【EDF開源CAE】基于TELEMAC-MASCARET對航道下游PLC系統故障導致閘門開關失常的影響研究

2021年5月18日 16:16
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【EDF開源CAE】基于TELEMAC-MASCARET對航道下游PLC系統故障導致閘門開關失常的影響研究的圖1

TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。

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研究背景

根據2011年第一次全國水利普查公報內容得知，我國共有流域面積50平方公里及以上河流45203條，總長度為150.85萬公里；水利工程設施如水電廠、水閘、橡膠壩、堤防等等數量也十分可觀。
隨著科技的發展，“遠程集控、無人值守”在水電站廣泛應用，研究閘門是否能開放自如、安全運行十分關鍵。目前關于閘門開啟的安全性和可靠性研究主要為PLC系統 （programmable logic controller）邏輯控制、遙感數據處理及抗干擾等方面。
今天將由此話題切入，講解使用環境仿真軟件推演PLC系統故障所致風險的案例。

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軟件介紹

TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。

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案例展示

從空間尺度上來說，河流的總長度一般遠大于河流的寬度。對于這樣的河流，法國電力集團（EDF）的水利工程中心常用一維水動力學模塊Mascaret來進行建模和研究。

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使用Mascaret模擬下游大壩的PLC系統故障時，一共模擬了五種故障的情景：

  • 情景一：河流上游大壩的洪水梯度（flood gradient）恒定不變，下游大壩的PLC系統故障導致其所有閘門關閉；

  • 情景二：下游水電站的發電渦輪機啟動但渦輪機旁路（bypass）故障使得其流量從1680 m3/s變為0，下游大壩的PLC系統故障導致其所有閘門關閉；

  • 情景三：下游水電站渦輪機啟動，渦輪機旁路部分工作，流量由1280 m3/s降低到960 m3/s，下游大壩的PLC系統故障導致其所有閘門關閉；

  • 情景四：下游水電站渦輪機啟動，渦輪機旁路部分工作，流量由1680 m3/s降低到960 m3/s，下游大壩的PLC系統故障導致其所有閘門打開外泄流量達2640 m3/s；

  • 情景五：上游大壩意外打開，下游大壩PLC系統故障導致其所有閘門關閉。


小結

本案例主要講述了使用Fudaa-Mascaret建立模型模擬航道下游控制閘門開閉的PLC系統故障對水位變化的影響。通過此案例表明Fudaa-Mascaret可以用于模擬江河等簡單的一維水動力場景，并且可以考慮到江河中水利工程設施的影響，可用于評估泄洪閘門遠程控制開啟的安全性。此外，使用Fudaa-Mascaret還可以完成一維水動力和泥沙輸運或水質模塊耦合的仿真。
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