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

（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現(xiàn)遠程集控、無人值班少人值守的生產(chǎn)運行管理模式[1]，水電站泄洪閘門實現(xiàn)異地遠程控制，一直是水電生產(chǎn)運行急迫需要解決的難題，而且其實施過程極為謹(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、動作頻繁，遠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行的問題亟待解決。

當(dāng)前國內(nèi)外大型流域水電站對泄洪閘門控制的研究，基于遠程控制[2]、閘門開度與水位變化[3]、自動控制算法[4]、控制精度[5]等，對梯級水電站泄洪閘門開度實時自動分配方法[6]、泄洪閘門與動態(tài)負(fù)荷及水位自動聯(lián)動[7]、梯級水電站緊急切機情況下閘門快速操作方法[8]、閘門遠程控制系統(tǒng)及其遠程控制方法[9]等方面的研究，尚未形成系統(tǒng)的安全控制策略。國內(nèi)外大型流域水電站泄洪閘門遠程異地控制方案逐步推廣應(yīng)用，研究應(yīng)用多聚焦于閘門遠程控制實現(xiàn)、精度、水位變，目前尚未進行大型水電站系統(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式控制方式，利用“時間”和“開度”雙變量邏輯算法以及軟硬件結(jié)合的主動容錯等關(guān)鍵安全技術(shù)，提高了泄洪閘門遠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現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。

1 分層分級式的安全策略設(shè)計思路

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，總裝機容量200萬kW，屬一等大（1）型水利水電樞紐工程，壩址距離云南昆明650km。電站總庫容8.06×108m3，為日調(diào)節(jié)水庫。電站設(shè)有5個泄洪表孔，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：金中集控異地遠方控制方式、電站中控室遠程控制方式、現(xiàn)地自動控制方式、現(xiàn)地手動操作方式。4種工作方式之間相互閉鎖，可通過選擇按鈕實現(xiàn)工作方式切換，為保證任何一種控制方式的獨立性、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行。

本文針對阿海水電站的實際情況，采用分層分級式控制方式，分層體現(xiàn)在昆明集控層、阿海廠站層、阿海大壩層以及阿?，F(xiàn)地層4個控制層次，對應(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、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個分級，4個層級的安全級別從高到低為：阿?，F(xiàn)地層＞大壩層＞廠站層＞昆明集控層。層與級之間既相互獨立又相互聯(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行方式、極端條件下遠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水位動態(tài)控制模型的泄洪閘門動態(tài)、高頻參數(shù)調(diào)整方式，根據(jù)水文象預(yù)測數(shù)據(jù)、實際來水情況、水輪機特性曲線模型數(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)生概率和強度，結(jié)合來水流量浮動參數(shù)調(diào)整庫水位，確保機組高水頭或高負(fù)荷運行，按照水量平衡原理，定時、自動依據(jù)庫水位浮動控制模型計算泄洪閘門開度，按預(yù)設(shè)開度觸發(fā)閘門調(diào)整調(diào)度模塊，激活大型流域梯級電站的泄洪閘門調(diào)度流程，實現(xiàn)動態(tài)、多批次遠程調(diào)節(jié)。

異地集控遠程操控過程中，計算機監(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)備信號執(zhí)行流程圖如圖1所示。出現(xiàn)異常時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出單點遙控指令，通過PLC控制器實現(xiàn)停止閘門。調(diào)節(jié)過程中，計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動觸發(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，自動觸發(fā)熔斷保護功能。調(diào)節(jié)完成后，計算機監(jiān)控系統(tǒng)靜默執(zhí)行自動退出流程、自動提示報警、自動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

判斷泄洪閘門當(dāng)前狀態(tài)，如現(xiàn)地層PLC無故障、現(xiàn)場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，無異常情況時，滿足控制操作條件，此時允許異地集控層操作閘門，若有異常立即報警，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)視時的自動控制策略，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控制閘門開度時，當(dāng)上位機設(shè)定的目標(biāo)值增量超出調(diào)節(jié)范圍，或計算目標(biāo)值超過閘門的最大、最小開度范圍內(nèi)時均為無效設(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)步長限制，單步調(diào)節(jié)限值的設(shè)定為5m。

當(dāng)上位機與遠程閘門I/O端子箱通信中斷時，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?？刂破髦g通過引入心跳信號進行數(shù)據(jù)有效性的判定，心跳信號周期性生成，當(dāng)無法偵測到主控制器的心跳信號變化，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為大壩層安全控制，原因有以下兩點：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，對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功能，當(dāng)發(fā)生信號異常時，信號由現(xiàn)地PLC經(jīng)現(xiàn)地I/O遠程端子控制箱傳輸?shù)酱髩螌涌刂乒?，系統(tǒng)判斷出信號異常，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?，F(xiàn)象有溢洪道閘門行程超差、溢洪道閘門啟閉機系統(tǒng)壓力低、溢洪道啟閉機有桿腔軟管破裂、PLC故障，現(xiàn)地I/O遠程端子箱異?，F(xiàn)象有控制器、電源消失、通信中斷等。

