大型水電站泄洪閘門異地控制安全控制方案研究

黃新祥，尹志超，周玉安，趙雨夢(mèng)

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司阿海發(fā)電分公司，云南省麗江市 674100）

0 引言

大型流域水電站基本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控、無(wú)人值班少人值守的生產(chǎn)運(yùn)行管理模式[1]，水電站泄洪閘門實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程控制，一直是水電生產(chǎn)運(yùn)行急迫需要解決的難題，而且其實(shí)施過程極為謹(jǐn)慎。大型水電站泄洪閘門一般為巨型弧形鋼閘門，體型大、噸位重、動(dòng)作頻繁，遠(yuǎn)程控制異常將造成難以估量損失。因此，保障泄洪閘門異地控制下安全可靠運(yùn)行的問題亟待解決。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大型流域水電站對(duì)泄洪閘門控制的研究，基于遠(yuǎn)程控制[2]、閘門開度與水位變化[3]、自動(dòng)控制算法[4]、控制精度[5]等，對(duì)梯級(jí)水電站泄洪閘門開度實(shí)時(shí)自動(dòng)分配方法[6]、泄洪閘門與動(dòng)態(tài)負(fù)荷及水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)[7]、梯級(jí)水電站緊急切機(jī)情況下閘門快速操作方法[8]、閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及其遠(yuǎn)程控制方法[9]等方面的研究，尚未形成系統(tǒng)的安全控制策略。國(guó)內(nèi)外大型流域水電站泄洪閘門遠(yuǎn)程異地控制方案逐步推廣應(yīng)用，研究應(yīng)用多聚焦于閘門遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)、精度、水位變，目前尚未進(jìn)行大型水電站系統(tǒng)的安全控制方案。

基于以上分析，本文提出一種較為完整可靠的泄洪閘門異地控制的安全控制方案。該方案采用分層分級(jí)式控制方式，利用“時(shí)間”和“開度”雙變量邏輯算法以及軟硬件結(jié)合的主動(dòng)容錯(cuò)等關(guān)鍵安全技術(shù)，提高了泄洪閘門遠(yuǎn)程異地控制的安全可靠性，能夠保障大型流域水電站泄洪閘門泄洪安全。試驗(yàn)證明，該方案可有效確保大型閘門即使在極端異常情況也可實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 分層分級(jí)式的安全策略設(shè)計(jì)思路

阿海水電站位于云南省麗江市玉龍縣、寧蒗縣交界的金沙江中游河段，總裝機(jī)容量200萬(wàn)kW，屬一等大（1）型水利水電樞紐工程，壩址距離云南昆明650km。電站總庫(kù)容8.06×108m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站設(shè)有5個(gè)泄洪表孔，每孔安裝有13.0m×20.0m（寬×高）弧形鋼閘門作為工作閘門。泄洪的溢流表孔工作閘門啟閉采用以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，控制共有4種方式，分別為：金中集控異地遠(yuǎn)方控制方式、電站中控室遠(yuǎn)程控制方式、現(xiàn)地自動(dòng)控制方式、現(xiàn)地手動(dòng)操作方式。4種工作方式之間相互閉鎖，可通過選擇按鈕實(shí)現(xiàn)工作方式切換，為保證任何一種控制方式的獨(dú)立性、安全性及可靠性，每一種控制方式均設(shè)有安全控制方案，共同保障泄洪閘門安全運(yùn)行。

本文針對(duì)阿海水電站的實(shí)際情況，采用分層分級(jí)式控制方式，分層體現(xiàn)在昆明集控層、阿海廠站層、阿海大壩層以及阿海現(xiàn)地層4個(gè)控制層次，對(duì)應(yīng)金中集控中心監(jiān)控系統(tǒng)、阿海電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)、阿海電站監(jiān)控系統(tǒng)壩區(qū)LCU、阿海電站溢流表孔控制柜4個(gè)分級(jí)，4個(gè)層級(jí)的安全級(jí)別從高到低為：阿海現(xiàn)地層＞大壩層＞廠站層＞昆明集控層。層與級(jí)之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，共同構(gòu)成一套較為完整的泄洪閘門異地控制安全控制方案，確保泄洪閘門在任何運(yùn)行方式、極端條件下遠(yuǎn)程控制的安全性和可靠性。

