微功耗大坝安全监测通用无线现地单元应用实践

陆纬 储华平 李东 吴健琨

摘要：大坝安全监测通用无线数据采集现地单元的监测手段具有微功耗、体积小、易布设和采取多级防护等特点。介绍了该系统在湖南托口水电站以及江西柘林水电站安全监测中的应用情况。该通用现地单元可混合接入多种类型安全监测传感器，采用分布式架构布设于各仪器集中处，利用无线广域网或无线局域网进行数据传输，有效节省了线缆及土建成本，提高了系统稳定性，缩短了值守时间。应用结果表明，该微功耗现地单元稳定可靠，可高效获取了大坝及周边难于供电测点数据，并大幅提升了数据采集设备的防雷性能。

关键词： 无线组网;数据采集;现地单元;大坝监测;微功耗

中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.016

大坝安全监测是对大坝施工过程和运行状态进行监视的一种必要手段。目前，大坝监测自动化系统基本采用分布式架构，利用各种专用的数据采集模块获取特定类型传感器的物理信号，再通过有线数据总线或无线网络将传感器采集的数据传送至中心控制计算机[1]。

由于大坝监测传感器的种类繁多，一个工程可能采用多种类型的模块，使得日常维护十分繁琐;同时，各类传感器无法同时接入同一个模块，因此可能需要为了一支不同仪器而增加一个专用采集模块的情况，造成资源的浪费和增加系统的复杂度。

针对这一问题，研究并设计了一种微功耗通用数据采集模块，将该数据采集模块与传统大坝安全监测常用的振弦式、差阻式、±5V电压量、4～20mA标准电流量、RS485标准接口式、电位器式等类型传感器结合，可构成适合于大坝监测行业的新型通用数据采集系统。

该模块根据现场实际应用的需要设计了一个具有不同通道数的系列，包含单通道、4通道、8通道以及16通道通用型，对电能要求低，稳定可靠，通用性和互换性高，数据可多通道发送，已成功应用于多个工程现场。

1 托口水电站

1.1 系统应用概况

托口水电站位于湖南省洪江市境内，工程以发电为主，兼具防洪、航运等综合效益。工程等级为I等大（一）型，最大坝高82 m。水库正常蓄水位250.00 m，死水位235.00 m，正常蓄水时库容12.49亿m3，校核洪水位252.43 m，总库容13.84亿m3，电站总装机容量830 MW（其中生态放水小机组15×2 MW），多年平均发电量21.31亿kW·h。枢纽建筑物由东游祠主坝、王麻溪副坝、河湾地块防渗工程及生态放水发电系统等四大部分组成。由于托口水电站特殊的地形条件，枢纽建筑物采用分散式布置，即东游祠主坝（挡水、泄洪建筑物）与王麻溪副坝（发电厂房、通航建筑物）等分开布置，其间为河湾地块。该地块全线直线距离约4.5 km，共布置46孔地下水位观测孔，需要采集相关地下水水位高程信息。

1.2 技术难点

托口水电站河湾地块地下水安全监测项目在具体实施中存在一些问题，对数据采集模块的布设、网络通信方式及架构、电源的设置等都提出了一定的要求，主要包括：

（1）河湾地块全线范围较大，布置的46孔地下水位观测孔分布较广，各观测孔间距离在几百米以上，难以实现将多支仪器电缆拖引至一处集中接入相关数据采集模块的方式。

（2）由于各测点与中心机房距离远，且存在沿途土地权属问题，难以在现场埋设光缆等有线通信线路或拖引仪器电缆经过农田、果园等居民设施。

（3）各地下水观测孔基本都处于野外林深草密处，夏季林木枝叶可能会完全遮挡住太阳能电板，且野外禁止砍伐树木，加之基本没有市电供电的可能性，因此对数据采集模块的低功耗性能提出了较高的要求。

（4）河湾地块存在一些洼地、水塘、鱼塘等覆盖水体的区域，易遭受雷击，对安全监测系统的防雷性能提出了较高要求。防雷及相关的电磁干扰防护是安全监测数据采集模块的必要组成部分。除传感器外，对外通信是系统最易遭受损害的环节，因此需采用多种保护措施[2]。

（5）区域内多处测点处于暴露状态，夏天阳光暴晒，雨季潮湿闷热，部分测点位置人迹罕至、难以到达，因此对相关监测设备的环境适应性以及值守可靠性提出了较高要求。

1.3 解决方案

针对主要技术实施难点，新引入的河湾地块地下水自动监测系统采用分布式架构和4通道微功耗通用大坝安全监测模块作为现地单元进行数据采集及远程传输。结合基于网络的上位机软件，构成新型微功耗无线安全监测系统，具有如下特点：

（1）以高精度振弦式渗压计为地下水水位测量仪器。数据采集模块就近布设于各地下水观测孔并接入渗压计，大大减少了仪器线缆的长度。同时每个测点均配置4通道微功耗通用采集模块，形成通道冗余，便于后期增加仪器，且当一个通道损坏时有可供替换的备用通道继续进行测量。模块电路板见图1。

