一種改進的泄洪閘門與負荷及水位聯動控制系統

吳 輝，諶斐鳴，陳曙東

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000）

1 引言

株溪口水電廠位于資水干流中游，距離柘溪電廠約24 km，上距東坪電廠約14 km，是一座以發電為主兼有航運等綜合利用的水電工程。電廠裝有4臺單機容量為18.5 MW燈泡貫流式機組，總容量7.4萬kW，多年平均發電量2.83億kW·h，并已接入五凌集控中心，實現“無人值班，少人值守”。隨著柘溪電廠的擴機，株溪口電廠總出庫流量不能消納柘溪電廠滿發流量，并且株溪口電廠水庫庫容小，水位變化大，泄洪反應時間短，在機組或線路發生事故導致機組甩負荷時，水位上漲迅速，必須緊急人工開啟閘門泄洪，否則將發生水漫大壩的風險。同時株溪口電廠年均開閘天數達110 d，年均開閘棄水時間約為2 200 h，年均開閘次數約4 500次。由于閘門頻繁啟閉，運行人員值班壓力大，增大了閘門誤啟閉的風險。

為解決上述問題，亟需要部署一套閘門聯動控制系統，實現閘門自動調度功能，提高閘門調節精度，減少棄水，最大化發電效益，減輕運行人員值班壓力，提高泄洪效率，降低水庫漫壩和水淹廠房的風險，文獻[1]中提出了一種泄洪閘門與水位自動聯動控制系統，該系統能夠實現閘門自動控制功能，雖然該系統引入了上游的水情預報情況，但是未能引入上游電站的機組負荷、閘門開度等信息，無法精準計算上游入庫流量，導致閘門調節精度不高，棄水現象依然存在。因此本文在文獻[1]的基礎上，提出一種改進的泄洪閘門與水位自動聯動控制系統，該系統通過引入上游電站的機組負荷、閘門開度、上游水位等信息，精確計算上游入庫流量，結合本廠的機組負荷和閘門開度情況，計算出庫流量，最后根據上下游出入庫的流量，優化閘門調節方案，從而提高閘門調節精度，減少閘門啟閉次數，減少棄水，提高發電效益。

2 泄洪閘門與水位自動聯動系統模型

在電廠安全I區部署兩臺閘門聯動服務器（ZXKFGC1和 ZXKFGC2）和 1臺 ONCALL服務器(ZXKALM)。ONCALL服務器用于泄洪時的語音報警功能，兩臺閘門聯動服務器以主備方式通過IEC104規約與電廠計算機監控系統通信獲取實時數據，與電廠泄洪閘門監控系統通過IEC104規約進行通信，采集泄洪閘門監控系統遙測、遙信數據。最終由閘門聯動服務器對采集的數據進行分析計算，并根據電廠的閘門調度方案，實時向閘門監控系統發送遙調、遙控命令，實現泄洪閘門的自動控制功能。

圖1 泄洪閘門與水位自動聯動系統

2.1 水位信號

水庫水位作為泄洪閘門開啟的重要依據，水位信號的準確、穩定將影響整個泄洪閘門系統的安全穩定運行，因此在電廠上游水庫不同的位置，安裝3種不同測量原理的水位計，并過濾上游水位瞬時跳變值（當水位1 s內變化超過0.5 m（此值在控制畫面上手動設置）），再經3取2計算作為 程序計算水位，最近10 s計算水位取平均值作為最終水位。當3個水位計兩兩間均偏差過大時，退出閘門聯動功能，并報警“水位計偏差過大”，同時當發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，并且當3個水位計采樣信號通道故障，有效水位值超過10 min未更新時，自動退出閘門聯動功能。

2.2 泄洪閘門應急開啟保護功能

為了安全，泄洪閘門全關時，如果任意水位計實時水位值持續1 min超過危險高水位，則程序按照閘門調度方案，立即開啟一孔閘門，閘門開度根據電廠閘門調度實際情況確定。

2.3 正常情況下，泄洪閘門全關時，水位過高提醒或首次提門方案

電廠側計算機監控系統采集水庫水位，送閘門聯動服務器，由閘門聯動服務器在閘門聯動程序中設置警戒水位，當水位達到警戒水位時，程序發出告警信息提示運行人員，每隔1 min提醒一次。當達到提門水位時，將緊急泄洪流程啟動的相關告警信息在監控系統中給出實時報警，自動開啟泄洪廣播，警示下游群眾。同時程序設置5 min（可在控制界面上設置）倒計時，每隔20 s提醒一次運行人員，計時滿5 min后，程序自動進行下一步操作。