1.1 集控層安全策略

金中集控中心采用基于庫(kù)水位動(dòng)態(tài)控制模型的泄洪閘門動(dòng)態(tài)、高頻參數(shù)調(diào)整方式，根據(jù)水文象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)際來(lái)水情況、水輪機(jī)特性曲線模型數(shù)據(jù)等約束條件，分別提前5天、3天、2天預(yù)判洪水發(fā)生概率和強(qiáng)度，結(jié)合來(lái)水流量浮動(dòng)參數(shù)調(diào)整庫(kù)水位，確保機(jī)組高水頭或高負(fù)荷運(yùn)行，按照水量平衡原理，定時(shí)、自動(dòng)依據(jù)庫(kù)水位浮動(dòng)控制模型計(jì)算泄洪閘門開度，按預(yù)設(shè)開度觸發(fā)閘門調(diào)整調(diào)度模塊，激活大型流域梯級(jí)電站的泄洪閘門調(diào)度流程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、多批次遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

異地集控遠(yuǎn)程操控過程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的遙調(diào)指令發(fā)送至阿海電站數(shù)據(jù)服務(wù)器，再發(fā)送至現(xiàn)地層PLC控制器，實(shí)現(xiàn)泄洪閘門開度的PI調(diào)節(jié)，集控至電站現(xiàn)地設(shè)備信號(hào)執(zhí)行流程圖如圖1所示。出現(xiàn)異常時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出單點(diǎn)遙控指令，通過PLC控制器實(shí)現(xiàn)停止閘門。調(diào)節(jié)過程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)過程參數(shù)越限，出現(xiàn)液壓異常、接力器不同步等破壞性前兆時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)熔斷保護(hù)功能。調(diào)節(jié)完成后，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)靜默執(zhí)行自動(dòng)退出流程、自動(dòng)提示報(bào)警、自動(dòng)激活防溜控制流程等程序功能[10]。

圖1 集控層安全策略信號(hào)執(zhí)行流程圖Figure 1 Flow chart of executing security policy signals at the centralized control layer

1.2 廠站層安全控制方案設(shè)計(jì)

判斷泄洪閘門當(dāng)前狀態(tài)，如現(xiàn)地層PLC無(wú)故障、現(xiàn)場(chǎng)層大壩層控制柜各電源正常、閘門未在全開全關(guān)狀態(tài)等，無(wú)異常情況時(shí)，滿足控制操作條件，此時(shí)允許異地集控層操作閘門，若有異常立即報(bào)警，廠站層與集控層均不可控制閘門。另外，電站還采用了開度限制以及通信系統(tǒng)失去監(jiān)視時(shí)的自動(dòng)控制策略，提高了該方案的可靠性與安全性。廠站層安全控制方案圖如圖2所示。

圖2 廠站層控制條件安全控制方案圖Figure 2 Safety control scheme diagram of plant station floor control conditions

電站中控室或集控中心在上位機(jī)控制閘門開度時(shí)，當(dāng)上位機(jī)設(shè)定的目標(biāo)值增量超出調(diào)節(jié)范圍，或計(jì)算目標(biāo)值超過閘門的最大、最小開度范圍內(nèi)時(shí)均為無(wú)效設(shè)定值，系統(tǒng)拒絕執(zhí)行命令，設(shè)定閘門開度上限20m，開度下限-0.01m，引入單步調(diào)節(jié)步長(zhǎng)限制，單步調(diào)節(jié)限值的設(shè)定為5m。

當(dāng)上位機(jī)與遠(yuǎn)程閘門I/O端子箱通信中斷時(shí)，控制器判斷通信出現(xiàn)壞質(zhì)量，并立即觸發(fā)“停止”命令，即停止閘門操作，保持當(dāng)前開度。控制器之間通過引入心跳信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性的判定，心跳信號(hào)周期性生成，當(dāng)無(wú)法偵測(cè)到主控制器的心跳信號(hào)變化，則認(rèn)為控制器之間的通信中斷，則復(fù)歸主控制器的所有命令，由控制器進(jìn)行相應(yīng)閘門的停門操作。

