集。我们通过NDA8001对系统进行分层、分区将整个系统的响应速度大大提高，并通过进一步优化NDA8001的NDA配置数量，把整个系统采集速度提高到了2min以下，从而为全面获取地震期间大坝的运行信息提供了良好的基础。

2.4锦屏一级大坝监测自动化系统采用双电源布置，有效解决了大坝坝体配电房断电对自动化系统采集的影响

锦屏一级水电站大坝永久自动化电源因电厂经常检修断电，因电厂会不定期对三个配电房内设备进行断电检修，且断电时间较长，极大地影响了大坝自动化的正常运行，经综合研究分析决定，锦屏一级大坝自动化系统采用双电源布置。考虑大坝进水口电源点（坝顶右岸观测房电源点）和大坝坝体内电源点不会同时断电检修的情况，采用双路电源开关将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源，以保证在一个电源点断电时，另外一个电源能继续为自动化系统供电。具体措施如下：

（1）坝顶右岸观测房电源点和坝顶控制楼电源点组成双电源共同为坝顶左右岸自动化监测站供电，当其中一个电源点断电时，另一个电源点将持续为左右岸监测站供电；

（2）坝体内1829m、1778m、1664m三层廊道电源点分别与坝顶右岸观测房电源点组成双电源为各廊道监测站进行供电；

（3）两两电源点连接到一个双电源开关，再由双电源开关输出至各监测站配电箱为相应监测站供电；

（4）电源线通过坝顶电缆沟和坝体电缆井进行敷设。

图3　锦屏一级大坝坝体监测自动化供电电源走线图

3　自动化系统运行效果

锦屏电站自动化实施后，数据采集密度可以达到1次/s，采集数据完整率达95%以上，数据实现可视化管理、数据快速查询，数据异常报警等功能，大大节省人工工作量。为整个电站安全运行提供及时可靠的基础资料。

4　结论

锦屏监测自动化系统建设技术方案可行、实施过程合理。较好地解决了锦屏监测自动化系统内大量数据的传输速率问题，为锦屏一级、二级水电站的运行提供了可靠的保障，对大型监测自动化系统建设工程提供了一个典范，具有极强的推广价值。整个系统建设经济、社会效益突出，具有较强的借鉴价值。

［1］吴家乐.锦屏二级水电厂故障录波系统的分析与开发［D］.电子科技大学，2014，03.

［2］黄成玉，张全柱.新型矿井供电自动化远程监测监控系统的设计与实现［J］.电气应用，2012，02.

［3］魏世玉，刘 星，郜 强，青 舟.自动化监测模式下报表输出系统设计与实现［J］.北京测绘，2012，04.

刘满江（1975-），男，高级工程师，本科，主要从事工程测量和安全监测等方面工作。陈 平（1987-），男，助理工程师，本科，主要从事大坝安全监测工作。

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2095-2066（2016）16-0090-03

2016-5-5