Автоматизация мониторинга высотных плотин гидроэлектростанций Сибири Шайдуров Георгий Яковлевич Сибирский Федеральный Универсистет г. Красноярск 1

Цели мониторинга: Обеспечение безопасности окружающих территорий при нарушении целостности плотины, предупреждение чрезвычайных ситуаций. Обеспечение безопасности окружающих территорий при нарушении целостности плотины, предупреждение чрезвычайных ситуаций. Повышение эффективности эксплуатации гидросооружений за счет оптимального регулирования объемов спускаемой воды в течении года Повышение эффективности эксплуатации гидросооружений за счет оптимального регулирования объемов спускаемой воды в течении года 2

Высотные плотины Сибири – это гидросооружения, высота плотин которых от нижнего бьефа составляет более 100 м., а суммарная мощность вырабатываемой электроэнергии более 3 млн. квт. Саяно – Шушенская – 240 м., 6.4 млн. кВт. Саяно – Шушенская – 240 м., 6.4 млн. кВт. Красноярская – 124 м., 6 млн. кВт. Красноярская – 124 м., 6 млн. кВт. Братская – 100 м., 5 млн. кВт. Братская – 100 м., 5 млн. кВт. Усть – Илимская Усть – Илимская Зейская Зейская Бурейская Бурейская Богучанская Богучанская 3

Наименование ГЭС Страна Установленная мощность, кВт 1 Три Ущелья Китай ИтайпуБразилия Грэнд-КулиСША ГуриВенесуэла ТукуруиБразилия8000 6Саяно-ШушенскаяРоссия6400 7КрасноярскаяРоссия Ла Гранде Канада5328 9Черчил-ФулзКанада5225 4

Типовой состав систем контроля 1. Подсистемы и приборы контроля напряженно- деформированного состояния (НДС) 2. Подсистемы и приборы контроля плановых смещений 3. Геодезические створы 4. Гидронивелиры 5. Пьезометры, деформометры, щелемеры 6. Подсистемы контроля фильтрации воды 7. Уровнемеры воды в верхнем и нижнем бьефах 8. Подсистемы сейсмических наблюдений 9. Подсистемы контроля наполняемости водохранилищ и уровня стока воды в нижнем бьефе 10. Подсистемы контроля гидрогенераторов 5

Существующий уровень автоматизации Типы средств Красноярская Саяно- Шушенская Братская Усть- Илимская Зейская 1НДСА А (частично) ААА 2 Плановые смещения НАНАНАНАНА 3 Геодезические створы НАНАНАНАНА 4ГидронивелирыНАНАНАНАНА 5ПьезометрыНАНАНАНАНА 6 Фильтрации воды НАНАНАНАНА 7 Уровнемеры в бьефах НАНАНАНАНА 8 Сейсмические системы ААААА 9 Наполняемость воды НАНАНАНАНА 10 Контроль стоков НАНАНАНАНА 6

Состояние средств автоматизации контроля Система «Струна 4м» разработки НТЦР «Мезон» г. Красноярск: Красноярская ГЭС (1999 г.), Зейская (2002 г.), Саяно-Шушенская (частично, 2003 г.), Усть-Илимская Система «Струна 4м» разработки НТЦР «Мезон» г. Красноярск: Красноярская ГЭС (1999 г.), Зейская (2002 г.), Саяно-Шушенская (частично, 2003 г.), Усть-Илимская Братская (2007 г.) – Институт Автоматизации, г. Ангарск Братская (2007 г.) – Институт Автоматизации, г. Ангарск 7

Измерительные средства для автоматизации контроля Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС): закладные струнные датчики, измеряемый параметр – собственная частота, требуемая точность 0.1 % Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС): закладные струнные датчики, измеряемый параметр – собственная частота, требуемая точность 0.1 % Контроль плановых смещений: прямые и обратные струнные отвесы, требуемая точность 50 мкм. Контроль плановых смещений: прямые и обратные струнные отвесы, требуемая точность 50 мкм. Геодезические створы внешние и внутренние: струнные створы; оптические геодезические средства (теодолиты, нивелиры, лазерные дальномеры, сканирующие дальномеры фирмы «Лейка»); требуемая точность 100 мкм. Геодезические створы внешние и внутренние: струнные створы; оптические геодезические средства (теодолиты, нивелиры, лазерные дальномеры, сканирующие дальномеры фирмы «Лейка»); требуемая точность 100 мкм. Гидронивелиры: трубы, заполненные водой, требуемая точность измерений уровня воды 20 мкм. Гидронивелиры: трубы, заполненные водой, требуемая точность измерений уровня воды 20 мкм. 8