1.3 大壩層安全控制方案

泄洪閘門異地控制安全控制方案重點(diǎn)為大壩層安全控制，原因有以下兩點(diǎn)：一是大壩層控制柜位于壩上，距離現(xiàn)地泄洪閘門較近，其安全性直接影響閘門操作可靠性；二是金中集控、廠站中控室距離大壩較遠(yuǎn)，對(duì)閘門的控制也受到影響。作為泄洪閘門控制的樞紐，大壩層LCU除具有接收來(lái)自廠站中控層、集控層指令功能外，自身控制模塊也集成了比較完善的安全控制邏輯算法，可有效保證閘門操作的安全性和可靠性。

閘門系統(tǒng)具有比較完善的保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生信號(hào)異常時(shí)，信號(hào)由現(xiàn)地PLC經(jīng)現(xiàn)地I/O遠(yuǎn)程端子控制箱傳輸?shù)酱髩螌涌刂乒瘢到y(tǒng)判斷出信號(hào)異常，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度。通常閘門系統(tǒng)的異常現(xiàn)象有溢洪道閘門行程超差、溢洪道閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)壓力低、溢洪道啟閉機(jī)有桿腔軟管破裂、PLC故障，現(xiàn)地I/O遠(yuǎn)程端子箱異常現(xiàn)象有控制器、電源消失、通信中斷等。

在閘門運(yùn)行過程中，相鄰兩周期內(nèi)閘門的行程相差過大，或者反饋信號(hào)超范圍，則判斷為閘門開度反饋信號(hào)異常，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度，屬于閘門開度保護(hù)。

在閘門開度調(diào)解過程中，閘門開度值與設(shè)定目標(biāo)值之間差值應(yīng)逐漸減小，若二者相差越來(lái)越大則屬于調(diào)節(jié)反向。閘門開啟過程中，監(jiān)控系統(tǒng)周期性檢測(cè)閘門開度，如果檢測(cè)到的開度小于上一周期的開度，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度。閘門關(guān)閉過程中，監(jiān)控系統(tǒng)同樣周期性檢測(cè)閘門開度，如檢測(cè)到開度大于上一周期的開度，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度。

當(dāng)下發(fā)閘門開啟/關(guān)閉命令后，系統(tǒng)根據(jù)下發(fā)的目標(biāo)值計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)值所需的時(shí)間，若開啟/關(guān)閉時(shí)間超過該時(shí)間，控制器則開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度，并向上位機(jī)報(bào)警，屬于閘門超時(shí)保護(hù)。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門實(shí)際開度單位時(shí)間內(nèi)的變化率（即1s內(nèi)閘門開度最大值與最小值差值），開度變化率超出定值時(shí)，則判斷為閘門開度波動(dòng)，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度，此種保護(hù)措施屬于開度波動(dòng)保護(hù)，需增加開度值反饋功能，對(duì)實(shí)時(shí)反饋的開度值進(jìn)行上下限的判定、采樣品質(zhì)的判定和采樣相鄰變化梯度的判定，同時(shí)通過采用多次累加平均計(jì)算的方式，實(shí)際參與控制的開度值取最近20次的平均值，以防采樣數(shù)據(jù)故障及跳變現(xiàn)象的發(fā)生。泄洪閘門大壩層安全方案控制邏輯圖如圖3所示。

圖3 泄洪閘門大壩層安全方案控制邏輯圖Figure 3 Spillway gate dam layer safety scheme control logic diagram

1.4 泄洪閘門現(xiàn)地層安全控制方案

為保證在異常情況或極端條件下大型閘門安全運(yùn)行以及泄洪安全，泄洪閘門現(xiàn)地層安全控制方案控制邏輯圖如圖4所示。

圖4 泄洪閘門現(xiàn)地層安全控制方案控制邏輯圖Figure 4 Control logic diagram of safety control scheme of spillway gate

