景洪電廠事故應急補水在監控系統中的自動化研究及應用

胡 林，鐘曉曦，王海達，李小治，鮑艷香

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214；2.國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇省南京市 210098；3.南京水利水文自動化研究所，江蘇省南京市 210098）

景洪電廠事故應急補水在監控系統中的自動化研究及應用

胡 林1，鐘曉曦1，王海達1，李小治2，鮑艷香3

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214；2.國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇省南京市 210098；3.南京水利水文自動化研究所，江蘇省南京市 210098）

由于特殊的地理位置，為維持下游流量平衡，景洪電廠在機組事故跳閘后，需要開啟泄洪閘門進行應急補水。為了得出各泄洪閘門的補水目標開度，運行人員需要根據監控系統和水情系統的各項參數進行大量手動計算。考慮到計算工作給運行人員帶來的負擔，本文對補水計算的自動化應用進行了研究，在分析運行人員的手動計算步驟和計算參數后，發現可以在監控系統中實現應急補水計算參數的整合和計算過程的復現，通過對各泄洪閘門的流量開度對應關系進行建模，并對事故前后電廠機組、閘門的各項參數以及流量開度對應關系模型的綜合運算，在系統自動或運行人員手動對補水流量進行分配后，監控系統可以自動計算出各泄洪閘門的補水目標開度。自動補水功能實現了監控系統和水情系統的數據整合應用，完全取代了運行人員的手動補水計算，并直接提高了補水精度和事故響應速度。

監控系統；景洪電廠；補水

0 引言

華能瀾滄江水電股份有限公司景洪水電廠（以下簡稱景洪電廠）位于云南省瀾滄江下游河段、西雙版納傣族自治州境內，距下游景洪市5公里，地理位置特殊，為防止電廠負荷大幅波動而導致下游流量變幅超標，進而對下游航運、民眾的生產生活、水上工作人員和其他設施產生不良影響，電廠機組帶基荷運行，負荷調整緩慢，在負荷調整時必須密切監視下游水位及流量變化。當電廠發生機組跳閘且無法啟動備用機組來彌補損失負荷時，運行人員啟動應急補水預案，開啟泄洪閘門放水，以維持下游流量平衡。應急補水所涉及的泄洪閘門包括：左沖砂底孔（以下簡稱左沖）、右沖砂底孔（以下簡稱右沖）、1～7號表孔共9個閘門，開啟的優先級順序依次為：右沖、左沖、5號表孔、4號表孔、6號表孔、7號表孔、3號表孔、2號表孔、1號表孔。

1 手動補水

在應急補水過程中，運行人員需要對事故損失流量、補水目標流量以及為實現補水目標需要開啟的各泄洪閘門開度進行計算，涉及的參數包括：

①當前出庫流量；②當前庫水位；③當前機組耗水率；④當前機組狀態及負荷；⑤當前各泄洪閘門開度；⑥各泄洪閘門在不同水位（591～602m）下的流量開度對應關系。

其中參數①、②、③是水情系統中的實時數據；參數④、⑤是監控系統中的實時數據；參數⑥來自試驗得出的各泄洪閘門在不同整數水位下的流量開度表，如表1所示（為控制篇幅，僅附部分水位下表孔閘門的流量開度對應關系）：

表1 表孔閘門部分水位下的流量開度表Tab.1 Flow-opening relationship at variouslevels of crest outlet floodgate

運行人員應急補水計算的步驟如下：

（1）為精簡計算過程，同時匹配各泄洪閘門在整數水位下的流量開度對應關系，將當前庫水位（參數②向下取整，不采取四舍五入的取整方式是為了防止補水不足。

（2）確定事故前流量，機組跳閘導致的出庫流量變化反映在水情系統中是一個極其緩慢的過程，因此運行人員有條件在事故發生后，對當前的出庫流量（參數①進行主觀修正，得出機組跳閘前的出庫流量Q0。

