浅析水电站大坝监测自动化现状

摘要：随着电子技术的发展、数字通讯技术的推广应用,为监测自动化提供了保障。目前,全国电力系统的大坝监测自动化已全面展开,并朝网络化、实用化方向发展。本文作者结合多年的工作经验客观评价了水电站大坝监测自动化的现状,提出了监测自动化的发展方向。

关键词：大坝监测；自动化；现状

中图分类号：TV74文献标识码：A文章编号：

一监测自动化工程质量控制的核心

1、预防为主是现代质量管理的核心与灵魂,对于大坝安全监测自动化工程而言,由于大坝失事后果的灾难性和许多仪器埋设后的不可更改性决定了预防为主的必要性。预防为主主要体现在几个方面:①开发过程。应采用质量工程学的方法使产品设计最优化,即低成本(包括经济投入、时间投入、人才投入等)和高质量(包括可靠性、易维护性、安全性等);②制造过程。采用统计过程控制等方法确保对生产过程的全过程监控,利用每一个环节的统计分析信息反馈指导并改进下一个周期的工作;③现场安装调试过程。大坝安全监测的现场安装调试非常重要。如果仪器安装位置不对,初始值不正确等都会导致测值分析困难。现场安装调试应按过程控制、充分进行前期准备、随时进行分析、按要求操作、全面记录施工过程(包括填表、绘图、文字记录等)。

2、过程管理。ISO9000族标准是建立在“所有工作都是通过过程来完成的”这样一个认识的基础上。针对大坝安全监测自动化工程而言,由于涉及设计、研制、考机、包装运输、土建、安装调试、售后服务等环节。任意一个环节的失败都将使自动化系统工程质量达不到预

期效果。因此,对每一个环节都要进行控制,要严格按照标准进行施工和检测,不合格者绝不能进入下一个环节。

二水电站大坝监测自动化现状

1、重要检测项目之大坝变形

大坝变形是水电站大坝的重要监测项目。又可分为水平位移和垂直位移2个子项。大多数大坝设有坝顶水平、垂直位移观测,通常每个坝段设1对测点。混凝土坝基础廊道的位移观测通常只有高坝或特别重要的坝才设置,一般的中低坝在更改中大都已取消。近几年对典型坝段的水平位移观测较为重视,一般沿坝高布置3个以上测点。

2、重要检测项目之渗流

大坝渗流也是水电站大坝的重要监测项目之一。又可分为渗透压力和渗流量2个子项。混凝土坝的观测设施设在基础廊道,扬压力每个坝段1个测点;渗流量测点根据排水沟集水情况确定,一般能测出分区流量和总量。土石坝的渗流量都在坝趾渗水汇集处观测,渗压测点则根据具体坝型布置在坝体浸润线下面或趾板后等部位。此外,大坝的左右两岸山坡还设置地下水位观测项目,以便监测绕坝渗流情况。

3、大坝应力应变等内观项目是水电站大坝的一般性观测项目,只有一些重要测点才纳入自动化监测,很多中低坝都已停测或封存这类观测项目。

二自动化观测设备

1、常用传感器(1)引张线。目前水平位移自动化观测中,最常见的设施是引张线。引张线读数仪常用的有电容式和步进电机式2种,前者测读速度快,但对环境要求高,且线体太长时中间极易偏离;后者测读速度慢,但对环境的要求不高,长期稳定性较好。真空激光装置近几年发展较快,已在十几个工程得到应用,效果较好,但其造价较高,运行维护不便。近几年CCD式引张线式垂线坐标仪也在一些大型工程中得到应用,但应用时间较短。

(2)遥测垂线坐标仪。挠度用正、倒垂线组观测。垂线的读数仪器是遥测垂线坐标仪,其工作原理和特点与引张线仪一样。常用的是电容式和步进电机式2种,采用CCD式新型坐标仪的工程正在逐渐增加,个别大坝采用了国外的电感式坐标仪。

