羅新飛 朱悅林豐 健王 霄 沈利雄 薛 懋葉凌箭馬修水

（1.浙江靜遠(yuǎn)電力實(shí)業(yè)有限公司；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息學(xué)院）

水力發(fā)電作為一種高效清潔的能源，在我國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)很大比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水能資源可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量約6.6億千瓦，年發(fā)電量約3萬(wàn)億千瓦時(shí)，按利用100年計(jì)算，相當(dāng)于1千億噸標(biāo)煤，在常規(guī)能源資源剩余可開(kāi)采總量中僅次于煤炭［1］。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)水電裝機(jī)容量和年發(fā)電量已突破3億千瓦和1萬(wàn)億千瓦時(shí)，分別占全國(guó)的20.9%和19.4%，水電工程總量居世界前列。

壩式水電站以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、過(guò)木（竹）及防洪等綜合功能。面對(duì)航運(yùn)、過(guò)木（竹）等功能需求，為保證電站更安全地運(yùn)行，提升電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，水庫(kù)壩前應(yīng)設(shè)置外來(lái)船只禁入警戒線(xiàn)，對(duì)船只通行進(jìn)行提示。現(xiàn)階段存在的問(wèn)題：一是水電站兼有航運(yùn)、過(guò)木（竹）的功能，需對(duì)大壩上游水庫(kù)上游警戒區(qū)進(jìn)行封閉，有船只通行時(shí)，要人工解除錨鏈連接，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要專(zhuān)人看守負(fù)責(zé)，而且對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)水上作業(yè)也有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；二是由于電站工作生產(chǎn)用船、過(guò)壩工作用船的泊位在300m警戒區(qū)以?xún)?nèi)，影響日常工作用船的頻繁出入，也存在著要人工解除錨鏈連接和專(zhuān)人負(fù)責(zé)看守警戒線(xiàn)的問(wèn)題。

在水面放置浮標(biāo)是一種警示方案，其中系留式浮標(biāo)采用錨鏈固定在某一水區(qū)，適合放置于流動(dòng)水面［2］。居青春介紹了青海湖水文氣象全自動(dòng)觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套無(wú)人值守的系留式全自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，浮標(biāo)每分鐘自動(dòng)測(cè)量、采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算，每隔30min自動(dòng)將生成的報(bào)文經(jīng)FY-3衛(wèi)星傳送到北京CDAS地面站［3］。李晴以我國(guó)近海3m海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)為基礎(chǔ)，對(duì)浮標(biāo)體、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)和岸站接收系統(tǒng)三大模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決了海洋浮標(biāo)易偷盜、易腐蝕、產(chǎn)品質(zhì)量不高及需定期換電池等問(wèn)題，從而構(gòu)建了一套新型且功能完善的海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4］。

國(guó)內(nèi)不少水電站在建成投產(chǎn)之后，未在上水庫(kù)壩前設(shè)置“外來(lái)船只禁入”的警戒線(xiàn)，對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響。緊水灘水電站的外來(lái)船只禁入的安全漂浮警戒線(xiàn)的設(shè)置由浮標(biāo)和錨鏈連接而成，兩端分別用混凝土錨樁固定后對(duì)大壩上游警戒區(qū)進(jìn)行封閉。浮標(biāo)水上部分設(shè)立“大壩禁區(qū)、嚴(yán)禁進(jìn)入”等警示標(biāo)語(yǔ)。

筆者采用的方法是在壩式水電站設(shè)置由系留浮標(biāo)裝置組成的開(kāi)放式安全漂浮警戒標(biāo)識(shí)，提醒靠近警戒區(qū)的船只減速，“未經(jīng)許可，不得進(jìn)入”的安全漂浮警戒線(xiàn)。由于汛期或旱期，水庫(kù)水位變化可達(dá)幾十米甚至上百米，常規(guī)的系留浮標(biāo)裝置在水面上漂移位置變化過(guò)大，警示區(qū)域不清晰，而且妨礙來(lái)往通行船只的安全，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。 市場(chǎng)上已公開(kāi)的技術(shù)中［5～9］，難以全面解決這些問(wèn)題。對(duì)此，設(shè)計(jì)自適應(yīng)水位的系留式浮標(biāo)裝置及其自控系統(tǒng)，以浮標(biāo)在水中的沉浸深度為被控變量，設(shè)計(jì)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)裝置的快速穩(wěn)定控制。