（3）計算當前所有機組的總過機流量Q為：

式中：P為事故后的全廠總負荷，MW；η為耗水率；N為處于空載態或空轉態的機組臺數。

當機組處于空載或空轉態時，默認機組流量為80m3/s，當機組處于停機、檢修或不定態（機組停機、空轉、空載、發電間的過渡狀態）時，默認機組流量為0。

（4）根據取整后的水位，近似計算各閘門的事故后流量{Q1，Q2，…，Q9}為：

式中：{H1，H2，…，H9}為各閘門當前開度；遞增數組{h1，h2，…，hn}和{q1，q2，…，qn}分別對應至取整水位下各閘門流量開度對應表中的開度和流量。

（5）計算事故后總流量Qs為：

（6）計算事故損失流量ΔQ為：

（7）在允許的補水誤差（±460m3/s）范圍內，選擇一個補水目標值ΔF：

（8）根據閘門開啟優先順序和電廠工況，將補水目標值ΔF分配至各閘門，各閘門分配補水量{ΔF1，ΔF2，…，ΔF9}為 ：

（9）計算各閘門補水后目標流量{F1，F2，…，F9}為：

（10）根據取整后的水位，近似計算各閘門的目標開度{ΔH1，ΔH2，…，ΔH9}為：

2 自動補水的需求性及可行性

2.1 需求性分析

運行人員手動補水計算主要存在以下問題：

（1）事故發生后運行人員需要進行大量的應急操作和匯報、聯絡、分析工作，同時面對較大的精神壓力，應急補水計算增加了運行人員的工作量，增大了人為失誤導致事故沒有妥善處置甚至進一步擴大的概率。

（2）運行人員采用將庫水位向下取整的近似計算方式，補水精度較低，計算得出的應急補水量遠大于實際需要。

因此為了節省人力成本，減少事故發生時運行人員的工作量，提高補水精度，達到節水發電的目標，存在對自動補水的功能需求。

2.2 可行性分析

（1）補水計算涉及的參數包括實時數據和固定數值：實時數據分別來自監控系統和水情系統，其中水情系統的實時數據可以通過通信方式傳輸至監控系統；固定數值為各閘門在不同水位下的流量開度對應關系，可以通過建模方式寫入監控系統。因此在監控系統中可以對補水計算參數進行整合。

（2）補水計算涉及的公式比較簡單，主要包括：比例運算、線性運算和其他一些簡單的基本初等函數，都可以在監控系統中通過計算機編程實現。

（3）在監控系統中對閘門流量開度對應關系進行建模，可以根據當前庫水位和閘門流量開度表，采用線性擬合算法計算出當前庫水位下各閘門的流量開度對應關系，取代手動計算中將水位取整的做法，進一步提高補水精度。

因此在監控系統中可以實現補水計算所需要的參數整合和數學運算，并提高補水精度，自動補水功能有充分的可行性。

3 自動補水的功能原理及界面

3.1 功能原理

自動補水功能的計算步驟如下：

（1）將水情系統中的出庫流量、庫水位、機組耗水率等計算參數傳輸至監控系統。

（2）通過線性擬合算法對當前庫水位下各泄洪閘門的流量開度對應關系進行初步建模，設當前庫水位為L，則各閘門開度{h1，h2，…，hn}對應流量{q1L，q2L，…，qnL}：

式中：{qi591，qi592，…，qi602}為水位{591m，592m，…，602m}時，各閘門開度hi在流量開度表中的對應流量，i∈{1，2，…，n}。

圖1為初步建模后，當前庫水位為601m、601.3、601.5、601.8、602m時，表孔閘門從開度15m到21m的流量開度對應關系曲線：

（3）通過線性擬合算法計算出當前庫水位下各泄洪閘門的最大有效開度和最大有效流量。

當水位為591m時，表孔閘門開度超過12m后，對應流量保持在885m3/s，因此水位591m下表孔閘門最大有效開度為12m；同理當水位為596m時和597m時，表孔閘門最大有效開度分別為14m和21m。因此通過閘門流量開度表可知各泄洪閘門在取整水位下的最大有效開度和最大有效流量。

設當前庫水位為L，則閘門最大有效開度為：

圖1 表孔閘門流量開度對應關系的初步建模Fig.1 Preliminary modeling of flow-opening relationship of crest outlet floodgate

