黄新祥，尹志超，周玉安，赵雨梦
（云南华电金沙江中游水电开发有限公司阿海发电分公司，云南省丽江市 674100）
大型流域水电站基本实现远程集控、无人值班少人值守的生产运行管理模式[1]，水电站泄洪闸门实现异地远程控制，一直是水电生产运行急迫需要解决的难题，而且其实施过程极为谨慎。大型水电站泄洪闸门一般为巨型弧形钢闸门，体型大、吨位重、动作频繁，远程控制异常将造成难以估量损失。因此，保障泄洪闸门异地控制下安全可靠运行的问题亟待解决。
当前国内外大型流域水电站对泄洪闸门控制的研究，基于远程控制[2]、闸门开度与水位变化[3]、自动控制算法[4]、控制精度[5]等，对梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法[6]、泄洪闸门与动态负荷及水位自动联动[7]、梯级水电站紧急切机情况下闸门快速操作方法[8]、闸门远程控制系统及其远程控制方法[9]等方面的研究，尚未形成系统的安全控制策略。国内外大型流域水电站泄洪闸门远程异地控制方案逐步推广应用，研究应用多聚焦于闸门远程控制实现、精度、水位变，目前尚未进行大型水电站系统的安全控制方案。
基于以上分析，本文提出一种较为完整可靠的泄洪闸门异地控制的安全控制方案。该方案采用分层分级式控制方式，利用“时间”和“开度”双变量逻辑算法以及软硬件结合的主动容错等关键安全技术，提高了泄洪闸门远程异地控制的安全可靠性，能够保障大型流域水电站泄洪闸门泄洪安全。试验证明，该方案可有效确保大型闸门即使在极端异常情况也可实现安全稳定运行。
阿海水电站位于云南省丽江市玉龙县、宁蒗县交界的金沙江中游河段，总装机容量200万kW，属一等大（1）型水利水电枢纽工程，坝址距离云南昆明650km。电站总库容8.06×108m3，为日调节水库。电站设有5个泄洪表孔，每孔安装有13.0m×20.0m（宽×高）弧形钢闸门作为工作闸门。泄洪的溢流表孔工作闸门启闭采用以PLC为基础的控制系统，控制共有4种方式，分别为：金中集控异地远方控制方式、电站中控室远程控制方式、现地自动控制方式、现地手动操作方式。4种工作方式之间相互闭锁，可通过选择按钮实现工作方式切换，为保证任何一种控制方式的独立性、安全性及可靠性，每一种控制方式均设有安全控制方案，共同保障泄洪闸门安全运行。
本文针对阿海水电站的实际情况，采用分层分级式控制方式，分层体现在昆明集控层、阿海厂站层、阿海大坝层以及阿海现地层4个控制层次，对应金中集控中心监控系统、阿海电站监控系统上位机、阿海电站监控系统坝区LCU、阿海电站溢流表孔控制柜4个分级，4个层级的安全级别从高到低为：阿海现地层＞大坝层＞厂站层＞昆明集控层。层与级之间既相互独立又相互联系，共同构成一套较为完整的泄洪闸门异地控制安全控制方案，确保泄洪闸门在任何运行方式、极端条件下远程控制的安全性和可靠性。
1.1 集控层安全策略
金中集控中心采用基于库水位动态控制模型的泄洪闸门动态、高频参数调整方式，根据水文象预测数据、实际来水情况、水轮机特性曲线模型数据等约束条件，分别提前5天、3天、2天预判洪水发生概率和强度，结合来水流量浮动参数调整库水位，确保机组高水头或高负荷运行，按照水量平衡原理，定时、自动依据库水位浮动控制模型计算泄洪闸门开度，按预设开度触发闸门调整调度模块，激活大型流域梯级电站的泄洪闸门调度流程，实现动态、多批次远程调节。
异地集控远程操控过程中，计算机监控系统的遥调指令发送至阿海电站数据服务器，再发送至现地层PLC控制器，实现泄洪闸门开度的PI调节，集控至电站现地设备信号执行流程图如图1所示。出现异常时，计算机监控系统发出单点遥控指令，通过PLC控制器实现停止闸门。调节过程中，计算机监控系统自动触发过程参数越限，出现液压异常、接力器不同步等破坏性前兆时，自动触发熔断保护功能。调节完成后，计算机监控系统静默执行自动退出流程、自动提示报警、自动激活防溜控制流程等程序功能[10]。
图1 集控层安全策略信号执行流程图Figure 1 Flow chart of executing security policy signals at the centralized control layer
1.2 厂站层安全控制方案设计
判断泄洪闸门当前状态，如现地层PLC无故障、现场层大坝层控制柜各电源正常、闸门未在全开全关状态等，无异常情况时，满足控制操作条件，此时允许异地集控层操作闸门，若有异常立即报警，厂站层与集控层均不可控制闸门。另外，电站还采用了开度限制以及通信系统失去监视时的自动控制策略，提高了该方案的可靠性与安全性。厂站层安全控制方案图如图2所示。
图2 厂站层控制条件安全控制方案图Figure 2 Safety control scheme diagram of plant station floor control conditions