1 自適應(yīng)水位系留浮標(biāo)

如圖1所示，筆者設(shè)計(jì)的自適應(yīng)水位系留浮標(biāo)裝置由浮標(biāo)主體、電源系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及附件等模塊組成。

圖1 自適應(yīng)水位系留浮標(biāo)結(jié)構(gòu)與浮標(biāo)原理

浮標(biāo)主體為圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部留有空腔，用于放置蓄電池、智能控制模塊、電機(jī)及絞盤(pán)等部件。

電源系統(tǒng)包括太陽(yáng)能充電板和蓄電池。太陽(yáng)能板沿頂部表面朝兩個(gè)方向鋪設(shè)并用螺栓固定，蓄電池放置于浮標(biāo)底部一側(cè)空腔，另一側(cè)空腔放置重量相當(dāng)?shù)呐渲貕K。電源系統(tǒng)和蓄電池通過(guò)線(xiàn)纜連接，固定于浮體內(nèi)表面壁上。蓄電池給整個(gè)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能源，同時(shí)與配重塊一起作為負(fù)重部件對(duì)浮標(biāo)起穩(wěn)定作用。

智能控制系統(tǒng)由浮球式液位傳感器、單片機(jī)控制板及其控制算法組成。浮球式液位傳感器安裝于浮標(biāo)外側(cè)下部，測(cè)量水面超過(guò)傳感器底部的液位高度。為增加測(cè)量的可靠性，浮標(biāo)兩側(cè)各安裝一個(gè)浮球式液位傳感器。單片機(jī)控制板由單片機(jī)芯片、采樣輸入輸出電路（A/D、D/A）等模塊組成。此外，控制板上還裝有陀螺儀，用于測(cè)量浮標(biāo)傾角、角速度等信息。通過(guò)測(cè)量浮標(biāo)在水面上的沉浸高度，控制電機(jī)進(jìn)行收放絞盤(pán)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)繩索長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其基本原理是：設(shè)定浮標(biāo)裝置沉浸液位的上下限，如果液位小于下限，收繩索直至回復(fù)到設(shè)定范圍；反之則放繩索?？刂频淖罱K效果為浮標(biāo)繩索處于略收緊的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)體沉浸的自適應(yīng)控制。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為絞盤(pán)電機(jī)，電機(jī)接收控制系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，按照動(dòng)作要求執(zhí)行正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)收緊/釋放絞盤(pán)功能。

附件包括錨鏈、警示標(biāo)識(shí)及警示燈等。錨鏈懸掛于絞盤(pán)上，穿過(guò)浮標(biāo)底部空間，鏈長(zhǎng)度大于使用水域的水位最大高度，警示標(biāo)識(shí)和警示燈懸掛/安裝于浮標(biāo)外部顯眼位置，使用防水膠、螺栓等固定。浮標(biāo)裝置的實(shí)物與現(xiàn)場(chǎng)工作圖如圖2所示。

圖2 浮標(biāo)實(shí)物與現(xiàn)場(chǎng)工作圖

2 智能控制系統(tǒng)

2.1 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的沉浸高度估算

筆者設(shè)計(jì)的浮標(biāo)裝置側(cè)面各安裝一個(gè)浮球式液位傳感器，通過(guò)控制浮標(biāo)在水中的沉浸高度實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。由于測(cè)量點(diǎn)易受天氣、水面條件等擾動(dòng)影響，測(cè)量值含大量噪聲，容易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作或頻繁動(dòng)作。此外，在風(fēng)力、水流等外力作用下，浮標(biāo)主體可能傾斜。對(duì)此，在控制板上安裝陀螺儀，測(cè)量浮標(biāo)傾角α和角速度ω（ω=α˙=dα/dt，α˙為α對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)），則沉浸高度h的狀態(tài)方程可寫(xiě)為：

