泄洪閘門與動態(tài)負荷及水位自動聯(lián)動研究應用

陳曙東，曾自怡，付龍海

（五凌電力有限公司發(fā)電集控中心，湖南 長沙410004）

0 引言

五凌電力有限公司（簡稱：五凌公司）成立于1995年，先后在沅水流域建成五強溪、凌津灘、洪江、碗米坡、三板溪、掛治、白市和托口8座水電站，在湘江有近尾洲，資江有東坪、株溪口、馬跡塘水電站，總裝機容量666.41萬kW。五凌公司積極探索流域梯級電站遠程集控工作，2006年開始對沅水梯級電站實行統(tǒng)一調(diào)度管理，2010年3月成立發(fā)電集控中心，至2014年底五凌集控控制電廠達到12個，受控機組54臺，受控容量466萬kW，是國內(nèi)實際控制電廠和機組臺數(shù)最多的集控中心。五凌集控積極開展遠程集控模式下的低水頭電廠泄洪閘門與動態(tài)負荷及水位自動聯(lián)動功能研究，在資江流域東坪、株溪口、馬跡塘三級電廠試點并成功應用，效果良好。

1 項目背景

東坪水電廠位于湖南益陽市安化縣城資水干流上游，株溪口水電廠位于湖南益陽市安化縣境內(nèi)資水干流中游，馬跡塘水電站位于湖南益陽市桃江縣資水干流下游，三廠屬于同一流域梯級電廠，水力關(guān)系緊密，且已全部接入五凌集控運行，采用“無人值班、少人值守”模式，由集控中心區(qū)域值長負責設(shè)備的日常監(jiān)視和操作，電廠側(cè)僅留有少量值守人員，夜間關(guān)門運行。三廠均為貫流式機組、水頭低、庫容小，根據(jù)2011～2015年統(tǒng)計，年平均開閘棄水天數(shù)為112 d，年平均開閘門棄水時間約為2 205 h。棄水期間，為爭取最大的發(fā)電量，通過人為頻繁進行閘門調(diào)整控制水位。在此期間，平均約30 min需對閘門進行一次人為調(diào)整，平均每年調(diào)整次數(shù)達4 500次。尤其是當上游來水過大，或發(fā)生線路跳閘、機組甩負荷等情況時，電廠下泄流量小于來水量，將導致大壩水位迅速上漲，如果不能及時開閘泄洪，將會出現(xiàn)水漫大壩，水淹廠房的風險。在汛期，由于閘門的頻繁開啟，使電廠晚班值守人員相當疲勞，增大了工作失誤的風險，同時增加了集控中心區(qū)域值長監(jiān)控的壓力。

因此，有必要根據(jù)上游來水情況、機組運行狀況等參數(shù)，當水庫水位過高或上漲過快時，自動開啟閘門泄洪，減輕值班人員的工作壓力，確保電廠大壩及設(shè)備的安全運行。同時，采用程序自動計算代替人工計算生成閘門調(diào)度方案，可以提高閘門調(diào)度精度，減少棄水、減小耗水率、提高發(fā)電效益。

2 集控中心與電廠閘門聯(lián)動系統(tǒng)部署

2.1 電廠側(cè)閘門聯(lián)動系統(tǒng)部署

在電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡上部署閘門聯(lián)動應用服務器和應急功能軟件，實時監(jiān)測上游水位變化，實現(xiàn)水庫緊急水位情況下的閘門自動啟閉。電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)與閘門控制系統(tǒng)為同一廠商的，應將閘門控制系統(tǒng)以LCU方式接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，若為不同廠商的，兩系統(tǒng)必須搭建通信規(guī)約為IEC 60870-5-104的通信接口，實現(xiàn)“四遙”通信。

2.2 集控側(cè)閘門聯(lián)動系統(tǒng)部署

在集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡上部署閘門聯(lián)動應用服務器和泄洪閘門與動態(tài)負荷及水位自動聯(lián)動軟件，采集水調(diào)系統(tǒng)內(nèi)雨水情、氣象信息、上游水位、上游泄洪流量等信息綜合計算，自動生成閘門中長期調(diào)度方案，通過集控中心與電廠專線通信網(wǎng)絡下達至電廠閘門控制系統(tǒng)（圖1）。

圖1 閘門聯(lián)動系統(tǒng)部署示意圖

3 電廠閘門聯(lián)動功能設(shè)計

3.1 正常情況下，水位過高自動提門

上游水位是閘門啟閉的唯一條件，水位信號的準確性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。建設(shè)3個不同測量原理的水位計，單個水位信號經(jīng)容錯濾波處理后取10 s內(nèi)的平均值作為有效水位值，再經(jīng)3取2計算作為程序計算水位。同時設(shè)置水位計之間偏差過大告警并自動退程序功能，有效地確保水位信號的準確、無誤。電廠側(cè)實時監(jiān)視水庫水位，設(shè)置警戒水位，當水位達到警戒水位時，程序發(fā)出告警信息自動聯(lián)動泄洪警報系統(tǒng)（按電廠閘門調(diào)度規(guī)程提前30 min），警示上下游泄洪區(qū)域人員撤離，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機告警提示運行人員。當達到提門水位時，程序下發(fā)指令進行提門操作，期間運行人員可以干預終止預警、終止提門操作。