电站中控室或集控中心在上位机控制闸门开度时，当上位机设定的目标值增量超出调节范围，或计算目标值超过闸门的最大、最小开度范围内时均为无效设定值，系统拒绝执行命令，设定闸门开度上限20m，开度下限-0.01m，引入单步调节步长限制，单步调节限值的设定为5m。
当上位机与远程闸门I/O端子箱通信中断时，控制器判断通信出现坏质量，并立即触发“停止”命令，即停止闸门操作，保持当前开度。控制器之间通过引入心跳信号进行数据有效性的判定，心跳信号周期性生成，当无法侦测到主控制器的心跳信号变化，则认为控制器之间的通信中断，则复归主控制器的所有命令，由控制器进行相应闸门的停门操作。
1.3 大坝层安全控制方案
泄洪闸门异地控制安全控制方案重点为大坝层安全控制，原因有以下两点：一是大坝层控制柜位于坝上，距离现地泄洪闸门较近，其安全性直接影响闸门操作可靠性；
二是金中集控、厂站中控室距离大坝较远，对闸门的控制也受到影响。作为泄洪闸门控制的枢纽，大坝层LCU除具有接收来自厂站中控层、集控层指令功能外，自身控制模块也集成了比较完善的安全控制逻辑算法，可有效保证闸门操作的安全性和可靠性。
闸门系统具有比较完善的保护功能，当发生信号异常时，信号由现地PLC经现地I/O远程端子控制箱传输到大坝层控制柜，系统判断出信号异常，控制器开出“停止”命令，停止闸门操作，保持当前开度。通常闸门系统的异常现象有溢洪道闸门行程超差、溢洪道闸门启闭机系统压力低、溢洪道启闭机有杆腔软管破裂、PLC故障，现地I/O远程端子箱异常现象有控制器、电源消失、通信中断等。
在闸门运行过程中，相邻两周期内闸门的行程相差过大，或者反馈信号超范围，则判断为闸门开度反馈信号异常，控制器开出“停止”命令，停止闸门操作，保持当前开度，属于闸门开度保护。
在闸门开度调解过程中，闸门开度值与设定目标值之间差值应逐渐减小，若二者相差越来越大则属于调节反向。闸门开启过程中，监控系统周期性检测闸门开度，如果检测到的开度小于上一周期的开度，控制器开出“停止”命令，停止闸门操作，保持当前开度。闸门关闭过程中，监控系统同样周期性检测闸门开度，如检测到开度大于上一周期的开度，控制器开出“停止”命令，停止闸门操作，保持当前开度。
当下发闸门开启/关闭命令后，系统根据下发的目标值计算出达到目标值所需的时间，若开启/关闭时间超过该时间，控制器则开出“停止”命令，停止闸门操作，保持当前开度，并向上位机报警，属于闸门超时保护。
系统实时监测闸门实际开度单位时间内的变化率（即1s内闸门开度最大值与最小值差值），开度变化率超出定值时，则判断为闸门开度波动，控制器开出“停止”命令，停止闸门操作，保持当前开度，此种保护措施属于开度波动保护，需增加开度值反馈功能，对实时反馈的开度值进行上下限的判定、采样品质的判定和采样相邻变化梯度的判定，同时通过采用多次累加平均计算的方式，实际参与控制的开度值取最近20次的平均值，以防采样数据故障及跳变现象的发生。泄洪闸门大坝层安全方案控制逻辑图如图3所示。
图3 泄洪闸门大坝层安全方案控制逻辑图Figure 3 Spillway gate dam layer safety scheme control logic diagram
1.4 泄洪闸门现地层安全控制方案
为保证在异常情况或极端条件下大型闸门安全运行以及泄洪安全，泄洪闸门现地层安全控制方案控制逻辑图如图4所示。
图4 泄洪闸门现地层安全控制方案控制逻辑图Figure 4 Control logic diagram of safety control scheme of spillway gate
在原有泄洪闸门现地控制、大坝及厂房中控室可控的基础上，利用电站现场连接至昆明集控中心的调度数据网专线网络作为数据传输通道，通过创建程序功能块、编写控制程序、修改硬件回路等措施完成了项目的主体实施，通过反复试验，最终实现金中集控对阿海电站泄洪闸门的远程安全可靠控制。
2.1 遥调安全控制方案实施
金中集控中心远程控制闸门命令有两种：遥控命令和遥调命令，遥控命令有“开启”“关闭”“停止”，遥调命令则根据设定值操作，可在闸门开度范围内任意设置。集控需远程精准控制溢流表孔泄洪闸门时，只需发出控制命令，程序根据接收到的命令计算正常操作闸门所需时间并判断未达到预设限制，开始操作闸门并计时，判断开度值误差在调节死区0.1m内时即完成了一次闸门操作。操作期间如果闸门实际操作时间超过正常操作时间，则判断未“操作超时”，在闸门启闭过程中，若出现系统异常报警，则发出停止操作闸门命令，遥调遥控控制过程示意图如图5所示。
图5 遥调遥控控制过程示意图Figure 5 Remote control process diagram