閘門聯動程序根據閘門調度方案，查表確定閘門開啟方案，下發指令進行提門操作。期間運行人員可以干預終止提門預警和提門操作。

2.4 事故緊急情況下應急提門

當上游水位未到達緊急提門水位，發生機組跳機或線路跳閘等事故情況時，程序立即啟動事故緊急流程。此時因線路發生跳閘，全廠廠用電消失，無法正常啟動泄洪閘門。為解決緊急情況下，泄洪閘門的啟動，可將柴油發電機的啟動信號，線路失壓信號，斷路器位置信號等接入閘門聯動程序中，用于在判斷廠用電消失時，由閘門聯動程序自動下達啟動柴油發電機帶廠用電，供給泄洪閘門電源。

3 改進的泄洪閘門與水位自動聯動系統模型

泄洪閘門開啟后，為減少閘門在短期內的頻繁啟閉次數，延長閘門使用壽命，優化閘門啟停方案，減少棄水，提高耗水率，必須精準計算上游水庫的入庫流量及本廠的出庫流量。由于東坪電廠計算機監控系統、閘門監控系統，株溪口電廠計算機監控系統、閘門監控系統均已接入五凌集控中心，因此通過五凌集控中心的閘門通信機將東坪電廠機組發電態、機組有功、閘門開度、上游水位、上游水頭等信號，通過IEC104規約反送至株溪口電廠的閘門聯動服務器，閘門聯動服務器結合本廠實時出力、本廠泄洪閘門開度、水流時滯等信息確定電廠的出庫流量，最后根據未來5 min出入庫流量關系，滾動計算泄洪閘門啟閉調度方案，實現閘門聯動系統的優化調節。

圖2 改進的泄洪閘門與水位自動聯動系統

在閘門聯動控制界面上設置優化方式控制按鈕，運行人員選擇投入優化方式，則程序采用優化調節方案。株溪口電廠泄洪閘門自動聯動系統的優化調節方案如下：

（1）如果在閘門全關情況下，當入庫流量<出庫流量+流量閾值，則不開閘門。

（2）如果閘門開度大于開0.5 m水位，小于開1 m水位，且入庫流量＜出庫流量+流量閾值，則維持閘門開度不變；如果入庫流量≥出庫流量+流量閾值，則開0.5 m閘門。

（3）如果閘門開度大于開1 m水位，當入庫流量＜出庫流量+流量閾值，則開0.5 m閘門；當入庫流量≥出庫流量+流量閾值，則開1 m閘門。

（4）如果閘門開度低于關0.5 m水位，大于關1 m水位，當出庫流量＜入庫流量+流量閾值，則維持閘門開度不變；當出庫流量≥入庫流量+流量閾值，則關0.5 m閘門。

（5）如果閘門開度低于開1 m水位，當出庫流量＜入庫流量+流量閾值，則關0.5 m閘門；當出庫流量≥入庫流量+流量閾值，則關1 m閘門。

4 閘門聯動控制功能試驗

2021年1月25日，在株溪口電廠部署泄洪閘門自動聯動系統后，分別進行了水位容錯濾波試驗，保護功能試驗，泄洪閘門控制程序開環試驗，泄洪閘門控制程序閉環試驗。試驗結果表明，改進后的泄洪閘門自動聯動系統能夠按泄洪調度方案進行閘門啟閉，在投入優化方式后，閘門的啟閉次數相比優化前，大大減少，有效提升了泄洪效率，減輕值班人員的負擔。

5 結語

本文提出的改進泄洪閘門與水位自動聯動系統通過引入上游電站的機組負荷、閘門開度、機組狀態等信號，計算上游入庫流量和本電站出庫流量，從而更準確的判斷未來出入庫流量關系，優化閘門調度方案，提高了泄洪效率，減少了閘門的啟閉次數，同時也減輕了值班人員的負擔，最大化發電效益，對于國內同類型的梯級流域電廠具有很好的借鑒意義。