水電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)

一、現(xiàn)狀隨著我國社會經(jīng)濟的進步，人民生活水平的提高，人們對電力的需求量越來越大，受到傳統(tǒng)不可再生能源的限制，我國因提倡環(huán)境保護，火電發(fā)電逐漸減少，水利發(fā)電成為新的趨勢。水電站大壩安全監(jiān)測正常有效運行運用，直接影響發(fā)電站的安全生產(chǎn)管理水平。因此引入大壩安全監(jiān)測自動化非常必要?，F(xiàn)在大多數(shù)水電站大壩安全監(jiān)測都是通過人工觀測方式監(jiān)測或者自動化監(jiān)測設施設備嚴重老化，一方面費時費力成本高，另一方面監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不準確，不能及時的反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。二、政策導向2023年2月28日，國家能源局發(fā)布的《水電站大壩安全提升專項行動方案》（以下簡稱《方案》）的通知指出，為進一步加強水電站大壩安全監(jiān)督管理，深入排查整治大壩安全問題，有效提升大壩安全總體水平，國家能源局決定在全國范圍內(nèi)組織開展大壩安全提升專項行動?！斗桨浮凤@示，專項行動時間為自本方案印發(fā)之日起至2024年12月，分排查整治、鞏固提升、評估總結三個階段進行。《方案》要求，大壩運行單位、主管單位及其隸屬的企業(yè)集團總部要認真對照法律法規(guī)、國家行業(yè)政策文件及技術標準規(guī)范規(guī)定要求，深入查擺大壩安全工作存在的問題和不足，制定落實改進舉措。對照查擺的內(nèi)容至少應包括完善大壩安全組織機構、加強重要設備設施安全管理等8個方面、38項要求。

三、系統(tǒng)介紹水電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)由水電站智能感知、物聯(lián)網(wǎng)信息通信、云端智慧監(jiān)控管理平臺組成。水電站的在線監(jiān)控具有水位、雨量、變形、滲壓、揚壓力、視頻等運行數(shù)據(jù)自動釆集、分析、上報功能，自組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有全要素采集通信功能，并實現(xiàn)對其安全性態(tài)的發(fā)展趨勢做出及時、準確的預測和安全預警，有效提高工程運行管理決策的準確性和及時性，同時向國家能源局大壩中心報送安全監(jiān)測信息。監(jiān)測內(nèi)容1、環(huán)境量監(jiān)測：上/下游水位、氣溫、降水量；2、變形監(jiān)測：水平位移、垂直位移、壩體內(nèi)部水平位移；滲壓監(jiān)測：壩基揚壓力、繞壩揚壓力、壩體滲流量；4、視頻監(jiān)測：監(jiān)測水電站大壩全貌、溢洪道、上游水尺及壩體滲流等部位。四、監(jiān)測布設圖五、系統(tǒng)組成水電站大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用全開放的分層分布式結構，分為數(shù)據(jù)采集層和監(jiān)控中心層兩層。數(shù)據(jù)采集層主要設備為MCU采集單元及大壩安全監(jiān)測各類傳感器，監(jiān)控中心層主要配置1套安全監(jiān)測工作站、1套大壩安全數(shù)據(jù)服務器、1整套網(wǎng)絡通信及二次安全防護設備。六、水電站大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集軟件（1）數(shù)據(jù)通訊功能：實現(xiàn)服務器與上一級數(shù)據(jù)管理主機之間的遠程控制和遠程數(shù)據(jù)傳輸，以及主管單位監(jiān)察中心之間的數(shù)據(jù)信息報送功能。同時充分考慮抗干擾設計，即使數(shù)據(jù)包的包頭和包尾有亂碼也能自動剔除，保證采集網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的相互傳輸更加安全、可靠和高效。（2）數(shù)據(jù)采集功能:能夠實時、定時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具有超差復測功能。采集方式有兩種，即：中央控制方式（應答式），由上位機數(shù)據(jù)采集軟件下達命令，網(wǎng)絡節(jié)點上的所有采集裝置（MCU）進行巡測或選測，測量完畢后將數(shù)據(jù)根據(jù)命令存儲在監(jiān)控上位機中；自動控制方式（自報式），采集裝置（MCU）按內(nèi)部設定時間間隔自動進行測量，測量完畢后將數(shù)據(jù)存儲，并定時將存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控上位機的測值數(shù)據(jù)庫中。自報測量前采集軟件首先初始化各臺采集裝置的運行時鐘，使整個系統(tǒng)同步運行，然后設定各臺采集裝置的自報時間間隔（根據(jù)對各測量項目測量周期的不同要求，可以為每臺采集裝置設定不同的自報時間間隔），設定完成后各臺采集裝置自動按自報時間間隔進行測量，存儲測量數(shù)據(jù)并定時傳送給采集軟件。