Пьезометры: напорные и ненапорные, измеряемый параметр – давление и уровень воды в скважинах. Пьезометры: напорные и ненапорные, измеряемый параметр – давление и уровень воды в скважинах. Подсистемы контроля наполняемости водохранилищ и уровня стока: Стандартных средств нет. Периодические замеры ручным способом. Необходимы автоматизированные дальномеры и системы оценки запасов воды и снежного покрова с использованием космических технологий. Подсистемы контроля наполняемости водохранилищ и уровня стока: Стандартных средств нет. Периодические замеры ручным способом. Необходимы автоматизированные дальномеры и системы оценки запасов воды и снежного покрова с использованием космических технологий. Фильтрация воды: измерительные сосуды, периодические ручные измерения Фильтрация воды: измерительные сосуды, периодические ручные измерения Подсистемы сейсмических наблюдений: сеть дистанционных сейсмодатчиков, соединенных через кабельные и радио каналы связи с центральной станцией приема и обработки информации. Разработчик: НПО «Сибцветметавтоматика» (г. Красноярск). Подсистемы сейсмических наблюдений: сеть дистанционных сейсмодатчиков, соединенных через кабельные и радио каналы связи с центральной станцией приема и обработки информации. Разработчик: НПО «Сибцветметавтоматика» (г. Красноярск). Подсистемы контроля биений осей гидрогенераторов. Подсистемы контроля биений осей гидрогенераторов. 9

Научно – технические проблемы По НДС: старение струнных датчиковЮ выход из строя до 1% в год от объема заложенной аппаратуры По НДС: старение струнных датчиковЮ выход из строя до 1% в год от объема заложенной аппаратуры По плановым смещениям: влияение на точность измерений температуры и влажности среды По плановым смещениям: влияение на точность измерений температуры и влажности среды По гидронивелирам: высокая стоимость известных опто-электронных систем (до 6500 евро на точку) По гидронивелирам: высокая стоимость известных опто-электронных систем (до 6500 евро на точку) Другие подсистемы: необходимость разработки высокоточных дистанционных средств измерений с максимальной надежностью и приемлимой стоимостью Другие подсистемы: необходимость разработки высокоточных дистанционных средств измерений с максимальной надежностью и приемлимой стоимостью 10

Опыт разработки и внедрения высокоточных автоматизированных средств контроля научно – технического центра радиоэлектроники «Мезон» Сибирского Федерального Университета 11

Автоматизированная система контроля напряженно – деформированного состояния «Струна 4М» АСК НДС «Струна 4М» контролирует давление в бетоне, температуру и др. параметры с использованием струнных датчиков, установленных в тело плотины с начала строительства. При этом точность измерения по всем параметрам не хуже 0.1%. Основным преимуществом АСК НДС «Струна 4М» перед её отечественными аналогами, является возможность работы со стареющими датчиками за счёт реализации оптимальных адаптационных алгоритмов возбуждения и обработки сигналов датчиков. 12

Струна 2МП Зейская ГЭС Струна 4 Усть-Илимская ГЭС 13

Автоматизированная система контроля плановых смещений по струнным отвесам ФПКС-2М АСК ПСП «ФПКС-2М» построена на базе фотоэлектронных преобразователей координат (ФПКС-2М) реперных точек плотины относительно струнных прямых и обратных отвесов. АСК ПСП «ФПКС-2М» предназначена для бесконтактных измерений в горизонтальной плоскости ортогональных координат перемещения плотины относительно вертикальных струн прямых и обратных отвесов на их плановх высотных и горизонтальных отметках. 14

ФПКС - 2 ФПКС – 2 Вариант для обратных отвесов 15

Автоматизированная система контроля перемещений гребня плотины Створ – 1 АСК перемещений гребня плотины с использованием струнного геодезического створа плотины (СГСП) предназначена для автоматического контроля поперечных перемещений точек реперного линейного фронта гребневой части опорных блоков плотины относительно текущих участков СГСП. Достоинствами системы является: Автоматический всепогодный и круглосуточный режим измерений; Автоматический всепогодный и круглосуточный режим измерений; Высокая точность измерений: 100 мкм в диапазоне 50 мм поперечных перемещений гребня плотины; Высокая точность измерений: 100 мкм в диапазоне 50 мм поперечных перемещений гребня плотины; Одновременность и высокая скорость измерений; Одновременность и высокая скорость измерений; 16

Научные публикации 1. Струнные датчики в системах автоматизированного контроля гидротехнических сооружений Детали и системы 7, Проблемы автоматизации створов гидротехнических сооружений Гидросооружения 1, 2007 г. 3. Шайдуров Г.Я. Автоматизированный контроль гидротехнических сооружений Монография Новосибирск, «Наука», 2006 г. 17

4. Мониторинг территории Сибири и Дальнего Востока с малых космических аппаратов Красноярск, КГТУ, 2006 г. Материалы конференции «Инновационное развитие региона Сибири» 5. Автоматизация контроля плановых смещений по струнным отвесам Гидротехническое строительство, 10, 2006 г. 6. Автоматизированные комплексы контроля напряженно – деформированного состояния ГТС типа «Струна» Гидротехническое строительство, 12, 2006 г. 7. Об извлечении информации со стареющих датчиков НДС гидротехнических сооружений Гидротехническое строительство, 1, 2003 г. 8. К проблемам измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений Гидротехническое строительство, 5, 2003 г. 9. Крук Д.Е. Оптоэлектронный метод и прибор контроля плановых смещений гидротехнических сооружений Кандидатская диссертация, г. Красноярск, КрГТУ, 2004 г. 18

Патенты 1. Устройство для автоматизированного определения координат струнных отвесов ГТС от Способ и устройство извлечения информации о напряженно- деформированном состоянии ГТС от Устройство для измерения уровня электро-проводящей жидкости от от