0 引言

内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称呼蓄电站）位于内蒙古自治区呼和浩特市东北的大青山区，距呼和浩特市中心约20 km。电站枢纽建筑物主要有地下厂房系统、水道系统、上水库和下水库等。地下厂房系统围岩由于断裂结构面相互切割组合，形成不稳定块体。为此布置了23个监测断面，主要监测围岩变形、渗流、渗压、锚杆应力及围岩温度等。目前，呼蓄电站安全监测项目采用人工观测、数据采集及资料整编分析。但是人工方法存在人为因素对监测结果的影响，且人员投入大，存在一定的安全风险。为此，呼蓄电站拟对地下厂房安全监测系统进行自动化改造，以减少人为因素影响，提高监测精度。

1 工程概述

呼蓄电站地下厂房系统由主副厂房、主变压器洞、主变压器副厂房、母线洞、出线洞、排风洞等建筑物组成。主厂房、副厂房、安装场呈一字形布置，底板高程1275.0 m，顶拱高程1319.0 m，开挖尺寸152.0 m×23.5 m×51.0 m（长×宽×高）。主变压器洞及主变压器副厂房布置在厂房下游46.0 m处，开挖尺寸121.0 m×17.0 m×33.5 m（长×宽×高）。地下厂房系统地质主要表现为断裂构造，包括断层、裂隙密集带及构造裂隙等。厂房开挖后共揭露断层26条，断层破碎带宽度5~20 cm，由断层泥和碎裂岩组成，其中对地下厂房系统围岩稳定产生影响的主要断层有9条，主要发育3组裂隙，这些断裂结构面在地下厂房区相互切割组合，形成不稳定块体。

2 地下厂房安全监测系统现状

针对不稳定块体，地下厂房系统主要布置了23个安全监测断面，主要监测围岩变形、围岩渗流、渗压、锚杆应力、应变力及围岩温度等。埋设设备、仪器738支（套）。

2.1 监测仪器布置

主厂房布置6个监测断面，主要监测围岩变形、围岩渗压、锚杆应力及围岩温度。埋设监测仪器设施251支（套），包括多点位移计、滑动测微计导管、收敛测点棱镜装置、锚杆应力计、渗压计等。

岩壁吊车梁布置8个监测断面，吊顶支座梁布置4个监测断面，主要监测锚杆应力状态，埋设监测仪器设施156支（套）。主变压器洞布置5个监测断面，主要监测围岩变形、围岩渗压、锚杆应力及围岩温度等，埋设监测仪器设施149支（套）。对机组的检测主要有渗透压力、接缝位移、蜗壳、尾水管钢板应力、钢筋应力、混凝土应力、应变力、机组结构振动、副厂房楼板振动等，埋设监测仪器设施182支（套）。

2.2 运行情况

地下厂房系统安全监测仪器、设备总体上运行稳定可靠，完好率满足设计要求。各监测仪器、设备基本接入数据采集箱，按照设计要求采用人工方法进行数据观测、数据采集及资料整编分析。

3 安全监测系统自动化改造的必要性

地下厂房系统安全监测系统的精度及可靠性、监测项目及频次、监测数据的准确性、监测序列的完整性等直接影响监测资料分析质量以及综合评判的合理性。呼蓄电站采用人工方法进行数据观测、数据采集及资料整编分析，在很大程度上存在人为因素对监测结果的影响，且人员投入大，存在一定的安全风险。为此，呼蓄电站拟对地下厂房安全监测系统进行自动化改造。

安全监测系统的自动化可大大减少人为因素对监测结果的影响，提高监测精度，增强监测结果的可靠性，具有实时、快速等特点，可及时发现异常现象或工程隐患，保证水工建筑物的安全；远程监控、在线管理可使技术人员随时掌握大坝运行状况，从而有利于作出科学合理的决策^[1-3]。

4 地下厂房安全监测自动化设计 4.1 设计原则

（1）根据呼蓄电站的规模等级、地质条件和安全运行等实际情况，以国家相关规程规范为依据，进行安全监测自动化方案的设计；

（2）以保证工程安全运行、全面反映各重点位置运行状况为基本原则，采取行之有效和经济可靠的监测方法；

（3）根据呼蓄电站安全运行的基本情况及安全监测设施的完好情况和存在的问题，充分考虑观测仪器及设备的选择和布置，对已建安全监测设施进行合理有效的优化，充分发挥现有监测设备的作用，补充和完善监测工作；

（4）使各位置、各区域的监测项目或仪器设备尽量能够相互配合、相互补充、相互校核，确保观测资料的完整性、准确性和可靠性；

（5）实现监测数据的自动化管理，同有关管理部门进行远程数据通信，并具备报警功能。

4.2 仪器设备选型原则

（1）监测仪器、设备的量程和精度能够满足监测对象和监测项目的要求，各项技术指标符合国家标准及有关规定；

（2）监测仪器、设备的性能稳定可靠，能适应水工工程恶劣的环境条件和长期性的要求；

（3）监测仪器、设备应同时具备人工测读（目视测读或仪表测读）和能够接入自动化采集装置的规约标准^[4-5]。

4.3 安全监测自动化系统构成

呼蓄电站安全监测自动化系统按监测管理中心站、监测站两级设置（见图 1）。中心站的计算机与监测站的数据采集装置相连，数据采集装置连接各位置的监测传感器。

4.3.1 监测管理中心站

监测管理中心站是电站监测自动化系统的控制中枢，负责电站全部安全监测管理工作。监测管理中心站设在地下副厂房监测室内，主要配置监控计算机、数据库服务器、笔记本电脑、网络设备、交流稳压电源、UPS电源、激光打印机、扫描仪、存储设备等，配置信息管理软件、数据分析软件、数据采集软件、数据库软件、信息报送软件和办公软件。信息管理软件能够快速修改系统设置、设备参数及运行方式，能根据实测数据反映的状态修改、选择监测频次和监测对象；具有对采集数据库进行管理的功能；具有画面、报表编辑功能。

