面向運行全過程的水電站技術供水系統優化模型分析

林 勝

(福建省水利建設中心，福建 福州 350001)

水電站供水系統是由多個設備構成，并涉及較多的控制步驟以及操作流程，一旦出現問題將會發生連鎖反應，因此，難以達成相關設備模型的構建。根據相關研究發現，在水電站供水系統中建立輔助設備模型及輔助設備系統的模型，能夠將設備模型產生的數據進行交換，但并未進行模擬設備的控制過程[1-2]。郭真景在研究中，將水電站供水系統中不同子系統進行模塊化處理，并按照相關規范對各個模塊進行調試[3]。黃雪梅對水電站供水系統的運作進行了仿真建模，并對輔助設備的狀態故障問題量與模擬狀態量進行分別建模，以此完成了輔助設備的故障仿真試驗[4]。在這些文獻資料中，所使用的輔助設備的建模中涵蓋設備的控制流程以及管線運行的動態過程[5]。本文將以水電站供水系統的設備建模為研究對象，通過建立完善的模型，對系統中的設備正常運行和故障問題進行綜合分析，以此探究系統的運行過程以及故障問題的連鎖反應，為今后的水電站供水系統提供一定的技術參考[6]。

1 控制實現

供水系統的主要功能可分為控制回路和監測裝置兩部分。控制回路包括設備電源、實施流程、操作邏輯等。監測裝置主要為操作設備和信號設備，其中操作設備通過將指令傳達至控制回路，完成控制系統中開關與保險的開啟或關閉，通過按鈕與把手的操作完成設備的控制邏輯或是監測的實現、通過自控裝置監測系統管網中的壓力與流量，實現介質的路徑、過濾裝置的清潔等。系統中的自動流程是由控制邏輯實現的。信號設備的顯示狀態是供水系統狀態的呈現。

1.1 監控設備抽象

通過對設備的變量組進行定義，即{δKn,δBn,δJn}，其中δKn表示電源回路中的開關、保險裝置等；δBn表示系統中自動控制邏輯的按鈕、把手裝置等；δJn表示自動流程中的監測把手、按鈕等。

當系統中出現操作指令后，上述變量將發生改變，信號設備的變量將被定義為{XZn,XMn,XJn},其中XZn,XJn分別表示監測設備的信號狀態和監測區域，其狀態值使用(0/1)進行表述；XMn表示監測中的信號設備，并直接給予其測量數值。

1.2 控制回路抽象

(1)系統中電源回路的開啟即閉合。所在回路中的電源節點Dn，其工作狀態(1/0)是由前一節點Dn-1以及當前回路保險裝置的工作狀態δKn作為執行依據。通常情況下控制系統中的故障主要為電源故障，在模型中進行電源故障模擬可直接將開關短路或將保險進行熔斷。

控制系統中電源回路的開啟閉合狀態如式(1)所示：

Dn=Dn-1·δKn

(1)

(2)自動流程抽象。主要包含過濾裝置、壓力水泵以及自控裝置，可定義為{ZDMn,ZDDn,ZZn}表示自動流程中的量值；ZOn表示自動流程的輸出量值。

(3)控制邏輯抽象。主要監測電源的狀態，當設備缺少電源時將停止運行，按照流程檢測輸出設備，當收到操作實施的回饋后便根據設備的狀態進行控制。需要注意的是，當缺少任意一個觸發條件時則操作將被驗證為失敗，只有在滿足所有條件的情況下才會給予控制方案。

2 設備模型的建立

根據前文可知，將系統中的控制流程以及管線運行的動態過程進行抽象與解耦后，系統中的設備可分為輔助設備、控制設備和管網流量計算。此外，由于目前研究模型只能變現出基本特性，因此需要對其增加故障屬性。

2.1 控制過程建模

通過外部模型的建立可實現系統數據的交換，在操作設備中增設故障變量，輔助設備主要使用自動操作全過程、控制邏輯以及狀態監測，而模型中的電源回路、控制邏輯以及自動操作全過程則是由內部信息進行計算。控制過程建模屬性如圖1所示。

圖1 設備控制過程屬性

根據控制系統的真實構成與原理建設電源回路、控制邏輯以及自動操作全過程的模型。當發生故障后可將故障信息發送至輔助模型。

2.2 動態過程建模

2.2.1 輔助設備圖形建模

輔助設備的圖形建模中具有泵、濾水器及閥門等主要的拓撲信息，輔助設備的典型故障如表1所示。

表1 輔助設備存在的典型故障

輔助設備中一些自動閥門是由水壓或是水流進行控制的，因此，在閥門相關信息中將涵蓋此類信息。輔助設備的屬性以及計算流程如表2所示。

表2 輔助設備的屬性

2.2.2 管網設備模型建立

將管網信息的拓撲進行簡化處理，并獲得管網中的壓力、流量[7]。通過信息的拓撲可對模型中的供水狀態進行演算。通常管網設備故障均是模擬量故障，一旦管網中的介質壓力或流量達到設定值將引發故障報警。管網設備的模型如圖2所示。

圖2 管網設備的模型構建

3 實例驗證

根據圖1技術供水系統運行結構建立模型，其模型需與實際系統結構相同。利用此模型可搭建(A、B、C)三個不同類型的仿真系統。

3.1 各系統組成

A系統：由于供水管網較為復雜，因此主水源可用壓力鋼管來達到減壓供水的效果，而備用水源可根據供水泵技術，對液體進行增壓，通過正反向供水，不僅節能，且維修較方便。通常使用較多的閥門有加壓閥、泵控閥、節流閥以及水動閥。自動化程度需要的工種主要包括：控制柜過濾器、供水泵、主給水調節閥、泵控閥控制柜、控制正反向供水閥、水路切換、正反向供水切換的監控信息等，無主控閥的現地控制系統。

B系統：管網較為簡單，并具有自動化功能，系統中使用技術供水泵，僅有過濾裝置以及回路控制柜(主要控制管路中主閥門)。

C系統：此系統與B系統相近，但除過濾裝置以及回路控制柜外還具有管路監測流程。

3.2 驗證結果

以上系統僅在實際中進行運行使用，在運行方式以及故障運行方面，其結果與建模實驗所呈現的結果一致，并在實際的作業中發揮了較大的作用。

4 結 語

通過對供水系統全過程模型的特性進行分析，對系統的控制過程、輔助設備和管網的建模進行優化，對系統中的設備正常運行以及故障問題進行綜合分析，以此探究系統的運行過程以及故障問題的連鎖反應，為今后的水電站供水系統優化提供一定的技術參考。