（2）数据接收端的中心计算机接入因特网后均可实现接收测控装置发送的实时数据[3]。经过实地测量，现场各测点处均有GPRS公网信号，信号强度各异，故系统采用基于公网GPRS信号的无线传输方案。針对受所在地地理位置限制、个别测点信号强度较弱的情况，采用了增强型天线作为有效应对措施，实际使用中效果良好，可以有效保障获取的信号强度。整个地下水监测网络呈星型分布式架构，每个测量模块接入一支传感器独立工作，一个测点模块的损坏或失效不影响其他测点数据的正常上报。同时，因双网隔离需要，相关测量数据先远程传送至长沙五凌电力数据中心，托口水电站再通过网络从长沙数据中心调阅相关数据。相关组网设计方案见图2。

（3）数据采集模块采用智能电源分配控制。控制器智能休眠待机模式可有效降低模块的整体运行功耗，节省大量电力。现地单元整体待机电流30 μA以下，仅依靠配备小功率、小面积太阳能板及小容量铅酸蓄电池即可满足使用要求，如15 Ah蓄电池可供损坏的太阳能板工作至少1a。

（4）在实际的电路设计中，除了电源和对外通信使用电源及通信防雷器外，采集系统所有接入仪器线缆的通道都设计了双重防雷系统。数据采集模块的下端各通道的接入电路均应用光耦继电器进行隔离，同时配备气体放电管及瞬变抑制管对螺丝固定孔连接的箱体进行有效放电。实际安装时，立杆与箱体进行连接可有效导电放电，立杆根基处设置简易钢筋笼并配合导电剂使用，可大大降低现地单元的接地电阻，便于短时、快速泄放电荷，具体见图3。另外，箱体通过接地线与测点防雷接地桩连接，每个测点设置4个接地桩，实测接地电阻均小于10Ω。

托口水电站河湾地块地下水監测一体化现地单元现场安装情况如图4所示。

1.4 应用效果

由于很多测点处于植被茂密处，太阳能电板会被部分或完全遮挡，同时南方持续阴雨天气可能导致蓄电池无法有效充电;若GPRS通信模块持续在线耗电较大，小型蓄电池也难以支持，故现场测量模块采用睡眠定时唤醒或设置相应的窗口时间。在窗口时间对GPRS通信模块进行设置，可保证模块在需要的时间段保持实时在线，便于随时对相关传感器进行测量;还可对模块在线时长进行设置，通过断电或使其进入睡眠模式以降低功耗[4]。

该系统自2016年7月调试完成后投运，运行期间总体较为稳定可靠，测量精度满足监测要求。设备现场安装地区为南方高山密林地区，运行过程中常出现长周期的阴雨天气，采用微功耗数据采集模块以来，利用公网发送的监测数据未出现中断、丢失等现象。经多次人工观测校核，自动化地下水水位测量精度及变化趋势符合现场客观事实，满足电站的观测要求。

运行2 a间，相关测点自动化测得地下水位与库水位的相关性曲线见图5。

2 柘林水利枢纽

2.1 系统应用概况

柘林水利枢纽位于江西省西北部永修县境内修河中游末端，是一座以发电为主，兼具防洪、灌溉、航运、养殖等综合效益的大型水利水电工程。该工程距南昌、九江公路均约为100 km，距永修约40 km。工程于1958年开工兴建，目前水电站总装机容量42万kW。柘林水利工程主要由主坝、Ⅰ副坝、Ⅱ副坝、Ⅲ副坝、第一溢洪道、第二溢洪道、泄空洞、两个发电厂房及其引水系统、灌溉隧洞及取水闸、船筏道建筑物等组成。主坝为黏土及混凝土防渗心墙土石坝，设计坝顶高程73.5 m，最大坝高 63.5 m，坝顶长590.75 m。主坝部分安全监测设备采用了南京水利水文自动化研究所生产的DG-2000型分布式大坝监测系统，于2004 年投运。2017年进行自动化系统及大部分监测仪器的升级改造，改造后的系统由分布在主坝区的监测仪器（273支）、微功耗现地测控装置、中央机房和配套电缆及数据采集软件等构成。目前，微功耗现地测控装置共25台，分别安装在6个观测房里。

现场6个观测房分别接入2～8台的16通道微功耗现地测控装置，所有观测房均采用12V/30W太阳能电板及12V/100Ah铅酸蓄电池进行供电，同时通过光缆与中心机房的数据采集计算机进行有线通信。所有现场的振弦式、差阻式及电位器式仪器均可混合接入各微功耗现地测控装置，观测房内布置如图6所示。