（4）根據當前庫水位L下的閘門最大有效流量對初步建模后的流量開度對應關系進行修正，得到與閘門開度{h1，h2，…，hn}對應的修正流量{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}為 ：

圖2為修正建模前后，水位596、596.5、597m下表孔閘門從開度11m到21m的流量開度對應曲線：

（5）根據式（1）計算當前機組總流量Q。

（6）根據各閘門當前庫水位下的流量開度對應關系和公式2計算當前各閘門下泄流量{Q1，Q2，…，Q9}，注意將公式2中的參數{q1，q2，…，qn}替換為參數{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}，前者為取整水位下的各閘門開度對應的流量，后者為修正建模后當前庫水位下各閘門開度對應的流量。

圖2 表孔閘門流量開度對應關系的兩種建模比較Fig.2 Two modelings of flow-opening relationship of crest outlet floodgate

（7）根據公式3計算補水前的事故后總流量Qs。

（8）運行人員根據出庫流量修正得出事故前流量Q0，代入公式4計算事故損失流量ΔQ。

（9）計算出補水目標上限ΔFmax和補水目標下限ΔFmin：

此處采用（100m3/s，-400m3/s）的誤差范圍取代手動補水計算±460 m3/s的誤差范圍，是為了提高計算精度，在滿足補水要求的前提下盡量減少泄洪流量，達到節水發電的目標，同時考慮到線性擬合算法帶來的系統誤差，防止發生補水不足的情況。

（10）計算各閘門可以分配的補水流量上限{ΔF1max，ΔF2max，…，ΔF9max}：qn}替換為參數{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}，前者為取整水位下的各閘門開度對應的流量，后者為修正建模后當前庫水位下各閘門開度對應的流量。

（11）由運行人員選擇自動分配方式或手動分配方式，自動分配時，系統按照默認的閘門開啟優先級順序計算補水分配流量{ΔF1，ΔF2，…，ΔF9}：

手動分配時，運行人員在補水目標上下限之間選擇補水目標值ΔF，并手動分配流量：

常規情況下，采用自動分配方式；異常情況下，特別是當優先級較高的泄洪閘門（如右沖閘門、左沖閘門）無法開啟時，采用手動分配方式。

（12）根據公式（5），計算各閘門的補水目標流量{F1，F2，…，F9}。

根據公式（6），計算各閘門的補水目標開度{ΔH1，ΔH2，…，ΔH9}，注意將公式（6）中的參數{q1，q2，…，qn}替換為參數{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}。

3.2 功能界面

假設當前庫水位為600.24m，耗水率為6.465，各泄洪閘門當前開度與流量均為0，2、3、5號機組處于發電態，機組有功功率分別為265.6MW、266.0MW、261.1MW，過機流量分別為477.33m3/s、477.87m3/s、469.61m3/s，機組總流量約為 1424m3/s。假定事故前流量為3000 m3/s，則事故損失流量為1576.44m3/s，補水目標下限為1176.44m3/s。

當補水分配方式為自動時，按照閘門開啟的優先級順序進行補水分配，對右沖閘門分配流量1070.96m3/s，目標開度8m；剩余補水流量分配給左沖閘門，目標開度1.79m，如圖3所示。

需要說明，在電廠實際運行過程中機組有功功率不斷波動，導致機組總流量、事故后流量、事故損失流量、補水目標流量等中間參數的波動，同時由于補水計算過程存在延時，計算結果無法完美跟蹤以上參數變化，因此畫面中左沖閘門的分配流量與當前流量之和不等于目標流量（分配流量為103.87m3/s，當前流量為0，目標流量為106.20m3/s），但誤差非常微小。

當補水分配方式為手動時，假設運行人員手動分配補水流量為：左沖閘門200m3/s，目標開度3.43m；1號表孔閘門500m3/s，目標開度3.56m；5號表孔閘門300m3/s，目標開度2.15m，如圖4所示。

