水电站大坝安全监测自动化系统详解

    一、现状

    随着我国社会经济的进步，人民生活水平的提高，人们对电力的需求量越来越大，受到传统不可再生能源的限制，我国因提倡环境保护，火电发电逐渐减少，水利发电成为新的趋势。水电站大坝安全监测正常有效运行运用，直接影响发电站的安全生产管理水平。因此引入大坝安全监测自动化非常必要。

    现在大多数水电站大坝安全监测都是通过人工观测方式监测或者自动化监测设施设备严重老化，一方面费时费力成本高，另一方面监测数据精度不准确，不能及时的反馈监测数据。

    二、政策导向

    2023年2月28日，国家能源局发布的《水电站大坝安全提升专项行动方案》（以下简称《方案》）的通知指出，为进一步加强水电站大坝安全监督管理，深入排查整治大坝安全问题，有效提升大坝安全总体水平，国家能源局决定在全国范围内组织开展大坝安全提升专项行动。

  《方案》要求，大坝运行单位、主管单位及其隶属的企业集团总部要认真对照法律法规、国家行业政策文件及技术标准规范规定要求，深入查摆大坝安全工作存在的问题和不足，制定落实改进举措。对照查摆的内容至少应包括完善大坝安全组织机构、加强重要设备设施安全管理等8个方面、38项要求。

    三、系统介绍

    水电站大坝安全监测自动化系统由水电站智能感知、物联网信息通信、云端智慧监控管理平台组成。水电站的在线监控具有水位、雨量、变形、渗压、扬压力、视频等运行数据自动釆集、分析、上报功能，自组网、物联网系统具有全要素采集通信功能，并实现对其安全性态的发展趋势做出及时、准确的预测和安全预警，有效提高工程运行管理决策的准确性和及时性，同时向国家能源局大坝中心报送安全监测信息。

    四、监测内容

    1、环境量监测：上/下游水位、气温、降水量；

    2、变形监测：水平位移、垂直位移、坝体内部水平位移；

    3、渗压监测：坝基扬压力、绕坝扬压力、坝体渗流量；

    4、视频监测：监测水电站大坝全貌、溢洪道、上游水尺及坝体渗流等部位。

    五、监测布设图

    六、水电站大坝自动化监测平台

    1 、数据采集软件

  （1）数据通讯功能：实现服务器与上一级数据管理主机之间的远程控制和远程数据传输，以及主管单位监察中心之间的数据信息报送功能。同时充分考虑抗干扰设计，即使数据包的包头和包尾有乱码也能自动剔除，保证采集网络中数据的相互传输更加安全、可靠和高效。

  （2）数据采集功能:能够实时、定时采集监测数据，并具有超差复测功能。采集方式有两种， 即：中央控制方式（应答式），由上位机数据采集软件下达命令，网络节点上的所有采集装置（MCU） 进行巡测或选测，测量完毕后将数据根据命令存储在监控上位机中；自动控制方式（自报式），采集装置（MCU）按内部设定时间间隔自动进行测量，测量完毕后将数据存储，并定时将存储数据传输 到监控上位机的测值数据库中。自报测量前采集软件首先初始化各台采集装置的运行时钟，使整个系统同步运行，然后设定各台采集装置的自报时间间隔（根据对各测量项目测量周期的不同要求， 可以为每台采集装置设定不同的自报时间间隔），设定完成后各台采集装置自动按自报时间间隔进行测量，存储测量数据并定时传送给采集软件。当监控上位机系统发生故障（断电）或通信故障的情况下，各台采集装置也能按自报时间间隔进行测量，自动存储数据。当系统正常运行后，采集软件可将采集装置内存储的测量数据同步提取。

    系统具备监测数据的接入展示与图表统计功能，系统提供安全分析模型，利用各监测数据进行相关计算分析，判断大坝的安全稳定情况，辅助管理人员与技术人员进行阶段性大坝安全鉴定。

    系统包括测点管理、监测报表、监测图、监测分析 4 个模块。

渗压监测示意图

变形监测示意图

    系统提供所选电站的所有监测项目（渗压、变形、裂缝）任意测点的监测数 据变化过程线展示和导出，电站的渗压、裂缝的断面分布示意图，可选择不同的桩号展示对应断面，可选择任意时间段进行查询。

过程线示意图

断面分布示意图

    监测分析 ：

    系统包括位移和库水位关系图、渗流和库水位关系图、渗压和库水位关系图。根据所选电站的库水位和位移数据、测点渗流量数据、渗压水位数据进行计算，根据一元线 性回归方程自动绘制水平位移、垂直位移、渗流水位和库水位关系图，分析位移、渗流量、渗压和库水位的关系，为大坝安全监测业务提供数据支撑。

位移和库水位关系图示意图

扬压力/渗流渗压和库水位关系图示意图

    2、大坝安全监测查询与分析软件

    1、实时数据展示模块

  （1）实时数据展示功能

    监测信息三维可视化：依托环境监测信息、变形监测信息、渗流监测信息，结合大坝立体模型，实现监测信息的三维可视化查询与展示，信息显示更加符合现实空间维度，方便、直观。

  （2）实时数据管理功能

    ①、数据报表自动生成:采集软件采集实时最新监测数据，通过一系列数据预处理过程，整编进入中心综合数据库进行管理。信息管理软件读取监测仪器测点最新监测数据，以多种形式进行展示，令用户可以从多角度了解和掌握工程安全监测实时数据，并自动生成数据报表。

