羅新飛 朱悅林豐 健王 霄 沈利雄 薛 懋葉凌箭馬修水

（1.浙江靜遠電力實業(yè)有限公司；2.浙江大學寧波理工學院信息學院）

水力發(fā)電作為一種高效清潔的能源，在我國電力能源結構中占據很大比例。據統(tǒng)計，我國水能資源可開發(fā)裝機容量約6.6億千瓦，年發(fā)電量約3萬億千瓦時，按利用100年計算，相當于1千億噸標煤，在常規(guī)能源資源剩余可開采總量中僅次于煤炭［1］。經過多年的發(fā)展，我國水電裝機容量和年發(fā)電量已突破3億千瓦和1萬億千瓦時，分別占全國的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、過木（竹）及防洪等綜合功能。面對航運、過木（竹）等功能需求，為保證電站更安全地運行，提升電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，水庫壩前應設置外來船只禁入警戒線，對船只通行進行提示?，F階段存在的問題：一是水電站兼有航運、過木（竹）的功能，需對大壩上游水庫上游警戒區(qū)進行封閉，有船只通行時，要人工解除錨鏈連接，費時費力，需要專人看守負責，而且對操作人員來說水上作業(yè)也有一定的安全風險；二是由于電站工作生產用船、過壩工作用船的泊位在300m警戒區(qū)以內，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人負責看守警戒線的問題。

在水面放置浮標是一種警示方案，其中系留式浮標采用錨鏈固定在某一水區(qū)，適合放置于流動水面［2］。居青春介紹了青海湖水文氣象全自動觀測浮標系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套無人值守的系留式全自動觀測系統(tǒng)，浮標每分鐘自動測量、采集、存儲、運算，每隔30min自動將生成的報文經FY-3衛(wèi)星傳送到北京CDAS地面站［3］。李晴以我國近海3m海洋監(jiān)測浮標為基礎，對浮標體、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)和岸站接收系統(tǒng)三大模塊進行了設計和優(yōu)化，解決了海洋浮標易偷盜、易腐蝕、產品質量不高及需定期換電池等問題，從而構建了一套新型且功能完善的海洋浮標監(jiān)測系統(tǒng)［4］。

國內不少水電站在建成投產之后，未在上水庫壩前設置“外來船只禁入”的警戒線，對電站的安全穩(wěn)定運行有一定的影響。緊水灘水電站的外來船只禁入的安全漂浮警戒線的設置由浮標和錨鏈連接而成，兩端分別用混凝土錨樁固定后對大壩上游警戒區(qū)進行封閉。浮標水上部分設立“大壩禁區(qū)、嚴禁進入”等警示標語。

筆者采用的方法是在壩式水電站設置由系留浮標裝置組成的開放式安全漂浮警戒標識，提醒靠近警戒區(qū)的船只減速，“未經許可，不得進入”的安全漂浮警戒線。由于汛期或旱期，水庫水位變化可達幾十米甚至上百米，常規(guī)的系留浮標裝置在水面上漂移位置變化過大，警示區(qū)域不清晰，而且妨礙來往通行船只的安全，存在一定的安全風險。 市場上已公開的技術中［5～9］，難以全面解決這些問題。對此，設計自適應水位的系留式浮標裝置及其自控系統(tǒng)，以浮標在水中的沉浸深度為被控變量，設計基于擴展卡爾曼濾波的觀測器，實現浮標裝置的快速穩(wěn)定控制。

1 自適應水位系留浮標

如圖1所示，筆者設計的自適應水位系留浮標裝置由浮標主體、電源系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及附件等模塊組成。

圖1 自適應水位系留浮標結構與浮標原理

浮標主體為圓形結構，內部留有空腔，用于放置蓄電池、智能控制模塊、電機及絞盤等部件。

電源系統(tǒng)包括太陽能充電板和蓄電池。太陽能板沿頂部表面朝兩個方向鋪設并用螺栓固定，蓄電池放置于浮標底部一側空腔，另一側空腔放置重量相當的配重塊。電源系統(tǒng)和蓄電池通過線纜連接，固定于浮體內表面壁上。蓄電池給整個控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)提供能源，同時與配重塊一起作為負重部件對浮標起穩(wěn)定作用。