式中hm——沉浸高度測(cè)量值；

u——過(guò)程噪聲；

v——測(cè)量噪聲。

在第k步，擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）包括預(yù)測(cè)與更新兩步［10］。預(yù)測(cè)算法如下：

更新算法如下：

通過(guò)以上兩步迭代預(yù)測(cè)與更新，得到沉浸高度的預(yù)測(cè)結(jié)果。圖3對(duì)比了濾波前后的沉浸高度，其中在100s時(shí)沉浸高度h（t）產(chǎn)生階躍漸變?？梢钥吹讲捎肊KF方案能明顯改善噪聲的影響，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

圖3 沉浸高度濾波效果

2.2 自適應(yīng)控制算法

筆者提出的浮標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)算法由繩索豎直角度控制算法（算法1）和浮標(biāo)在水面上的沉浸高度控制算法（算法2）組成。

豎直角度控制算法（算法1）。設(shè)定角度的上限值為αmax，t時(shí)刻的執(zhí)行規(guī)則為：

a.當(dāng)α（t）>αmax時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使之執(zhí)行收繩索動(dòng)作；

b. 當(dāng)0.5αmax≤α（t）≤αmax且當(dāng)前電機(jī)執(zhí)行收繩索的動(dòng)作時(shí)，繼續(xù)保持收繩索動(dòng)作；

c.當(dāng)α（t）＜αmax時(shí)，算法1不產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)。

沉浸高度控制算法（算法2）。設(shè)浮標(biāo)裝置自由漂浮時(shí)的目標(biāo)液位高度為h0（即傳感器下沿距水面的距離），控制器的液位設(shè)定上、下限分別為h0+b、h0+a。其中，h0于投放時(shí)測(cè)定；a、b為閾值，由實(shí)驗(yàn)確定其合理取值（b>a>0）。在t時(shí)刻，具體執(zhí)行規(guī)則為：

a.當(dāng)h^（t）＜h0+a時(shí)，無(wú)論當(dāng)前電機(jī)執(zhí)行何種動(dòng)作，均轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)使之執(zhí)行收繩索的動(dòng)作；

f.若發(fā)生不符合以上條件的情況，算法2不產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)；

g.若算法1和算法2的結(jié)果相互沖突，優(yōu)先執(zhí)行算法1的結(jié)果。

執(zhí)行算法1和算法2，呈現(xiàn)出的效果為浮標(biāo)的繩索基本保持豎直方向（浮標(biāo)位于錨的正上方），浮標(biāo)裝置的傳感器下端離水面的液位高度控制在［h0+a，h0+b］，使繩索始終處于略收緊的狀態(tài)。

2.3 異常狀況報(bào)警

若傳感器產(chǎn)生故障信號(hào)，控制板控制外部輸出電路，使警示燈發(fā)出每5s閃爍一次的故障信號(hào)；在異常狀況下，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死或蓄電池電量不足等，可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。對(duì)此，若判定h^（t）連續(xù)10個(gè)采樣時(shí)間h^（t）>h0+b或h^（t）＜h0+a成立，則控制板控制外部輸出電路使警示燈發(fā)出每1s閃爍一次的故障信號(hào)；若連續(xù)10個(gè)采樣時(shí)間α^（t）>1.2αmax，則控制板控制外部輸出電路，使警示燈發(fā)出每3s閃爍一次的故障信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)水位的浮標(biāo)裝置及其控制系統(tǒng)，浮標(biāo)裝置被用于水位大落差的壩式水電站，給通行船只提供警示功能。目前，該浮標(biāo)裝置已投入實(shí)際應(yīng)用3個(gè)月，工作運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確。以未投運(yùn)前平均每天耗費(fèi)人工3h計(jì)算，投運(yùn)該裝置已節(jié)省人工270h以上，保證了通行船只的安全，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。