    ②、数据可视化:对工程安全监测重点监测区域进行分类处理，结合监测设计图纸，以图形的方式显示各个重点部位的测点分布、实时数据和运行情况。

    ③、仪器状态:通过对实时监测数据的处理，判别并统计监测仪器设备的实时运行状态。

    ④、异常数据管理:对系统中监测的异常数据进行统一管理，支持以人机交互的方式进行异常数据查询和异常判别。

    ⑤、数据输入:数据输入包括自动输入和人工输入两种方式，输入的数据源可以是同平台架构的采集数据，也可以是跨平台的外部监测系统数据。自动输入:可通过自动化系统数据采集软件直接获得或通过其他指定数据接口提取监测数据并入库，数据入库受测点入库时段和数据极限控制。人工输入:可人工输入监测数据，也可以直接输入监测物理量。直接输入监测物理量是为了适应人工监测点变为自动化测点后，人工输入该点自动化以前的历史数据。

    ⑥、整编入库:无论是自动输入还是人工输入数据，在数据入库的过程中都需要完成监测数据至监测物理量转换并存储，并经过极限值、粗差、计算等一系列整编处理后，将自动化监测系统采集的数据按指定的规则进行整理并把监测数据转入到数据库服务器上的整编数据库中，形成最终通过筛选和高度凝练的数据源，以提高数据的可靠性和稳定性。

    2、过程数据趋势曲线生成模块

    数据输出通过输出向导可以输出测点列表、多窗口输出测点数据图表、某时段中的所有测点数据、测点列表中的测点综合信息、数据模板(特殊的数据输出集合)和报表等。系统提供多元化输出方式，包括监测数据输出 Excel 文件，过程线图形下载，分析报告输出为 Word 文件等功能。

    3、历史数据查询/导出/打印模块

  （1）、历史数据查询(单点查询)：对工程监测项目中任意一支仪器测点数据进行检索，可以指定任意时间段和数据源(整编库/原始库)，查询仪器历史监测数据及相应过程线，并且支持对各个采集设备的监测数据进行人工增加、删除和修改，对查询结果可以根据不同字段进行排序。

  （2）、历史数据查询(组合查询)：对于监测资料，用户可以查询多个测点在一段时间内的监测测值和成果数据。能够根据用户所选择监测站点、输入的开始日期、结束日期、显示所有符合条件的监测数据。显示顺序可以按日期排序或按测点排序，同时可以对所查询的数据进行修改并导出查询结果。

    4、年/月/日数据报表自动生成模块

    对于监测资料，用户可以查询单个或多个测点在指定年、月、日内的监测测值和成果数据并自动生成报表。显示顺序可以按日期排序或按测点排序，同时可以对所查询的数据进行修改并导出查询结果。

    5、历史数据统计分析及辅助决策模块

    数据统计分析软件功能用于对实际测得的监测数据作进一步的计算及分析处理，主要包括大坝变形分析、内观数据计算分析和渗流压力分析等。

  （1）大坝变形分析

    进行变形监测资料的定性分析和统计模型定量分析。

    以变形监测信息三维可视化方式直观显示并分析工程结构变形情况

  （2）扬压力及其他渗流分析

    ①、滞后时间分析

    采用单因子回归模型计算渗流压力水位滞后时间。

    ②、建立统计模型

    采用多元回归方法建立统计模型，统计模型的因子为上游水深、降水量、时间等因子，根据相关系数，就回归效果给出定性结论。除了建立新的统计模型，还可显示己建统计模型，包括所有采用资料的开始日期、结束日期和模型信息，以及实测数据过程线、由模型计算得到的数据过程线。

    6、超预警值报警消息推送模块

    异常数据报警，系统提供了监测信息分级预警预报的功能，根据不同监测仪器的数据合理范围和风险阑值，自动判别水工程安全是否存在隐患。根据监测数据量级的不同将风险划分等级，以异常信息列表、图形高亮显示或由短信及时发包预警信息，让相关管理人员及时了解水工程安全状态。

    数据查询提供异常数据查询选项，可以对任意监测仪器和测点查询任意时间段内的异常数据，并导出查询结果。

    7、用户信息管理与权限管理模块

  （1）系统管理功能

    ①、用户管理:对系统用户进行统一管理，具有系统设置权限的用户可以填加和删除系统用户，并修改用户信息。

    ②、权限管理:给不同的用户设置不同的权限，不同的用户以自己的口令和密码登录系统后有不同安全级别的操作权限。

  （2）项目管理功能

    ①、设备信息:对系统中所有监测设备的仪器类型、仪器名称、仪器信息、生产厂家、计算公式与参数、极限值等信息分独立功能界面进行管理。用户可以根据项目仪器实际运行情况增加、修改、删除仪器的相关信息，对暂停使用的老旧仪器进行标记，保留历史测值;对在用仪器进行统一管理，实时接收最新观测数据。

    ②、测点信息:包括考证资料查询及添加、修改、删除等内容，可以根据监测项目不同，给出测点的相关信息，包括测点部位和监测仪器参数。管理员可以对信息进行修改和删除、新增等操作。

    工程信息:包括工程概况、水库信息、断面信息、大事记等的统一批量化管理。