1、86方案创新20234发电厂建设区域的地质条件和水文环境复杂，常会引起发电厂构筑物的沉降。众多建设经验表明，发电厂在施工期和运营期都会发生地基基础和地表的沉降，并引起发电厂设备及周边结构的变形。沉降变形不均匀时，会给发电厂的构筑物带来隐患，如果形变超过构筑物所承受的限值，则会影响发电厂工程的建设安全和运行安全。为此，国内外都非常重视对发电厂工程构筑物的安全监测，将其作为发电厂工程建设和运行过程中重要的工作内容1。目前，国内仍采用水准测量技术实施发电厂构筑物变形监测，随着对发电厂工程的安全预防及实时预警要求的不断提高，研发发电厂智能变形监测系统显得尤为迫切。“云大物移智”技术的发展促进了变形监测
2、手段和监测模式的创新2。为了能够及时、准确地对发电厂构筑物的状态、稳定程度和变形情况进行分析，并长期安全地保存变形监测信息，实现发电厂建设和运行期间的安全预警，本文基于传感器监测技术、远程网络传输技术、移动互联网技术以及信息化技术，探讨对发电厂构筑物变形监测数据的采集、传输、处理、分析、评价与预警机制的理论研究和设计思路，为施工单位和运营单位实时掌握工程安全信息和决策分析提供辅助作用和技术支撑。系统集成设计发电厂智能变形监测系统的构建采用基于技术的集成3，即在相同的开发环境下实现对传感器的控制，以达到系统的无缝集成。系统的集成结构是以传感器为基础应用设备，利用物联网智能数据采集设备进行数据采集
3、，采用无线互联网络为数据传输平台，通过分析与安全预警系统实现设备控制、参数设置、数据分析及安全预警等功能，形成智能感知与智能预警的功能。智能变形监测系统由现场感知层、通讯传输层和数据管理层组成4，其集成如图1所示。现场感知层将安装在发电厂构筑物基础的变形监测发电厂智能变形监测系统研究与设计 中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司 曹玉明 刘顺 云刚 杨成坡 吴东华 罗海东 胡明刚传感器所感知的数据传输至数据采集与传输设备，并实时通过通讯传输层传递到数据管理层，也可以通过手持端设备将数据远程传输至数据管理层。通讯传输层为数据管理层与现场感知层提供数据传输桥梁，利用有线网络或4G、5G无线互联
4、网络实现系统与现场的数据交换。数据管理层由接口服务器、数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、通讯网络、防火墙等硬件设备组成，并部署智能变形监测系统、数据库管理系统等应用软件系统。系统设计现场感知层现场感知层包括数据采集硬件、软件、数据存储与管理、数据传输等。数据采集硬件根据传感器种类、数量、信号特征、采样频率、数据吞吐量及对信号的预处理要求等进行选择。物联网智能数据采集和监控设备用于处理各类使用有线或无线方式采集到的传感数据。嵌入式系统向下负责各种前端设备的数据和信息采集、数据处理和协议转换，向上响应上层应用软件的命令，为上层应用提供可靠的信息和数据。物联网智能数据采集硬件每个物联网智能数据
5、采集设备都可以接入多个传感器，而传感器决定了其与物联网智能数据采集设备之间采用的通信协议。物联网智能数据采集设备之间要考虑信号采集时间同步要求，根据监测要求和信号传输距离要求进行布置，遵循标准协议和标准接口，便于数据传输和存储；具备实时采集、本地存储、自动传输等功能，保证现场数据的真实性、有效性和实时性；满足复杂环境下的工作需求，具有防护功能，易于更换，且更换时不影响软件的使用；传感器可选用分布式信号采集硬件，并确定传输距离、传输带宽和速率；信号采集模块转换分辨率要满足传感器分辨率和监测要求；信号采集硬件使用工业可编程逻辑控制器或远程终端单元。20234创新企业增刊87物联网智能数据采集软件物
6、联网智能数据采集软件具有数据实时采集、自动存储、缓存管理、即时反馈和自动传输等功能，能够与数据库系统和数据分析软件稳定、可靠地通讯，可本地或远程调整设备配置，可通过标签数据库或本地配置文件进行信息读取；对传感器输出信号、信号采集和传输设备的运行状态信号进行实时采集，对系统运行状态进行监控，发生异常时及时报警；能够接受并处理信号采集参数的调整指令，并记录和备份处理过程；能够定时启动传感器设备进行监测；能够按照不同的监测内容、采样次序、采样频率，进行传感器输出的采样与模数转换。通讯传输层物联网采集数据的传输方式可根据实际情况选用无线或有线传输方式。采用无线通讯网络时，无线信号传输能力要满足传输要求
7、，数据之间的接口要具备完整性、规范性、开放性和灵活性；传输数据时，如遇网络异常或其他异常情况，要具备断电续传和补全历史数据的功能。接口应支持至少TCP/IP、MQTT、Https等协议中的一种，并支持双向通讯，具备数据主动推送及远程遥测功能。数据管理层发电厂智能变形监测系统部署在服务器上，与物联网智能数据采集设备之间利用有线或无线互联网进行指令和数据通信。发电厂智能变形监测系统主要由数据采集与管理、数据分析及预警管理等模块组成。数据采集与管理数据采集与管理模块要建立用户等级制度，对不同等级用户赋予不同管理权限。通过通讯协议收集各终端设备的信息和数据，监控物联网智能数据采集设备及传感器的图1智能