3.2 事故緊急情況下，應急提門

系統(tǒng)實時監(jiān)測水庫水位、機組發(fā)電工況、泄洪閘門開度和斷路器位置及其他保護等信號，同時綜合考慮機組甩負荷、全廠失電、下游供水流量低等特殊情況，當達到預設(shè)的動作條件時自動生成閘門調(diào)度方案并啟動緊急泄洪流程和聲光告警，防止水庫水位超過警戒線，發(fā)生水漫大壩或是不能及時向下游供水造成下游斷流的事件。

當發(fā)生機組甩負荷等事故情況時，回流導致上游水位波動，程序能夠緩存30 s的歷史水位，即取甩負荷前30 s的水位值作為程序計算水位。

線路跳閘等事故情況下會造成全廠失電，待黑啟動后恢復廠用電可能已水漫大壩，因此設(shè)置柴油發(fā)電機自動啟動功能，系統(tǒng)采集母線電壓、進線開關(guān)及聯(lián)絡開關(guān)等位置信號，當檢測母線失壓后，系統(tǒng)發(fā)信號自動啟動柴油發(fā)電機，保證泄洪閘門系統(tǒng)的電源供給。

3.3 閘門精細化調(diào)節(jié)

正常情況水位過高自動提門和事故情況下的應急提門有效地保障了大壩運行安全，為提高電廠經(jīng)濟運行，系統(tǒng)設(shè)置精細化調(diào)節(jié)功能，結(jié)合水庫來水及機組負荷信息，提高水庫運行水位在安全范圍內(nèi)。同時在保證電廠安全的前提下，盡量減少閘門啟閉次數(shù)，延長閘門使用壽命。

4 集控中心閘門中長期調(diào)度功能設(shè)計

在集控側(cè)閘門應用服務器布置程序，結(jié)合流域天氣預報、預測降雨量、上游水庫泄洪閘門運行方式、上游水庫滾動發(fā)電計劃值等確定本水庫水位變化，包括本水庫預測降雨值、入庫水量、發(fā)電運行方式等數(shù)據(jù)，自動計算出泄洪閘門24 h參考調(diào)度方案，方案可隨時間和數(shù)據(jù)變化自動修正，并經(jīng)人工確認或修改后下發(fā)執(zhí)行。

4.1 閘門啟閉計劃制定

閘門啟閉計劃原則：水庫水位維持在安全的高水位，以當前時段電廠所處狀態(tài)為決策前提，結(jié)合來水預報信息、既定負荷曲線，以電廠發(fā)電效益最大化為目標，遵守水庫調(diào)度規(guī)程，制定24 h閘門啟閉計劃。同時根據(jù)滾動更新變化的來水信息，按不同時長（1 h、30 min、15 min等）對啟停計劃滾動調(diào)整，自動生成閘門啟閉方案。在方案生成之后，可對方案按照閉環(huán)、開環(huán)兩種方式，在集控模式下直接下發(fā)到電廠執(zhí)行。

4.2 閘門啟閉實施方案

系統(tǒng)以當前時段所處狀態(tài)為前提條件，與集控側(cè)水情水調(diào)通信獲得未來24 h內(nèi)上游電廠的出庫流量、以及經(jīng)區(qū)間降雨產(chǎn)流計算得到的區(qū)間流量（若水情系統(tǒng)里存在24 h計算時段入庫流量，也可直接采用），以水量平衡方程為基礎(chǔ)，以24 h電廠控制水位為邊界條件，以15 min為間隔制定閘門啟閉計劃。

4.3 閘門啟閉同時段計算步驟

（1）判斷當前水位是否達到提門水位，是否達到第1次開啟閘門的條件，若未達到，轉(zhuǎn)步驟（2），否則轉(zhuǎn)步驟（3）。

（2）按照來水及負荷情況，推算出出庫流量及庫容變化，判斷時段末水位是否達到開啟閘門條件，若未達到，則直接轉(zhuǎn)入下一時段計算。否則，該時段需開啟閘門，以時段末水位為提門水位計算條件，反推出庫流量及閘門出庫流量，計算閘門開啟高度。

（3）從計算機監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)讀取機組負荷、上游水位等參數(shù)，假定閘門開度不變，推算機組發(fā)電流量：