當監(jiān)控上位機系統(tǒng)發(fā)生故障（斷電）或通信故障的情況下，各臺采集裝置也能按自報時間間隔進行測量，自動存儲數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)正常運行后，采集軟件可將采集裝置內(nèi)存儲的測量數(shù)據(jù)同步提取。系統(tǒng)具備監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入展示與圖表統(tǒng)計功能，系統(tǒng)提供安全分析模型，利用各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關計算分析，判斷大壩的安全穩(wěn)定情況，輔助管理人員與技術人員進行階段性大壩安全鑒定。系統(tǒng)包括測點管理、監(jiān)測報表、監(jiān)測圖、監(jiān)測分析4個模塊。滲壓監(jiān)測示意圖變形監(jiān)測示意圖系統(tǒng)提供所選電站的所有監(jiān)測項目（滲壓、變形、裂縫）任意測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化過程線展示和導出，電站的滲壓、裂縫的斷面分布示意圖，可選擇不同的樁號展示對應斷面，可選擇任意時間段進行查詢。過程線示意圖斷面分布示意圖監(jiān)測分析：系統(tǒng)包括位移和庫水位關系圖、滲流和庫水位關系圖、滲壓和庫水位關系圖。根據(jù)所選電站的庫水位和位移數(shù)據(jù)、測點滲流量數(shù)據(jù)、滲壓水位數(shù)據(jù)進行計算，根據(jù)一元線性回歸方程自動繪制水平位移、垂直位移、滲流水位和庫水位關系圖，分析位移、滲流量、滲壓和庫水位的關系，為大壩安全監(jiān)測業(yè)務提供數(shù)據(jù)支撐。位移和庫水位關系圖示意圖揚壓力/滲流滲壓和庫水位關系圖示意圖2、大壩安全監(jiān)測查詢與分析軟件1、實時數(shù)據(jù)展示模塊（1）實時數(shù)據(jù)展示功能監(jiān)測信息三維可視化：依托環(huán)境監(jiān)測信息、變形監(jiān)測信息、滲流監(jiān)測信息，結合大壩立體模型，實現(xiàn)監(jiān)測信息的三維可視化查詢與展示，信息顯示更加符合現(xiàn)實空間維度，方便、直觀。實時數(shù)據(jù)管理功能①數(shù)據(jù)報表自動生成:采集軟件采集實時最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過一系列數(shù)據(jù)預處理過程，整編進入中心綜合數(shù)據(jù)庫進行管理。信息管理軟件讀取監(jiān)測儀器測點最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，以多種形式進行展示，令用戶可以從多角度了解和掌握工程安全監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，并自動生成數(shù)據(jù)報表。②數(shù)據(jù)可視化:對工程安全監(jiān)測重點監(jiān)測區(qū)域進行分類處理，結合監(jiān)測設計圖紙，以圖形的方式顯示各個重點部位的測點分布、實時數(shù)據(jù)和運行情況。③儀器狀態(tài):通過對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，判別并統(tǒng)計監(jiān)測儀器設備的實時運行狀態(tài)。④異常數(shù)據(jù)管理:對系統(tǒng)中監(jiān)測的異常數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，支持以人機交互的方式進行異常數(shù)據(jù)查詢和異常判別。⑤數(shù)據(jù)輸入:數(shù)據(jù)輸入包括自動輸入和人工輸入兩種方式，輸入的數(shù)據(jù)源可以是同平臺架構的采集數(shù)據(jù)，也可以是跨平臺的外部監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)。自動輸入:可通過自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件直接獲得或通過其他指定數(shù)據(jù)接口提取監(jiān)測數(shù)據(jù)并入庫，數(shù)據(jù)入庫受測點入庫時段和數(shù)據(jù)極限控制。人工輸入:可人工輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以直接輸入監(jiān)測物理量。直接輸入監(jiān)測物理量是為了適應人工監(jiān)測點變?yōu)樽詣踊瘻y點后，人工輸入該點自動化以前的歷史數(shù)據(jù)。