2.2 精度控制方案实施
引入“时间”和“开度”双变量实现闸门精准控制，同时也保障了泄洪闸门运行的安全可靠性。利用遥调实时反馈的开度值作为闭环控制，依据闸门运行实时速度，精确调整闸门开度到预设开度值，准确计算出闸门运行时长，保证其在正常时间范围内。
闸门开度调节时间计算公式如下：
式中：f(T)——监控系统PLC开出闸门启/闭指令到开出停止指令总时间；
Pset——远方（中控室/集控中心）闸门开度设定；
Pact——闸门开度实际值；
Ratio——闸门启闭机运行速度变化率 ；
Tpump——闸门启闭机从起泵到闸门实际启/闭运行的等待时间；
Tdeadband——闸门运行进入死区后到闸门开度设定时间。
2.2.1 设定调节死区
通过设定调节死区，对于目标值与开度值之差在进入死区后，即刻发出“停止”命令，死区设置为0.1m，兼顾了闸门的控制惯性与反馈的滞后性，经过测试，该死区下控制精度可以达到5cm。
2.2.2 微调节模块的步进控制
在通过死区调节结束后，程序会在30s内进行设定值与实际反馈开度值之间的差值判定，如果差值大于0.1m，则程序会启动步进控制模块进行步进控制，直到设定值与实际反馈开度值之差进入死区，设定单步控制次数为10次，若未调节至死区，发出报警和“停止”命令，闸门停止运行。
2.3 创建控制程序功能块
在集控层、厂站层、大坝层及现地层创建控制程序功能块，该功能块梯形图逻辑清晰，具有较好的直观性与对应性，同时编写程序代码以实现较为复杂的安全控制逻辑，功能块梯形图与TS语言代码相结合，实现了较为完整的分层分级式安全控制策略，保证了泄洪闸门在异地控制下的快速、安全、可靠运行。
2.4 完善主动容错机制和互锁功能
采用软硬件结合的主动容错机制，可确保在极端条件下泄洪闸门异地控制安全性。容错包括硬件回路元器件故障或者损坏以及软件回路信号反馈异常时，能根据双回路硬件或者综合反馈信号准确判断泄洪闸门实际运行状态。泄洪闸门操作时，容错机制可有效保障在单一元器件故障或者单一软件逻辑误判及漏判情况下，泄洪闸门仍可安全、稳定运行。
在监控系统中软件内设置闸门启/闭逻辑互锁功能，并设计硬接线的启/闭互锁功能，保证在反馈信号异常或者程序死机等异常情况下，闸门启闭仍可正常运行。
3.1 安全控制方案试验相关数据
2019年5月安全策略开发及现场实施完成后，开展现场验证试验。按照分层分级设计思路，采用模拟、控制变量、单项及多项组合等试验方法，对每一层级安全策略进行了严密测试，该试验有效验证了本文提出的安全控制方案功能正常，在各类异常情况下可有效保障闸门的安全，安全控制方案验证试验数据统计表如表1所示。
表1 安全策略验证试验数据统计表Table 1 Security policy validation test data statistics table
开展异地远程集控全行程实际泄洪闸门遥调试验，验证泄洪闸门在实际运行过程中的安全性和可靠性，试验结果表明，该方案满足设计要求。远程集控全行程实际泄洪闸门遥调测试表如表2所示。
表 2 远程集控全行程实际泄洪闸门遥调测试表Table 2 Remote control test table of spillway gate with full travel
续表
3.2 运行情况分析
2019年5月完成安全策略功能测试及现场运行试验后，2019年7月1日正式投入试运行，试运行期1年，2020年7月1日，正式投入运行。根据试运行情况优化运行过程中闸门实际运行速率与时间变量不匹配，触发安全策略调节超时保护功能等相关参数，不断完善安全控制方案，保障闸门的安全可靠运行。表3为2019～2021年泄洪闸门远程集控操作统计表。
表3 2019～2021年泄洪闸门远程集控操作统计表Table 3 Statistical table of remote centralized control operation of spillway gates from 2019 to 2021
续表
本文提出一种大型水电站泄洪闸门异地安全控制方案，采用分层分级式安全控制方式，实现对大型流域电站泄洪闸门进行异地控制和泄洪闸门智能化故障判断与开度精准控制。在闸门控制逻辑算法中引入“时间”和“开度”双变量，实现闸门开度智能判断及控制，确保闸门运行的安全性，同时采用软硬件结合的主动容错关键技术，确保极端情况下闸门的启闭安全。泄洪闸门异地控制的安全控制方案结构合理、安全可靠，能最大限度地保障泄洪闸门运行安全性和可靠性，对大型流域梯级水电站泄洪闸门的异地远程安全控制方案设计具有重要的借鉴意义。
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