2 安全控制方案實(shí)施

在原有泄洪閘門現(xiàn)地控制、大壩及廠房中控室可控的基礎(chǔ)上，利用電站現(xiàn)場(chǎng)連接至昆明集控中心的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)專線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，通過創(chuàng)建程序功能塊、編寫控制程序、修改硬件回路等措施完成了項(xiàng)目的主體實(shí)施，通過反復(fù)試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)金中集控對(duì)阿海電站泄洪閘門的遠(yuǎn)程安全可靠控制。

2.1 遙調(diào)安全控制方案實(shí)施

金中集控中心遠(yuǎn)程控制閘門命令有兩種：遙控命令和遙調(diào)命令，遙控命令有“開啟”“關(guān)閉”“停止”，遙調(diào)命令則根據(jù)設(shè)定值操作，可在閘門開度范圍內(nèi)任意設(shè)置。集控需遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制溢流表孔泄洪閘門時(shí)，只需發(fā)出控制命令，程序根據(jù)接收到的命令計(jì)算正常操作閘門所需時(shí)間并判斷未達(dá)到預(yù)設(shè)限制，開始操作閘門并計(jì)時(shí)，判斷開度值誤差在調(diào)節(jié)死區(qū)0.1m內(nèi)時(shí)即完成了一次閘門操作。操作期間如果閘門實(shí)際操作時(shí)間超過正常操作時(shí)間，則判斷未“操作超時(shí)”，在閘門啟閉過程中，若出現(xiàn)系統(tǒng)異常報(bào)警，則發(fā)出停止操作閘門命令，遙調(diào)遙控控制過程示意圖如圖5所示。

圖5 遙調(diào)遙控控制過程示意圖Figure 5 Remote control process diagram

2.2 精度控制方案實(shí)施

引入“時(shí)間”和“開度”雙變量實(shí)現(xiàn)閘門精準(zhǔn)控制，同時(shí)也保障了泄洪閘門運(yùn)行的安全可靠性。利用遙調(diào)實(shí)時(shí)反饋的開度值作為閉環(huán)控制，依據(jù)閘門運(yùn)行實(shí)時(shí)速度，精確調(diào)整閘門開度到預(yù)設(shè)開度值，準(zhǔn)確計(jì)算出閘門運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，保證其在正常時(shí)間范圍內(nèi)。

閘門開度調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算公式如下：

式中：f(T)——監(jiān)控系統(tǒng)PLC開出閘門啟/閉指令到開出停止指令總時(shí)間；

Pset——遠(yuǎn)方（中控室/集控中心）閘門開度設(shè)定；

Pact——閘門開度實(shí)際值；

Ratio——閘門啟閉機(jī)運(yùn)行速度變化率 ；

Tpump——閘門啟閉機(jī)從起泵到閘門實(shí)際啟/閉運(yùn)行的等待時(shí)間；

Tdeadband——閘門運(yùn)行進(jìn)入死區(qū)后到閘門開度設(shè)定時(shí)間。

2.2.1 設(shè)定調(diào)節(jié)死區(qū)

通過設(shè)定調(diào)節(jié)死區(qū)，對(duì)于目標(biāo)值與開度值之差在進(jìn)入死區(qū)后，即刻發(fā)出“停止”命令，死區(qū)設(shè)置為0.1m，兼顧了閘門的控制慣性與反饋的滯后性，經(jīng)過測(cè)試，該死區(qū)下控制精度可以達(dá)到5cm。

2.2.2 微調(diào)節(jié)模塊的步進(jìn)控制

在通過死區(qū)調(diào)節(jié)結(jié)束后，程序會(huì)在30s內(nèi)進(jìn)行設(shè)定值與實(shí)際反饋開度值之間的差值判定，如果差值大于0.1m，則程序會(huì)啟動(dòng)步進(jìn)控制模塊進(jìn)行步進(jìn)控制，直到設(shè)定值與實(shí)際反饋開度值之差進(jìn)入死區(qū)，設(shè)定單步控制次數(shù)為10次，若未調(diào)節(jié)至死區(qū)，發(fā)出報(bào)警和“停止”命令，閘門停止運(yùn)行。