⑥整編入庫:無論是自動輸入還是人工輸入數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)入庫的過程中都需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)至監(jiān)測物理量轉換并存儲，并經(jīng)過極限值、粗差、計算等一系列整編處理后，將自動化監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)按指定的規(guī)則進行整理并把監(jiān)測數(shù)據(jù)轉入到數(shù)據(jù)庫服務器上的整編數(shù)據(jù)庫中，形成最終通過篩選和高度凝練的數(shù)據(jù)源，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。2、過程數(shù)據(jù)趨勢曲線生成模塊數(shù)據(jù)輸出通過輸出向導可以輸出測點列表、多窗口輸出測點數(shù)據(jù)圖表、某時段中的所有測點數(shù)據(jù)、測點列表中的測點綜合信息、數(shù)據(jù)模板(特殊的數(shù)據(jù)輸出集合)和報表等。系統(tǒng)提供多元化輸出方式，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出Excel文件，過程線圖形下載，分析報告輸出為Word文件等功能。3、歷史數(shù)據(jù)查詢/導出/打印模塊（1）歷史數(shù)據(jù)查詢(單點查詢)：對工程監(jiān)測項目中任意一支儀器測點數(shù)據(jù)進行檢索，可以指定任意時間段和數(shù)據(jù)源(整編庫/原始庫)，查詢儀器歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應過程線，并且支持對各個采集設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行人工增加、刪除和修改，對查詢結果可以根據(jù)不同字段進行排序。（2）歷史數(shù)據(jù)查詢(組合查詢)：對于監(jiān)測資料，用戶可以查詢多個測點在一段時間內(nèi)的監(jiān)測測值和成果數(shù)據(jù)。能夠根據(jù)用戶所選擇監(jiān)測站點、輸入的開始日期、結束日期、顯示所有符合條件的監(jiān)測數(shù)據(jù)。顯示順序可以按日期排序或按測點排序，同時可以對所查詢的數(shù)據(jù)進行修改并導出查詢結果。4、年/月/日數(shù)據(jù)報表自動生成模塊對于監(jiān)測資料，用戶可以查詢單個或多個測點在指定年、月、日內(nèi)的監(jiān)測測值和成果數(shù)據(jù)并自動生成報表。顯示順序可以按日期排序或按測點排序，同時可以對所查詢的數(shù)據(jù)進行修改并導出查詢結果。5、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及輔助決策模塊數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件功能用于對實際測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)作進一步的計算及分析處理，主要包括大壩變形分析、內(nèi)觀數(shù)據(jù)計算分析和滲流壓力分析等。（1）大壩變形分析進行變形監(jiān)測資料的定性分析和統(tǒng)計模型定量分析。以變形監(jiān)測信息三維可視化方式直觀顯示并分析工程結構變形情況（2）揚壓力及其他滲流分析①滯后時間分析采用單因子回歸模型計算滲流壓力水位滯后時間。②建立統(tǒng)計模型采用多元回歸方法建立統(tǒng)計模型，統(tǒng)計模型的因子為上游水深、降水量、時間等因子，根據(jù)相關系數(shù)，就回歸效果給出定性結論。除了建立新的統(tǒng)計模型，還可顯示己建統(tǒng)計模型，包括所有采用資料的開始日期、結束日期和模型信息，以及實測數(shù)據(jù)過程線、由模型計算得到的數(shù)據(jù)過程線。6、超預警值報警消息推送模塊異常數(shù)據(jù)報警，系統(tǒng)提供了監(jiān)測信息分級預警預報的功能，根據(jù)不同監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)合理范圍和風險闌值，自動判別水工程安全是否存在隱患。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)量級的不同將風險劃分等級，以異常信息列表、圖形高亮顯示或由短信及時發(fā)包預警信息，讓相關管理人員及時了解水工程安全狀態(tài)。數(shù)據(jù)查詢提供異常數(shù)據(jù)查詢選項，可以對任意監(jiān)測儀器和測點查詢?nèi)我鈺r間段內(nèi)的異常數(shù)據(jù)，并導出查詢結果。7、用戶信息管理與權限管理模塊（1）系統(tǒng)管理功能①用戶管理:對系統(tǒng)用戶進行統(tǒng)一管理，具有系統(tǒng)設置權限的用戶可以填加和刪除系統(tǒng)用戶，并修改用戶信息。②權限管理:給不同的用戶設置不同的權限，不同的用戶以自己的口令和密碼登錄系統(tǒng)后有不同安全級別的操作權限。（2）項目管理功能①設備信息:對系統(tǒng)中所有監(jiān)測設備的儀器類型、儀器名稱、儀器信息、生產(chǎn)廠家、計算公式與參數(shù)、極限值等信息分獨立功