4.3.2 监测站

监测站的主要功能是通过数据采集装置对监测传感器进行数据采集、存储、电源管理及监测数据上传和接收中心站上位机的测控指令。根据地下厂房系统布设特点，按照监测仪器相对集中的部位集中布设的原则，在监测站设置时充分考虑交通、通风、远离强电磁干扰设备以及施工期监测电缆的走线情况等因素。在地下厂房系统共设30个监测站，上层排水廊道及监测室监测站20个，中层排水廊道监测站3个，机组结构母线层监测站2个，下层排水廊道监测站1个，引水下平段排水廊道监测站2个，尾水排水廊道监测站2个。

4.3.3 数据采集系统

数据采集系统选用DAU3000型数据采集单元，是基于水电一体化测控硬件平台研发的工程安全监测数据采集装置，由多功能主模块、系列传感器测量模块、IO控制模块、系列通信模块、系列电源模块等组成，根据工程需求，可灵活搭建、自由组合成各类自动化测控系统。数据采集单元与计算机之间可实现有线、无线或光纤通信等多种通信方式。

4.3.4 监测仪器

根据呼蓄电站安全监测运行情况将地下厂房系统现有安全监测设施全部纳入自动化监测系统，充分发挥现有监测设备的作用，确保观测资料的连续性、完整性和可靠性。

4.4 组网方式

呼蓄电站采用基于TCP/IP协议的现场通信网络，选用三旺通信技术有限公司生产的IES618-2F型交换机，主要技术指标为：6路百兆以太网电口+2路百兆光口，DC12-48V双电源，6个RJ-45接口，10/ 100 Mbits/s高性能网络交换芯片，所有端口均支持无阻塞、全线速数据包转发；工作温度为-40~60 ℃，能够适应工程潮湿、阴冷等恶劣环境。

地下厂房设主干光缆两条。第1条主干光缆从副厂房监测室经副厂房电缆道、电缆层电缆桥架、母线层电缆桥架将母线层测站接入通信网络，按支路光缆U形方式星型接入监测室2个一级光交换机。第2条主干光缆自副厂房监测室开始，连接厂房上层排水廊道6台二级光交换机后再回到监测室；有一级支路2条，分别从厂房上层排水廊道测站引出，将厂房中层排水廊道和尾水排水廊道的2台二级光交换机以及引水下平段排水廊道的2台二级光交换机接入通信网络；有二级支路1条，从厂房中层排水廊道测站引出，将厂房下层排水廊道测站1台光端机接入通信网络。厂房上、中、下层排水廊道线路通过排水孔就近连通。

4.5 系统供电及防雷 4.5.1 系统供电

系统供电电源根据系统功率需求和技术指标规定进行配置，统一管理。为确保系统电力稳定，采用专线供电方式，并设置供电线路安全防护及接地设施。系统配电方案如下。

（1）系统自动化设备负荷容量较小、地点分散且供电距离远，采用自监测管理站总电源引出的主干电缆T接至各监测站的供电方式，供电线路沿光缆总线的路线敷设。

（2）监测中心站总电源入口安装（电源线经室外时加装电源防雷器、隔离变压器）电源稳压器、UPS不间断电源，以获得优质电源。

（3）监测中心站总电源至现场设备的电源出口设置隔离变压器、电源防雷器；监测站电源入口设置电源隔离、防雷装置、带漏电保护的空气开关。非露天环境没有雷电影响时不设。

4.5.2 系统防雷

呼蓄电站地下厂房安全监测自动化系统采取安全防护及防雷措施。

（1）采集单元、机箱等系统设备均作接地处理，接地端子就近接入系统/工程接地网，监测管理中心站接地电阻不大于4 Ω，监测站接地电阻不大于10 Ω。

（2）对采集单元内的电源、通信线和传感器的接口进行过电保护。系统数据传输采用光缆作为通信介质，从根本上预防雷击可能造成的损坏。

（3）系统采用集中供电方式，供电入口和出口采用电源防雷器、隔离变压器等隔离稳压防雷设备，电源引入采集单元处设置电源隔离、防雷装置，传感器接入采集单元时采用继电器电路，不测量时切断干扰入口，以减少雷电感应对信号的干扰。

5 预期效果

呼蓄电站地下厂房监测自动化系统改造完成后可以实现监测单元数据自动采集，并与监测管理中心站主机之间的在线实时数据传送和控制、离线分析、网络系统管理等；可显示建筑物及监测系统的总貌，各观测断面结构轮廓和仪器布置；可进行图示化选测和过程曲线显示及监控图编辑、报警位置和状态显示等；可以实现报表制作及图形制作演示学习等日常工程安全监控和管理的全部功能；可满足国家能源局大坝安全监察中心数据提取要求。

数据服务器对所有数据（原始数据、整理整编数据等）采用同一格式在同一数据库中统一管理。监测信息管理系统服务器端具有多客户端连接管理能力，不同授权用户能远程联机、控制管理系统所有和部分功能，具有24 h不间断运行的在线监控和分级报警功能。

6 结语

随着安全监测技术水平的快速发展和进步，安全监测自动化是一种必然发展趋势和进步的标志。通过对呼蓄电站地下厂房结构及地质条件、安全监测的特点及运行情况，结合地下厂房系统现有安全监测设施，按照国家有关规程规定，进行了安全监测自动化改造方案的设计，以期为呼蓄电站地下厂房安全监测自动化改造提供借鉴。