此時已分配補水流量1000m3/s，補水目標下限為1174.47m3/s，最少還需補水流量174.65m3/s。（此處1174.47m3/s-1000m3/s≠174.65m3/s，原因同上）。運行人員繼續分配174.65m3/s的補水流量，即可完成手動補水分配。

圖3 自動分配方式下的自動補水功能界面Fig.3 Automatic water supply function interface under automatic allocation mode

圖4 手動分配方式下的自動補水功能界面Fig.4 Automatic water supply function interface under manual allocation mode

4 結束語

景洪電廠自動補水功能充分實現了開發之初的設計目標，實現了不同系統間的數據整合應用，是當前“水電合一、智能發電”大課題下的一次成功探索，與手動補水計算相比，其優越性體現在，提高了補水精度，減少了運行人員負擔，加快了事故響應速度，提高了發電運行安全系數，也為有類似需求的其他水電廠提供了借鑒和參考。

[1]劉觀標，李曉斌，李永紅，等.智能水電廠的體系結構[J].水電自動化與大壩監測，2011，35（1）：1-4.LIU Guanbiao，LI Xiaobin，LI Yonghong et al.System Structure of Smart Hydropower Plants[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011，35（1）：1-4.

[2]張麗麗，彭卓越，紀龍，等.瀾滄江景洪以下水位和流量變化分析[J].珠江水運，2015（12）：88-91.ZHANG Lili，PENG Zhuoyue，JI Long et al.Analysis of water level and flow rate of Jinghong downstream in Lantsang River[J].Pearl River Water Transport，2015（12）：88-91.

[3]楊文道，張巖雨，潘菊芳.抽水蓄能機組電動工況啟動的自動控制[J].水電與抽水蓄能，2015，1（2）：16-21.Yang Wendao, Zhang Yanyu, Pan Jufang.The automatic control of the pumped start-up of the pumped-storage unit[J].Hydropower and Pumped Storage, 2015，1（2）：16-21.

胡 林（1983—），男，大學本科，工程師，研究方向為水力發電監控系統自動化，E-mail：hulin.lcjgs@163.com

鐘曉曦（1984—），男，大學本科，工程師，研究方向為水情測報與水庫調度，E-mail：187130316@qq.com

王海達（1985—），男，大學本科，工程師，研究方向為水力發電監控系統自動化，E-mail：sdfzwang@163.com

李小治（1986—），男，大學本科，助理工程師，研究方向為水力發電監控系統自動化，E-mail：lixiaozhi@sgepri.sgcc.com.cn

鮑艷香（1985—），女，大學本科，助理工程師，研究方向為水情測報與水庫調度，E-mail：82495366@qq.com

Research and Application of Automatic Water Supply in SCADA System of Jinghong Hydroplant After Accident

HU Lin1，ZHONG Xiaoxi1，WANG Haida1，LI Xiaozhi2，BAO Yanxiang3
（1.Huaneng Lancang River Hydropower Co.，Ltd.Cascade Control Center，Kunming 650214，China; 2.State Grid Electric Power Research Institute/Nari Group Corporation，Nanjing 210098，China; 3.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210098， China）

Due to the special geographical location，in order to maintain the balance of the downstream flow，after accident Jinghong Hydroplant need to open the sluice gates for emergency water supply.In order to obtain the goal of floodgates opening，the operators need a lot of manual calculation according to the parameters in the SCADA system and Hydrology Monitoring system.In order to solve the burden to operators which is brought by the calculation of emergent water supply，this paper studied automation application of water supply.The analysis of manual calculation steps and calculation parameters of operators indicates that it is practicable to realize the integration of calculation parameters and recurrence of calculative process in the SCADA system.After modeling flow-opening relationship of various floodgates，through comprehensive calculation of various parameters of generators、gates and modeling before and after the accident，and system’s automatic distribution or operator’s manual distribution of flow to be supply，SCADA system can automatically calculate targeted opening of various floodgates.Automatic water supply function achieve the Summary and Application of data in the SCADA system and Hydrology Monitoring system ; it completely replaces operator’s manual calculation of water supply，and directly improves precision of water supply and speed of incident response.

SCADA system; Jinghong Hydroplant; water supply