8、变形监测系统的集成应用服务器 短信网关WEB服务器管理层数据管理层 由接口服务器、数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、通讯网络、防火墙等多类硬件设备组成，此外还需要部署相关的检测管理系统、数据库管理系统应用软件系统数据传输层 提供通信信道，数据管理层与采集设备的通信桥梁，主要3G、4G通信等，以满足系统与现场的数据交换设备感知层 监测人员使用设备进行检测，并通过手持端将数据远程、实时地通过传输层提供的网络传递到数据管理层运维人员监测人员物联网采集与传输设备无线或有线通讯网络传感器传感器路由器防火墙IPS数据采集服务器数据库服务器维护工作站数据管理层 通讯传输层现场感知层设备直传88方案创新
9、20234运行状态。设置开放式数据接口，可与数据库实现无缝衔接，并具备数据统一上传、存储、管理和浏览功能，确保监测数据的完整性。通过配置监控不同类型终端设备，利用电脑端或手机端实现设备的远程集中管理，并将变形监测信息通过短信、APP程序等多种方式通知相关人员。系统运营期内的监测数据要完整保存，可采用冷热数据分离技术，热数据的有效期要大于6个月。数据库要支持集群部署，设置自动备份功能。数据要进行分层设计，原始传感器数据与分析处理后的数据独立存储，保证原始数据不被修改。对数据进行签权设计，加强对敏感数据的存储。原始监测数据定期存储、备份存档，后处理数据要保持不少于3个月在线存储，重要数据采用光盘或
10、大数据硬盘永久存储。由一个或多个能胜任的授权用户管理变形监测数据库管理系统及其信息安全。管理员应经过培训，以便能正确有效地建立和维护安全策略。被授权的管理员要严格遵守系统管理员的要求进行操作。数据分析数据分析模块基于监测数据对发电厂构筑物结构的安全性和耐久性进行全面分析。数据分析模块通过对数据分析对比、趋势分析，并利用人工巡检数据进行复核，综合评估构筑物结构的工作状态。数据分析模块具备各项结构参数的时域趋势、变化趋势及安全评估等功能，可以个性化显示采集数据和实时曲线变化。数据分析和综合评估流程是将系统采集数据、人工巡查信息和构筑物结构资料输入数据分析模块，经过安全性分析、适应性分析和耐久性分析
11、，得出分析报告及维护建议。数据分析模块可生成发电厂变形监测分析报告，并将报告发送至各级管理人员。发电厂变形监测分析报告包括工程概况、监测项目及依据、采用的仪器型号和规格、监测信号采集方法、监测数据图表、监测点布置、监测数据的累计值、变化速率、时程曲线等，并监测数据、巡查信息的分析说明、结论与建 议等。预警管理预警管理模块包括不同预警等级的警情报送对象、时间、方法和流程。根据监测项目预警等级和预警标准，建立安全预警管理制度5，即建立一级预警、二级预警和三级预警制度。监测数据达到预警标准时，通过APP程序或短信收发设备或互联网的移动网关进行警情报送，自动推送预警报告，并可提供历史事件的查询功能。当
12、达到目标等级的控制值后，根据现场情况采取对应的控制措施。预警报告包括警情发生时间、地点、现场情况、严重程度，现场巡查情况，监测数据图表，警情原因分析，警情处理措施建议等。数据管理与功能扩展智能变形监测系统管理后台要确保数据不可伪造、信息完整、操作真实。监测系统对合法用户进行统一管理、监控，避免非法用户登录，确保不同的用户按照各自用户权限访问不同的数据。对于部分重要关键操作，需要记录操作人员、操作时间、操作机IP地址等信息，能够追踪整个操作过程。不因停电、火灾等原因影响数据的完整性，不因修改某个字段而影响数据的完整性，以确保系统数据的完整性和真实性。智能变形监测系统采用协议转换方式进行扩展设计，
13、通过配置文件可扩展的数据转换器插件，将智能物联网终端设备采用的通信协议转换为TCP协议，以实现不同厂商、不同功能的智能物联网终端设备的接入。结论本文根据发电厂工程变形监测的特点，借鉴物联网智能变形数据采集与监控系统的应用成果，通过对发电厂智能变形监测系统设计和核心设计理念的研究，提出了构建高效能、强扩展、易实施的系统设计方案，以实现对构筑物实时、准确地分析与预警，提高反应能力和协同处理问题的能力，为降低灾害事故、科学决策、工程安全施工和安全运营提供有力保障。参考文献1中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 8-2016,建筑变形测量规范S.北京:中国建筑工业出版社,2016.2国家能源局.DL/T 5210.1-2012,电力建设施工质量验收及评价规程 第1部分:土建工程S.北京:中国电力出版社,2012.3中国测绘地理信息学会.中国测绘学科发展蓝皮书(2015-2016卷)M.北京:测绘出版社,2016:72-73.4贵慧宏,张锦.自动变形监测系统集成数据库的设计与实现J.测绘工程,2010,19(1):53-57.5张飞舟,杨东凯,陈智.物联网技术导论M.北京:电子工业出版社,2010.