2.3 創(chuàng)建控制程序功能塊

在集控層、廠站層、大壩層及現(xiàn)地層創(chuàng)建控制程序功能塊，該功能塊梯形圖邏輯清晰，具有較好的直觀性與對(duì)應(yīng)性，同時(shí)編寫程序代碼以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的安全控制邏輯，功能塊梯形圖與TS語(yǔ)言代碼相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了較為完整的分層分級(jí)式安全控制策略，保證了泄洪閘門在異地控制下的快速、安全、可靠運(yùn)行。

2.4 完善主動(dòng)容錯(cuò)機(jī)制和互鎖功能

采用軟硬件結(jié)合的主動(dòng)容錯(cuò)機(jī)制，可確保在極端條件下泄洪閘門異地控制安全性。容錯(cuò)包括硬件回路元器件故障或者損壞以及軟件回路信號(hào)反饋異常時(shí)，能根據(jù)雙回路硬件或者綜合反饋信號(hào)準(zhǔn)確判斷泄洪閘門實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。泄洪閘門操作時(shí)，容錯(cuò)機(jī)制可有效保障在單一元器件故障或者單一軟件邏輯誤判及漏判情況下，泄洪閘門仍可安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

在監(jiān)控系統(tǒng)中軟件內(nèi)設(shè)置閘門啟/閉邏輯互鎖功能，并設(shè)計(jì)硬接線的啟/閉互鎖功能，保證在反饋信號(hào)異常或者程序死機(jī)等異常情況下，閘門啟閉仍可正常運(yùn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 安全控制方案試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)

2019年5月安全策略開發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施完成后，開展現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。按照分層分級(jí)設(shè)計(jì)思路，采用模擬、控制變量、單項(xiàng)及多項(xiàng)組合等試驗(yàn)方法，對(duì)每一層級(jí)安全策略進(jìn)行了嚴(yán)密測(cè)試，該試驗(yàn)有效驗(yàn)證了本文提出的安全控制方案功能正常，在各類異常情況下可有效保障閘門的安全，安全控制方案驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 安全策略驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Security policy validation test data statistics table

開展異地遠(yuǎn)程集控全行程實(shí)際泄洪閘門遙調(diào)試驗(yàn)，驗(yàn)證泄洪閘門在實(shí)際運(yùn)行過程中的安全性和可靠性，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案滿足設(shè)計(jì)要求。遠(yuǎn)程集控全行程實(shí)際泄洪閘門遙調(diào)測(cè)試表如表2所示。

表 2 遠(yuǎn)程集控全行程實(shí)際泄洪閘門遙調(diào)測(cè)試表Table 2 Remote control test table of spillway gate with full travel

續(xù)表

3.2 運(yùn)行情況分析

2019年5月完成安全策略功能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)后，2019年7月1日正式投入試運(yùn)行，試運(yùn)行期1年，2020年7月1日，正式投入運(yùn)行。根據(jù)試運(yùn)行情況優(yōu)化運(yùn)行過程中閘門實(shí)際運(yùn)行速率與時(shí)間變量不匹配，觸發(fā)安全策略調(diào)節(jié)超時(shí)保護(hù)功能等相關(guān)參數(shù)，不斷完善安全控制方案，保障閘門的安全可靠運(yùn)行。表3為2019～2021年泄洪閘門遠(yuǎn)程集控操作統(tǒng)計(jì)表。

表3 2019～2021年泄洪閘門遠(yuǎn)程集控操作統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of remote centralized control operation of spillway gates from 2019 to 2021

續(xù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種大型水電站泄洪閘門異地安全控制方案，采用分層分級(jí)式安全控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型流域電站泄洪閘門進(jìn)行異地控制和泄洪閘門智能化故障判斷與開度精準(zhǔn)控制。在閘門控制邏輯算法中引入“時(shí)間”和“開度”雙變量，實(shí)現(xiàn)閘門開度智能判斷及控制，確保閘門運(yùn)行的安全性，同時(shí)采用軟硬件結(jié)合的主動(dòng)容錯(cuò)關(guān)鍵技術(shù)，確保極端情況下閘門的啟閉安全。泄洪閘門異地控制的安全控制方案結(jié)構(gòu)合理、安全可靠，能最大限度地保障泄洪閘門運(yùn)行安全性和可靠性，對(duì)大型流域梯級(jí)水電站泄洪閘門的異地遠(yuǎn)程安全控制方案設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。