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有限公司阿海發電分公司，云南省麗江市 674100）
大型流域水電站基本實現遠程集控、無人值班少人值守的生產運行管理模式[1]，水電站泄洪閘門實現異地遠程控制，一直是水電生產運行急迫需要解決的難題，而且其實施過程極為謹慎。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。
當前國內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]、泄洪閘門與動態負荷及水位自動聯動[7]、梯級水電站緊急切機情況下閘門快速操作方法[8]、閘門遠程控制系統及其遠程控制方法[9]等方面的研究，尚未形成系統的安全控制策略。國內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用，研究應用多聚焦于閘門遠程控制實現、精度、水位變，目前尚未進行大型水電站系統的安全控制方案。
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合的主動容錯等關鍵安全技術，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安全穩定運行。
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，為日調節水庫。電站設有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為基礎的控制系統，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、現地自動控制方式、現地手動操作方式。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，分層體現在昆明集控層、阿海廠站層、阿海大壩層以及阿海現地層4個控制層次，對應金中集控中心監控系統、阿海電站監控系統上位機、阿海電站監控系統壩區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：阿海現地層＞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系，共同構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控制模型的泄洪閘門動態、高頻參數調整方式，根據水文象預測數據、實際來水情況、水輪機特性曲線模型數據等約束條件，分別提前5天、3天、2天預判洪水發生概率和強度，結合來水流量浮動參數調整庫水位，確保機組高水頭或高負荷運行，按照水量平衡原理，定時、自動依據庫水位浮動控制模型計算泄洪閘門開度，按預設開度觸發閘門調整調度模塊，激活大型流域梯級電站的泄洪閘門調度流程，實現動態、多批次遠程調節。
異地集控遠程操控過程中，計算機監控系統的遙調指令發送至阿海電站數據服務器，再發送至現地層PLC控制器，實現泄洪閘門開度的PI調節，集控至電站現地設備信號執行流程圖如圖1所示。出現異常時，計算機監控系統發出單點遙控指令，通過PLC控制器實現停止閘門。調節過程中，計算機監控系統自動觸發過程參數越限，出現液壓異常、接力器不同步等破壞性前兆時，自動觸發熔斷保護功能。調節完成后，計算機監控系統靜默執行自動退出流程、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計
判斷泄洪閘門當前狀態，如現地層PLC無故障、現場層大壩層控制柜各電源正常、閘門未在全開全關狀態等，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失去監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，當上位機設定的目標值增量超出調節范圍，或計算目標值超過閘門的最大、最小開度范圍內時均為無效設定值，系統拒絕執行命令，設定閘門開度上限20m，開度下限-0.01m，引入單步調節步長限制，單步調節限值的設定為5m。
當上位機與遠程閘門I/O端子箱通信中斷時，控制器判斷通信出現壞質量，并立即觸發“停止”命令，即停止閘門操作，保持當前開度。控制器之間通過引入心跳信號進行數據有效性的判定，心跳信號周期性生成，當無法偵測到主控制器的心跳信號變化，則認為控制器之間的通信中斷，則復歸主控制器的所有命令，由控制器進行相應閘門的停門操作。
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。
閘門系統具有比較完善的保護功能，當發生信號異常時，信號由現地PLC經現地I/O遠程端子控制箱傳輸到大壩層控制柜，系統判斷出信號異常，控制器開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當前開度。通常閘門系統的異常現象有溢洪道閘門行程超差、溢洪道閘門啟閉機系統壓力低、溢洪道啟閉機有桿腔軟管破裂、PLC故障，現地I/O遠程端子箱異常現象有控制器、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，保持當前開度，屬于閘門開度保護。
在閘門開度調解過程中，閘門開度值與設定目標值之間差值應逐漸減小，若二者相差越來越大則屬于調節反向。閘門開啟過程中，監控系統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，保持當前開度。閘門關閉過程中，監控系統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，保持當前開度。
當下發閘門開啟/關閉命令后，系統根據下發的目標值計算出達到目標值所需的時間，若開啟/關閉時間超過該時間，控制器則開出“停止”命令，停止閘門操作，保持當前開度，并向上位機報警，屬于閘門超時保護。