(3)静力水准仪。垂直位移大都用静力水准观测,观测水平位移的真空激光装置也能同时观测垂直位移。应用较多的静力水准仪有差动变压器式和电容式2种,其它类型如弦式、步进电机式等只在个别电厂得到应用。

(4)弦式渗压计。通常用渗压计观测渗透压力和地下水位。应用最广的是国外生产的弦式渗压计,其特点是耐久性和稳定性都较好,但测值受大气压变化影响,小量程时,精度较难保证,应增设气压计等措施对测值进行修正。压阻式渗压计在一些水电站也有应用实例,它通过变送器后输出的是标准电流或电压信号,精度也较高,但其长期稳定性不够高。

(5)渗流量仪。渗流量一般都用量水堰观测,通过测读堰上游水面高度,用三角堰或矩形堰流量公式换算出实际的渗流量。目前应用较多的是进口弦式微压传感器和电容浮子式水位计。由于对水面高度量测精度的要求极高,很多工程没有达到精度要求,总的来说效果不是十分理想。

(6)应力、应变传感器。应用最广的应力、应变传感器是差动电阻式仪器,它的特点是价格低廉,精度可以满足要求,长期稳定性较好,但外接电缆不宜太长。近几年在一些大型大电工程中采用进口或组装的弦式仪器的逐渐增多,它的精度和稳定性较高,信号不易受干扰,便于长距离传输。

2、量测控制设备量测控制设备的英文缩写为MCU,是监测自动化系统的核心设备。MCU的主要功能有:传感器信号采集,测点切换,A/D转换,数据通信,数据存储,电源管理和时钟等。

MCU与外界的数据通信协议基本上都是RS-485,标准节点数为32个,通信速率与距离成反比,1000m以内为9600bps。MCU与外界的数据通信方式最常见的是双绞线,传输距离较远时也有采用光纤的,个别受地理条件限制不便敷设电缆的地方也有采用无线通信,近年也有采用短信通讯的。目前随着光纤通信成本的下降,用光纤代替双绞线已变为现实。

3、中央控制设备

以往的中央控制设备主要指监控主机、管理主机、不间断电源及其它一些打印绘图设备。现在随着计算机网络的普及,已被一个包括专用服务器和若干台客户机组成的小型观测局域网所替代。监控主机由于要求24h连续运行,早期一般都选用工控机。随着微机的普及,现在普通微机的稳定性和可靠性已大大提高,且价格明显低于工控机,因此很多工程都选用品牌微机作为监控主机。当然,还有一个因素是由于监测和信息管理网络化后,一般都有一个专用服务器储存监测数据和水工的有关电子化档案,监控主机的作用其实已减弱为单纯的采集数据,即使采集机损坏也不致于造成数据丢失。

4、软件

软件一般包括采集软件及监测信息管理软件2部分。采集软件通常都具有测点管理、选点测量、选MCU测量、自报式测量等功能,还有对测值是否超限的简单评判功能。为便于操作,采集软件界面一般都比较直观,测点位置、大坝剖面图等在窗口上一目了然,观测人员能方便地点击测点进行采集等操作。自动采集的数据大多储存在桌面数据库上(如Access、SQLAnywhere等)。此外,系统的的基本特征参数、测点的属性、计算公式等也都储存在该

数据库上,有些系统甚至把与MCU通信的指令也储存在该数据库上。国家电力公司大坝安全监察中心近几年在全面调研水电厂监测自动化改造情况、充分了解行业需求的基础上,开发出了全新的大坝监测信息与水工安全管理软件,已经在几个大型水电厂得到应用,成效显著。

总结：我国大坝监测自动化发展虽然成绩可见。但仍存在不少问题,系数的可靠性、稳定性、有效性、针对性有待进一步加强,监测人员的业务水平有待进一步提高。随着全社会科技进步的加快,预计将涌现出大量自动化监测新技术和新产品,水电站大坝监测自动化将在实用化的基础上向智能化发展。