柘林主坝两侧坝肩上个别土位移计极易遭受雷击。由于安装现场的地形地势处于最高点的突出位置，自仪器埋设运行以来多次遭受雷击而损坏，微功耗现地测控装置配备的仪器通道防雷器多次被击穿，另一端的振弦式土位移计的钢弦也被击断，严重时甚至导致数据采集模块被击坏。以柘林水电站主坝左岸边坡高程95 m平台E1土位移计等测点为例，在2017年陆续发生4～5起防雷模块及土位移计均被击穿的现象，有1～2次采集模块内通道也发生损坏，现场受雷击影响严重。

经相关技术改进，在山顶的土位移计与半山腰的现地测控装置之间架设防雷器，即将中间线缆两端进行防雷器接地保护。仪器线缆进入数据采集模块相关防雷通道之前，先经过菲尼克斯防雷器，防雷器接地端直接与现地单元箱体接地螺栓柱连接进行大电流的泄放;另一端线缆进入相关传感器之前也要先经过菲尼克斯防雷器，防雷器接地端与现场设置的接地扁铁相连后直接整体地埋，接地扁铁砸入地下70 cm以上。安装埋设方法如图7所示。经一段时间使用，在2018年3～8月，E1测点发生1次菲尼克斯防雷器及仪器被击坏的现象，虽然该埋设方法起到一定效果，但仍亟需改进。

2.3 解决方案

针对柘林现场个别测点的防雷技术难点，新引入的微功耗无线通用安全监测数据采集现地单元采用单通道一体化设计，待机电流小于30 μA，使用一次性大容量19 000 mAh锂电池供电，可以接入振弦式、差阻式等多种类型传感器。单通道现地采集单元具体地埋的安装方式与接入防雷器类似，通信可采用无线公网GPRS或短消息SMS，也可采用短距无线LoRa方式进行可视范围内的点对点数据传输。

新型微功耗无线现地采集单元的引入作为原先柘林有线通信主体的有效补充，可解决个别易遭受雷击测点的数据获取问题，主要有如下特点：

（1）体积小巧，内置相关防雷器件，极低的功耗可以保证其在无电源供给的情况下使用至少2 a。

（2）采用防水铝盒封装，安装简单方便，相邻仪器可就近地埋，减少了仪器电缆的走线。

（3）采用无线通信方式大大降低了通信线缆遭受雷击的可能，實际安装时只需将无线通信天线置于地面之上。

（4）现地单元处的通信模块平时不上电，相关数据采集模块待机也采用低功耗睡眠模式。一般定时唤醒到点测量报数或设置相应的通信窗口时间，在定时测报或窗口时间通信模块上电组网，进行无线数据传输。定时测报或窗口时间结束，通信模块掉电的同时，采集模块也进入睡眠待机模式。因整个现地单元平时待机电流极低，故其遭受雷击的可能性也大幅降低。

2.4 应用效果

几处易遭雷击测点均处于与数据采集中心机房的通视路径上，且与其直线距离不超过400 m，故具体应用中采用有线局域无线组网LoRa技术。自2018年8月起，在柘林水电站主坝边坡高程95 m平台E1土位移计等测点应用微功耗单点无线现地采集单元配备LoRa终端，中心机房计算机配备LoRa网关用于无线数据的接收。使用后数据采集稳定可靠，已连续经历过多次雷雨天气考验，各测点均运转正常，每天定时测报两组数据，满足相关的数据完整性要求，解决了测点长期受到雷电影响的问题，有效保障了数据采集模块和相关传感器的安全。具体应用相关组网架构见图8。

随着国家移动通信公网覆盖范围的不断扩大及数据服务价格的不断降低，各种无线通讯技术得到了迅猛发展[5]，相关无线局域网技术与公网的有效融合也越来越紧密，未来越来越多的新建水库大坝工程监测及大坝除险加固系统升级改造等项目将会采用无线技术组网。同时，随着传感器技术的突飞猛进，相关采集设备对通用性的要求也在不断提高。在进一步做好无线网络安全的前提下，未来在坝体或水工建筑物的内部监测、地下水信息化平台的建设等方面，微功耗分布式通用安全监测技术与无线传输技术的有效结合将会成为重要的应用方向之一。

参考文献：

[1] 章涛，舒乃秋，李红玲，等.  大坝安全监测网络传感器通用数据采集模块设计[J].  工业仪表与自动化装置，？2004？（2）： 36-38.

[2] 廖荣庆.  大坝安全监测自动化系统的网络设计[J].  水利水电快报，？2004，？25？（1）：28-30.

[3] 李家群，吴健琨，张维科.  利用GSM网络进行大坝远程监控的应用实践[J].  水利水文自动化，2008（2）：8-12.

[4] 陆纬，刘波，陈欣刚，等.  大坝安全监测系统主要无线组网策略[J].  水利信息化，？2017（6）：59-64.

[5] 毛良明，边静如.  新型无线通信技术在安全监测自动化系统中的探索与应用[J].  水电自动化与大坝监测，2010 （6）：38-40.

（编辑：李晓濛）