Qele=N×1 000/9.5/（H-0.4）；N代表時段內(nèi)負荷，H代表時段上游水頭。

（4）從監(jiān)控系統(tǒng)讀取當前閘門開度，計算閘門出庫流量Qwas=H弧×90。

（5）將（1）和（2）步驟得到的發(fā)電流量和閘門出庫流量相加得到總出庫流量Qout。

（6）采用水情系統(tǒng)中通信得到的入庫流量Qin，利用水量平衡方程推算時段末水位， VT=V0+（Qin-Qout）×T×60/10 000，其中T代表時段分鐘數(shù)。

（7）判斷計算得到的時段末水位Zt與提門水位Z0max、落門水位（Z0min）二者關(guān)系。

①若 Zt在（Z0min，Z0max）之間，則可保持當前開度不變。

②若Zt＞Z0max，則需增大閘門開度，根據(jù)水量平衡方程計算出庫水量Qout,減去發(fā)電用水(此時需要注意：發(fā)電流量計算時，上游水位是采用上游平均水位還是采用時段初的上游水位計算，閘門開度變化時，上游水位也會跟著變化，繼而影響發(fā)電水頭和發(fā)電流量，是否需要迭代)，即可得到閘門出庫流量，進而計算閘門開度H弧=Q/90，反推出時段末水位，查表得到閘門開啟數(shù)量和大小，實現(xiàn)閘門時段內(nèi)的精細化操作；

③若Zt＜Z0min，則需減少閘門開度，控制時段末水位為Z0min，根據(jù)水量平衡方程計算出庫水量Qout，減去發(fā)電用水（同②），即可得到閘門出庫流量，進而計算閘門開度H弧=Q/90，得到閘門開啟高度，反推出時段末水位，查表得到閘門開啟數(shù)量和大小，實現(xiàn)閘門時段內(nèi)的精細化操作，此時若來水較小而負荷較大，則會存在時段末水位為Z0min，閘門出庫流量為負的情形，此時需優(yōu)先滿足發(fā)電負荷，按閘門開度為0推算時段末水位，同時判斷時段末水位需滿足水庫正常運行水位的要求。

（6）進行逐時段遞推計算得到24 h內(nèi)的閘門啟閉計劃。

5 安全策略

水電廠上、下游區(qū)域不可避免地存在捕魚、放木、游玩和其他作業(yè)等人為活動，泄洪閘門的自動啟閉會直接影響電廠上下游區(qū)域人、財、物等方面的安全，因此必須采用多種技術(shù)手段確保泄洪區(qū)域安全。

（1）泄洪區(qū)域安裝全天候無死角工業(yè)電視攝像頭，值班人員遠程“遙視”監(jiān)控，在大壩上下游禁區(qū)安裝紅外線對射系統(tǒng)，人、船、物等違禁闖入自動告警。

（2）程序執(zhí)行閘門調(diào)度方案開啟閘門前，應能自動聯(lián)動泄洪閘門聲光告警，并啟動泄洪廣播，警示下游群眾。

（3）程序應能及時將緊急泄洪流程啟動的相關(guān)告警信息在監(jiān)控系統(tǒng)中給出實時報警，并通過手機短信（oncall）發(fā)送至指定人員，電廠應安排專人提前趕到現(xiàn)場檢查核實，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理。

（4）緊急泄洪流程啟動后，電廠側(cè)、集控側(cè)可隨時終止執(zhí)行流程。

（5）多功能模式技術(shù)，程序功能設(shè)置開環(huán)/閉環(huán)模式，在開環(huán)模式下，程序計算調(diào)度方案但不執(zhí)行，閉環(huán)模式下，程序計算調(diào)度方案并自動執(zhí)行。

（6）泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)必須配備UPS電源，電廠應具備全廠失電時柴油發(fā)電機的自動啟動功能，確保泄洪閘門的可靠性。

（7）電廠應在大壩上游安裝多個不同測量原理的水位計，多冗余水位計容錯濾波處理策略，采用容錯濾波、計算平均值和3取2多種邏輯判斷方式，確保水位信號的穩(wěn)定性和準確性（水位計的選址至關(guān)重要）。

（8）多系統(tǒng)自動協(xié)聯(lián)機制，建議直接將泄洪閘門控制系統(tǒng)以LCU方式接入電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，減少通信接口，若必須以IEC 60870-5-104通信規(guī)約通信的，各環(huán)節(jié)通信通道設(shè)置故障報警。

（9）方案須嚴格執(zhí)行電廠閘門調(diào)度規(guī)程。

6 結(jié)語

五凌公司在國內(nèi)率先開展泄洪閘門與動態(tài)負荷及水位自動聯(lián)動功能研究，并在東坪、株溪口、馬跡塘電廠成果應用，國內(nèi)首次實現(xiàn)閘門全過程自動控制。系統(tǒng)功能的投入可確保不發(fā)生漫門、漫壩事故，有效避免無效棄水，提高水能利用率，同時大大減輕現(xiàn)場勞動強度，真正意義上實現(xiàn)電廠夜間關(guān)門運行，充分適應“遠程集控，無人值班”的要求，值得在全國同類型低水頭電廠全面推廣。