系統實時監測閘門實際開度單位時間內的變化率（即1s內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，以防采樣數據故障及跳變現象的發生。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
在原有泄洪閘門現地控制、大壩及廠房中控室可控的基礎上，利用電站現場連接至昆明集控中心的調度數據網專線網絡作為數據傳輸通道，通過創建程序功能塊、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，通過反復試驗，最終實現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：遙控命令和遙調命令，遙控命令有“開啟”“關閉”“停止”，遙調命令則根據設定值操作，可在閘門開度范圍內任意設置。集控需遠程精準控制溢流表孔泄洪閘門時，只需發出控制命令，程序根據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設限制，開始操作閘門并計時，判斷開度值誤差在調節死區0.1m內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，若出現系統異常報警，則發出停止操作閘門命令，遙調遙控控制過程示意圖如圖5所示。
圖5 遙調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”雙變量實現閘門精準控制，同時也保障了泄洪閘門運行的安全可靠性。利用遙調實時反饋的開度值作為閉環控制，依據閘門運行實時速度，精確調整閘門開度到預設開度值，準確計算出閘門運行時長，保證其在正常時間范圍內。
閘門開度調節時間計算公式如下：
式中：f(T)——監控系統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——閘門運行進入死區后到閘門開度設定時間。
2.2.1 設定調節死區
通過設定調節死區，對于目標值與開度值之差在進入死區后，即刻發出“停止”命令，死區設置為0.1m，兼顧了閘門的控制慣性與反饋的滯后性，經過測試，該死區下控制精度可以達到5cm。
2.2.2 微調節模塊的步進控制
在通過死區調節結束后，程序會在30s內進行設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，直到設定值與實際反饋開度值之差進入死區，設定單步控制次數為10次，若未調節至死區，發出報警和“停止”命令，閘門停止運行。
2.3 創建控制程序功能塊
在集控層、廠站層、大壩層及現地層創建控制程序功能塊，該功能塊梯形圖邏輯清晰，具有較好的直觀性與對應性，同時編寫程序代碼以實現較為復雜的安全控制邏輯，功能塊梯形圖與TS語言代碼相結合，實現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，能根據雙回路硬件或者綜合反饋信號準確判斷泄洪閘門實際運行狀態。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、穩定運行。
在監控系統中軟件內設置閘門啟/閉邏輯互鎖功能，并設計硬接線的啟/閉互鎖功能，保證在反饋信號異常或者程序死機等異常情況下，閘門啟閉仍可正常運行。
3.1 安全控制方案試驗相關數據
2019年5月安全策略開發及現場實施完成后，開展現場驗證試驗。按照分層分級設計思路，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據統計表如表1所示。
表1 安全策略驗證試驗數據統計表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，試驗結果表明，該方案滿足設計要求。遠程集控全行程實際泄洪閘門遙調測試表如表2所示。
表 2 遠程集控全行程實際泄洪閘門遙調測試表Table 2 Remote control test table of spillway gate with full travel
續表
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。根據試運行情況優化運行過程中閘門實際運行速率與時間變量不匹配，觸發安全策略調節超時保護功能等相關參數，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計表。
表3 2019～2021年泄洪閘門遠程集控操作統計表Table 3 Statistical table of remote centralized control operation of spillway gates from 2019 to 2021
續表
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控制。在閘門控制邏輯算法中引入“時間”和“開度”雙變量，實現閘門開度智能判斷及控制，確保閘門運行的安全性，同時采用軟硬件結合的主動容錯關鍵技術，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構合理、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計具有重要的借鑒意義。
猜你喜歡泄洪閘阿海安全控制建筑工程管理質量與安全控制探究房地產導刊(2022年5期)2022-06-01機械設計自動化設備安全控制研究江蘇安全生產(2022年4期)2022-05-23阿海的車技故事會(2022年6期)2022-03-15關于加工企業的食品安全控制行為分析商品與質量(2021年43期)2022-01-18建筑施工現場的安全控制建材發展導向(2021年7期)2021-07-16大渡河枕頭壩水電站泄洪閘門應急控制系統設計與應用水利水電快報(2021年4期)2021-05-10預應力閘墩有限元分析科技創新與應用(2020年27期)2020-12-24乞討伴侶故事會(2018年23期)2018-12-04鹿柴現代婦女(2016年11期)2017-10-17命中注定愛你(2017年13期)2017-06-10