面向运行全过程的水电站技术供水系统优化模型分析

林 胜

(福建省水利建设中心，福建 福州 350001)

水电站供水系统是由多个设备构成，并涉及较多的控制步骤以及操作流程，一旦出现问题将会发生连锁反应，因此，难以达成相关设备模型的构建。根据相关研究发现，在水电站供水系统中建立辅助设备模型及辅助设备系统的模型，能够将设备模型产生的数据进行交换，但并未进行模拟设备的控制过程[1-2]。郭真景在研究中，将水电站供水系统中不同子系统进行模块化处理，并按照相关规范对各个模块进行调试[3]。黄雪梅对水电站供水系统的运作进行了仿真建模，并对辅助设备的状态故障问题量与模拟状态量进行分别建模，以此完成了辅助设备的故障仿真试验[4]。在这些文献资料中，所使用的辅助设备的建模中涵盖设备的控制流程以及管线运行的动态过程[5]。本文将以水电站供水系统的设备建模为研究对象，通过建立完善的模型，对系统中的设备正常运行和故障问题进行综合分析，以此探究系统的运行过程以及故障问题的连锁反应，为今后的水电站供水系统提供一定的技术参考[6]。

1 控制实现

供水系统的主要功能可分为控制回路和监测装置两部分。控制回路包括设备电源、实施流程、操作逻辑等。监测装置主要为操作设备和信号设备，其中操作设备通过将指令传达至控制回路，完成控制系统中开关与保险的开启或关闭，通过按钮与把手的操作完成设备的控制逻辑或是监测的实现、通过自控装置监测系统管网中的压力与流量，实现介质的路径、过滤装置的清洁等。系统中的自动流程是由控制逻辑实现的。信号设备的显示状态是供水系统状态的呈现。

1.1 监控设备抽象

通过对设备的变量组进行定义，即{δKn,δBn,δJn}，其中δKn表示电源回路中的开关、保险装置等；δBn表示系统中自动控制逻辑的按钮、把手装置等；δJn表示自动流程中的监测把手、按钮等。

当系统中出现操作指令后，上述变量将发生改变，信号设备的变量将被定义为{XZn,XMn,XJn},其中XZn,XJn分别表示监测设备的信号状态和监测区域，其状态值使用(0/1)进行表述；XMn表示监测中的信号设备，并直接给予其测量数值。

1.2 控制回路抽象

(1)系统中电源回路的开启即闭合。所在回路中的电源节点Dn，其工作状态(1/0)是由前一节点Dn-1以及当前回路保险装置的工作状态δKn作为执行依据。通常情况下控制系统中的故障主要为电源故障，在模型中进行电源故障模拟可直接将开关短路或将保险进行熔断。

控制系统中电源回路的开启闭合状态如式(1)所示：

Dn=Dn-1·δKn

(1)

(2)自动流程抽象。主要包含过滤装置、压力水泵以及自控装置，可定义为{ZDMn,ZDDn,ZZn}表示自动流程中的量值；ZOn表示自动流程的输出量值。

(3)控制逻辑抽象。主要监测电源的状态，当设备缺少电源时将停止运行，按照流程检测输出设备，当收到操作实施的回馈后便根据设备的状态进行控制。需要注意的是，当缺少任意一个触发条件时则操作将被验证为失败，只有在满足所有条件的情况下才会给予控制方案。

2 设备模型的建立

根据前文可知，将系统中的控制流程以及管线运行的动态过程进行抽象与解耦后，系统中的设备可分为辅助设备、控制设备和管网流量计算。此外，由于目前研究模型只能变现出基本特性，因此需要对其增加故障属性。

2.1 控制过程建模

通过外部模型的建立可实现系统数据的交换，在操作设备中增设故障变量，辅助设备主要使用自动操作全过程、控制逻辑以及状态监测，而模型中的电源回路、控制逻辑以及自动操作全过程则是由内部信息进行计算。控制过程建模属性如图1所示。

图1 设备控制过程属性

根据控制系统的真实构成与原理建设电源回路、控制逻辑以及自动操作全过程的模型。当发生故障后可将故障信息发送至辅助模型。

2.2 动态过程建模

2.2.1 辅助设备图形建模

辅助设备的图形建模中具有泵、滤水器及阀门等主要的拓扑信息，辅助设备的典型故障如表1所示。

表1 辅助设备存在的典型故障

辅助设备中一些自动阀门是由水压或是水流进行控制的，因此，在阀门相关信息中将涵盖此类信息。辅助设备的属性以及计算流程如表2所示。

表2 辅助设备的属性

2.2.2 管网设备模型建立

将管网信息的拓扑进行简化处理，并获得管网中的压力、流量[7]。通过信息的拓扑可对模型中的供水状态进行演算。通常管网设备故障均是模拟量故障，一旦管网中的介质压力或流量达到设定值将引发故障报警。管网设备的模型如图2所示。

图2 管网设备的模型构建

3 实例验证

根据图1技术供水系统运行结构建立模型，其模型需与实际系统结构相同。利用此模型可搭建(A、B、C)三个不同类型的仿真系统。

3.1 各系统组成

A系统：由于供水管网较为复杂，因此主水源可用压力钢管来达到减压供水的效果，而备用水源可根据供水泵技术，对液体进行增压，通过正反向供水，不仅节能，且维修较方便。通常使用较多的阀门有加压阀、泵控阀、节流阀以及水动阀。自动化程度需要的工种主要包括：控制柜过滤器、供水泵、主给水调节阀、泵控阀控制柜、控制正反向供水阀、水路切换、正反向供水切换的监控信息等，无主控阀的现地控制系统。

B系统：管网较为简单，并具有自动化功能，系统中使用技术供水泵，仅有过滤装置以及回路控制柜(主要控制管路中主阀门)。

C系统：此系统与B系统相近，但除过滤装置以及回路控制柜外还具有管路监测流程。

3.2 验证结果

以上系统仅在实际中进行运行使用，在运行方式以及故障运行方面，其结果与建模实验所呈现的结果一致，并在实际的作业中发挥了较大的作用。

4 结 语

通过对供水系统全过程模型的特性进行分析，对系统的控制过程、辅助设备和管网的建模进行优化，对系统中的设备正常运行以及故障问题进行综合分析，以此探究系统的运行过程以及故障问题的连锁反应，为今后的水电站供水系统优化提供一定的技术参考。