五凌电力水电站群大坝远程安全监控系统方案研究

徐润明

（五凌电力有限公司，湖南长沙410014）

0 引言

20世纪50年代开始，我国引入大坝变形监测技术，70年代末期开始进行大坝安全监测自动化技术研究，90年代新建的水电站大坝逐渐实行了自动化监测，至本世纪初期，我国水电站大坝安全监测自动化技术已渐趋成熟。随着电力体制改革的深入开展以及水电建设高峰期的到来，不少发电公司都涉足不同流域水电站的建设和运行管理，随着管理大坝数量的增加，大坝安全管理的风险越来越大，发电公司及监管部门如何有效开展水电站群大坝安全管理已成为研究的课题。五凌电力有限公司（以下简称五凌公司）是中国电力投资集团公司旗下的骨干发电企业，以水电开发为基础，目前已建成五强溪、三板溪等10座大中型水电站，另有3座水电站在建，已投产电站装机容量达519万kW。公司各水电站分布于湖南、贵州两省的沅水、资水、湘江流域，电站分布范围广、坝型多样。随着公司管理大坝数量的增加，专业技术人才不断稀释，大坝监测人员人手不足的问题愈来愈严重。为加强水电站大坝安全管理，五凌公司自2006年在国内率先提出水电站群大坝安全远程集中管理的理念，拟采用先进的计算机及网络技术，将各水电站大坝监测系统集成，实现远程监测、实时监控、集中进行资料整编与分析，确保大坝安全状况可控、在控，同时达到减人增效的目的。

1 远程集控系统方案研究

1.1 监测系统现状

五凌公司已建，在建水电站大坝共17座，电站大坝监测系统采用以自动化监测为主、人工为辅的方式，自动化系统主要采用南京南瑞集团公司、南京水文自动化研究所、湖南远程电子有限公司三家的产品。系统共接入传感器11 000余支，自动化采集模块近700个。由于自动化系统设备厂家较多，建设时间跨度达近20 a，且电站地域范围广、测点繁杂，系统集成困难，难以集中管理。

1.2 系统建设主要技术难题

经分析，要实现水电站群大坝安全监测集中管理，必须解决四大技术难题：（1）不同厂家监测自动化系统兼容的问题；（2）远程采集的问题，要在远程可以对各电厂所有监测仪器进行实时测量；（3）系统运行速度问题，由于电厂分布范围广、测点繁多，系统集成后运行速度必须满足大坝监测工作需要；（4）前后方数据同步的问题等，系统要考虑在中心站与分站（电厂）通讯中断情况下分站能够单独运行，为此中心站与分站数据库必须保持同步。

1.3 系统实施方案

1.3.1 建设目标

水电站群大坝远程安全监控系统投运后要实现五凌公司所辖工程安全信息采集规范化、自动化，实现无人值守下的远程分布式数据采集与集中统一管理和安全监控，满足工程安全运行的技术要求。

1.3.2 系统框架结构

本系统总体框架结构设计如图1所示。

从图1可以看出，系统按管理层次分为两级：

第一级：中心级，即长沙监测信息中心；

图1 系统总体框架结构图Fig.1 Framework of the system

第二级：分站级，即各个水电站的监测管理分站。

系统设备安装在长沙中心站，中心站可进行采集控制、系统管理、数据整编和分析评估；如果分站采用是南瑞监测自动化系统，具有采集控制、系统管理、数据整编和分析评估功能，并使用所在分站的南瑞系统数据库。如果分站自动化采集设备不是南瑞公司的产品，在此分站安装大坝安全信息管理系统软件，且软件只具备系统管理、数据整编和分析评估功能，不负责数据采集，且只连接使用长沙中心站数据库。

图2 软件层次结构Fig.2 Layers of the software

1.3.3 系统软件结构

（1）软件层次结构

系统软件主要包括工程安全监测、资料整编分析、安全运行评估、决策支持、安全信息网络报送等各种应用的综合系统。系统所关注的问题分在不同的层中，通常分为用户界面层、业务逻辑层和数据访问层。不同的应用可以用不同的用户界面层，业务逻辑层和数据访问层各应用复用。

用户界面层实现设置和输出的界面，在大坝客户端软件和Web应用中分别实现不同的用户界面层。业务逻辑层则用接口方式实现所有大坝资源操作的逻辑。数据访问层专门处理对数据库的操作，将这层从业务逻辑层分离出来，这样可以提高数据库的可移植性。

（2）软件设计框图

系统软件由采集、报表、图形、数据表格、测点管理、数据管理、任务管理七个部分组成。软件框架图见图3。

图3 系统软件框图Fig.3 Structure of the software

1.3.4 网络基础

通过公司现有VPN（虚拟专用网）网络将五凌公司长沙监测中心和所属各水电站监测分中心互联起来，构建“五凌公司大坝安全管理信息系统”内部VLAN网络，位于《发电厂二次系统安全防护指南》中的安全III区。网络采用层次化设计，分为两层：长沙中心作为核心节点，各水电站分中心作为汇聚节点。