在閘門運行過程中，相鄰兩周期內(nèi)閘門的行程相差過大，或者反饋信號超范圍，則判斷為閘門開度反饋信號異常，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。

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)周期性檢測閘門開度，如果檢測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)同樣周期性檢測閘門開度，如檢測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)值計算出達到目標(biāo)值所需的時間，若開啟/關(guān)閉時間超過該時間，控制器則開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度，并向上位機報警，屬于閘門超時保護。

系統(tǒng)實時監(jiān)測閘門實際開度單位時間內(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，則判斷為閘門開度波動，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當(dāng)前開度，此種保護措施屬于開度波動保護，需增加開度值反饋功能，對實時反饋的開度值進行上下限的判定、采樣品質(zhì)的判定和采樣相鄰變化梯度的判定，同時通過采用多次累加平均計算的方式，實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目的主體實施，通過反復(fù)試驗，最終實現(xiàn)金中集控對阿海電站泄洪閘門的遠程安全可靠控制。

2.1 遙調(diào)安全控制方案實施

金中集控中心遠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。集控需遠程精準(zhǔn)控制溢流表孔泄洪閘門時，只需發(fā)出控制命令，程序根據(jù)接收到的命令計算正常操作閘門所需時間并判斷未達到預(yù)設(shè)限制，開始操作閘門并計時，判斷開度值誤差在調(diào)節(jié)死區(qū)0.1m內(nèi)時即完成了一次閘門操作。操作期間如果閘門實際操作時間超過正常操作時間，則判斷未“操作超時”，在閘門啟閉過程中，若出現(xiàn)系統(tǒng)異常報警，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 精度控制方案實施

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

閘門開度調(diào)節(jié)時間計算公式如下：

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間；

Pset——遠方（中控室/集控中心）閘門開度設(shè)定；

Pact——閘門開度實際值；

Ratio——閘門啟閉機運行速度變化率 ；

Tpump——閘門啟閉機從起泵到閘門實際啟/閉運行的等待時間；

Tdeadband——閘門運行進入死區(qū)后到閘門開度設(shè)定時間。

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)，對于目標(biāo)值與開度值之差在進入死區(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)過測試，該死區(qū)下控制精度可以達到5cm。

2.2.2 微調(diào)節(jié)模塊的步進控制

在通過死區(qū)調(diào)節(jié)結(jié)束后，程序會在30s內(nèi)進行設(shè)定值與實際反饋開度值之間的差值判定，如果差值大于0.1m，則程序會啟動步進控制模塊進行步進控制，直到設(shè)定值與實際反饋開度值之差進入死區(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)出報警和“停止”命令，閘門停止運行。

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應(yīng)性，同時編寫程序代碼以實現(xiàn)較為復(fù)雜的安全控制邏輯，功能塊梯形圖與TS語言代碼相結(jié)合，實現(xiàn)了較為完整的分層分級式安全控制策略，保證了泄洪閘門在異地控制下的快速、安全、可靠運行。

2.4 完善主動容錯機制和互鎖功能

采用軟硬件結(jié)合的主動容錯機制，可確保在極端條件下泄洪閘門異地控制安全性。容錯包括硬件回路元器件故障或者損壞以及軟件回路信號反饋異常時，能根據(jù)雙回路硬件或者綜合反饋信號準(zhǔn)確判斷泄洪閘門實際運行狀態(tài)。泄洪閘門操作時，容錯機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)計硬接線的啟/閉互鎖功能，保證在反饋信號異?；蛘叱绦蛩罊C等異常情況下，閘門啟閉仍可正常運行。

3 現(xiàn)場試驗驗證

3.1 安全控制方案試驗相關(guān)數(shù)據(jù)

2019年5月安全策略開發(fā)及現(xiàn)場實施完成后，開展現(xiàn)場驗證試驗。按照分層分級設(shè)計思路，采用模擬、控制變量、單項及多項組合等試驗方法，對每一層級安全策略進行了嚴(yán)密測試，該試驗有效驗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，安全控制方案驗證試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表1所示。

表1 安全策略驗證試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Security policy validation test data statistics table

開展異地遠程集控全行程實際泄洪閘門遙調(diào)試驗，驗證泄洪閘門在實際運行過程中的安全性和可靠性，試驗結(jié)果表明，該方案滿足設(shè)計要求。遠程集控全行程實際泄洪閘門遙調(diào)測試表如表2所示。

表 2 遠程集控全行程實際泄洪閘門遙調(diào)測試表Table 2 Remote control test table of spillway gate with full travel

續(xù)表

3.2 運行情況分析

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

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

續(xù)表

4 結(jié)束語

本文提出一種大型水電站泄洪閘門異地安全控制方案，采用分層分級式安全控制方式，實現(xiàn)對大型流域電站泄洪閘門進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“時間”和“開度”雙變量，實現(xiàn)閘門開度智能判斷及控制，確保閘門運行的安全性，同時采用軟硬件結(jié)合的主動容錯關(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行安全性和可靠性，對大型流域梯級水電站泄洪閘門的異地遠程安全控制方案設(shè)計具有重要的借鑒意義。