智能控制系統(tǒng)由浮球式液位傳感器、單片機控制板及其控制算法組成。浮球式液位傳感器安裝于浮標外側下部，測量水面超過傳感器底部的液位高度。為增加測量的可靠性，浮標兩側各安裝一個浮球式液位傳感器。單片機控制板由單片機芯片、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，用于測量浮標傾角、角速度等信息。通過測量浮標在水面上的沉浸高度，控制電機進行收放絞盤的動作，實現繩索長度的實時調節(jié)，其基本原理是：設定浮標裝置沉浸液位的上下限，如果液位小于下限，收繩索直至回復到設定范圍；反之則放繩索。控制的最終效果為浮標繩索處于略收緊的狀態(tài)，實現浮標體沉浸的自適應控制。

驅動系統(tǒng)為絞盤電機，電機接收控制系統(tǒng)發(fā)出的轉動信號，按照動作要求執(zhí)行正轉/反轉，實現收緊/釋放絞盤功能。

附件包括錨鏈、警示標識及警示燈等。錨鏈懸掛于絞盤上，穿過浮標底部空間，鏈長度大于使用水域的水位最大高度，警示標識和警示燈懸掛/安裝于浮標外部顯眼位置，使用防水膠、螺栓等固定。浮標裝置的實物與現場工作圖如圖2所示。

圖2 浮標實物與現場工作圖

2 智能控制系統(tǒng)

2.1 基于擴展卡爾曼濾波器的沉浸高度估算

筆者設計的浮標裝置側面各安裝一個浮球式液位傳感器，通過控制浮標在水中的沉浸高度實現自適應控制。由于測量點易受天氣、水面條件等擾動影響，測量值含大量噪聲，容易造成執(zhí)行機構的誤動作或頻繁動作。此外，在風力、水流等外力作用下，浮標主體可能傾斜。對此，在控制板上安裝陀螺儀，測量浮標傾角α和角速度ω（ω=α˙=dα/dt，α˙為α對時間的導數），則沉浸高度h的狀態(tài)方程可寫為：

式中hm——沉浸高度測量值；

u——過程噪聲；

v——測量噪聲。

在第k步，擴展卡爾曼濾波（EKF）包括預測與更新兩步［10］。預測算法如下：

更新算法如下：

通過以上兩步迭代預測與更新，得到沉浸高度的預測結果。圖3對比了濾波前后的沉浸高度，其中在100s時沉浸高度h（t）產生階躍漸變。可以看到采用EKF方案能明顯改善噪聲的影響，提高預測準確度。

圖3 沉浸高度濾波效果

2.2 自適應控制算法

筆者提出的浮標自動調節(jié)算法由繩索豎直角度控制算法（算法1）和浮標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）。設定角度的上限值為αmax，t時刻的執(zhí)行規(guī)則為：

a.當α（t）>αmax時，轉動電機，使之執(zhí)行收繩索動作；

b. 當0.5αmax≤α（t）≤αmax且當前電機執(zhí)行收繩索的動作時，繼續(xù)保持收繩索動作；

c.當α（t）＜αmax時，算法1不產生動作信號。

沉浸高度控制算法（算法2）。設浮標裝置自由漂浮時的目標液位高度為h0（即傳感器下沿距水面的距離），控制器的液位設定上、下限分別為h0+b、h0+a。其中，h0于投放時測定；a、b為閾值，由實驗確定其合理取值（b>a>0）。在t時刻，具體執(zhí)行規(guī)則為：

a.當h^（t）＜h0+a時，無論當前電機執(zhí)行何種動作，均轉動電機使之執(zhí)行收繩索的動作；

f.若發(fā)生不符合以上條件的情況，算法2不產生動作信號；

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

執(zhí)行算法1和算法2，呈現出的效果為浮標的繩索基本保持豎直方向（浮標位于錨的正上方），浮標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 異常狀況報警

若傳感器產生故障信號，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；在異常狀況下，如執(zhí)行機構卡死或蓄電池電量不足等，可能導致系統(tǒng)工作不正常。對此，若判定h^（t）連續(xù)10個采樣時間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；若連續(xù)10個采樣時間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。

3 結束語

筆者設計了一種自適應水位的浮標裝置及其控制系統(tǒng)，浮標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，該浮標裝置已投入實際應用3個月，工作運行穩(wěn)定、準確。以未投運前平均每天耗費人工3h計算，投運該裝置已節(jié)省人工270h以上，保證了通行船只的安全，具有一定的經濟效益和社會效益。