长沙中心局域网担负着全局的数据交换和处理任务，并为监测信息中心运行工作人员在各水电站监测系统及专业应用软件支撑下对水电站工程做安全运行管理。长沙监测信息中心建有一套独立的局域网设备，通过千兆路由交换机和VPN中心交换机相连接，在此局域网中，配有数据库服务器、应用服务器、采集前置机、分析工作站、操作工作站若干台等。

分站（即电站观测机房）是对所在电厂大坝安全进行监测的第一级监控系统，担负着分中心范围内的数据交换和处理任务。

2 技术特点

2.1 实现总线插拔式的多工程集成

该系统采用面向服务的思想与总线式体系结构，具有很强的集成能力和可伸缩性，可将同构或异构的大坝安全监测系统接入统一管理平台，创造性地解决了多工程集成的难题，对提高水电站群的大坝远程监测具有非常重要的意义。

2.2 实现一站式多坝综合监控

在长沙中心站，通过定制统一的管理视图，即可及时获得流域电站的安全监测信息，如分站的报警信息、重点测点信息、模块通讯状态、流域多工程导航地图等。

2.3 开发了“通用远程采集协议”

图4 五凌公司VPN广域网Fig.4 VPN wide area network of Wuling Electricity Company

本系统开发了一套“通用远程采集协议”，可无缝集成第三方厂家的大坝监测自动化系统。协议中的数据采用xml编解码技术，解决了各厂家采集控制信息难以统一描述的困扰，为多家采集系统异构控制提供了兼容的、低成本的解决方案。

2.4 采用“任务”管理机制，实现自动化、智能化管理

首次在大坝监测领域采用“任务”管理机制，将一些运行、维护工作封装成可运行的“任务”，这些“任务”可以通过手动、定时、事件触发等方式启动，实现日常事务处理的自动化和智能化，极大地提高了系统运行与管理的效率。

2.5 实现分布式系统信息同步

长沙中心站与各电厂分站的监测系统实现了信息同步，同步的内容包括支持系统运行的所有配置信息和测量数据，保证了中心站和分站数据信息的一致性与完整性，实现了中心站和分站系统互为备份,极大地提高了系统的可靠性。

3 应用成效

该系统是一个集流域电厂大坝安全监测、资料分析、决策辅助支持等于一体的大坝安全综合管理信息系统。该系统自投入运行以来，极大地提高了大坝安全管理工作效率，取得了显著的管理效益和一定的经济效益。

3.1 实现大坝安全监测工作规范化、标准化管理

该系统投运后，对各电厂安全监测系统监测数据进行统一管理，避免了之前分开管理、各自整编、综合汇总的复杂工作流程，优化了大坝安全监测工作流程。系统建设和运行过程中，编制了各类监测月报、年报、数据统计表、测量成果表等报表模板，及各类过程线图、分布图、相关图等图形模板。这些模板应用于日常的大坝安全监测工作中，实现了大坝安全监测工作规范化、标准化管理。

3.2 为大坝安全管理提供辅助决策支持

该系统实现了对各电厂大坝分站监测系统的集中控制和统一管理，实现了多坝综合监控的一站式管理平台，实现了对监测数据的后台实时评估并报警，保障大坝安全信息的及时处理和传递，实现快速反应，为大坝运行决策提供有力支持。

3.3 实现减人增效，降低管理成本

该系统投运后，大坝监测工作由中心站集中控制、统一管理，电厂分站可以实现“无人值班”，从而为大坝监测人员在公司各电厂间流动创造了条件，为实现流域化检修铺平了道路。目前，大坝监测中心承担了公司10个电厂的监测任务，监测人员仅有29人，相当于国内其它电厂的1/5，在保证工作质量的同时，大大降低了管理成本。

3.4 实现异构系统的无缝集成，节省系统升级费用

由于初期各电厂安全监控自动化建设时间较早，因此有部分非大坝安全监测系统的自动化监控设备存在，本系统的设计考虑了这部分设备与异构系统，通过标准协议与导数程序将这部分设备与信息在大坝安全远程集控监测系统中进行集成，避免了对这部分自动化系统进行改造升级，节省了系统升级费用。

4 结语

五凌电力水电站群大坝远程安全监控系统的建成投运，成功解决了目前国内水电站群大坝监测系统中多电站、多系统、多厂家、多家承建单位、多种运行方式的矛盾和冲突，在水电站群大坝安全管理方面取得了显著的经济效益和社会效益。随着我国流域水电开发的进一步推进，本项目的经验和应用价值还将得到更大的体现，还将为我国水电事业的发展做出更大的贡献。