一種改進的泄洪閘門與負荷及水位聯(lián)動控制系統(tǒng)

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(fā)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?cè)萘?.4萬kW，多年平均發(fā)電量2.83億kW·h，并已接入五凌集控中心，實現(xiàn)“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(fā)流量，并且株溪口電廠水庫庫容小，水位變化大，泄洪反應(yīng)時間短，在機組或線路發(fā)生事故導(dǎo)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(fā)生水漫大壩的風險。同時株溪口電廠年均開閘天數(shù)達110 d，年均開閘棄水時間約為2 200 h，年均開閘次數(shù)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(lián)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閘門自動調(diào)度功能，提高閘門調(diào)節(jié)精度，減少棄水，最大化發(fā)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(lián)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)閘門自動控制功能，雖然該系統(tǒng)引入了上游的水情預(yù)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(dǎo)致閘門調(diào)節(jié)精度不高，棄水現(xiàn)象依然存在。因此本文在文獻[1]的基礎(chǔ)上，提出一種改進的泄洪閘門與水位自動聯(lián)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(jié)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(jù)上下游出入庫的流量，優(yōu)化閘門調(diào)節(jié)方案，從而提高閘門調(diào)節(jié)精度，減少閘門啟閉次數(shù)，減少棄水，提高發(fā)電效益。

2 泄洪閘門與水位自動聯(lián)動系統(tǒng)模型

在電廠安全I區(qū)部署兩臺閘門聯(lián)動服務(wù)器（ZXKFGC1和 ZXKFGC2）和 1臺 ONCALL服務(wù)器(ZXKALM)。ONCALL服務(wù)器用于泄洪時的語音報警功能，兩臺閘門聯(lián)動服務(wù)器以主備方式通過IEC104規(guī)約與電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信獲取實時數(shù)據(jù)，與電廠泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)通過IEC104規(guī)約進行通信，采集泄洪閘門監(jiān)控系統(tǒng)遙測、遙信數(shù)據(jù)。最終由閘門聯(lián)動服務(wù)器對采集的數(shù)據(jù)進行分析計算，并根據(jù)電廠的閘門調(diào)度方案，實時向閘門監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送遙調(diào)、遙控命令，實現(xiàn)泄洪閘門的自動控制功能。

圖1 泄洪閘門與水位自動聯(lián)動系統(tǒng)

2.1 水位信號

水庫水位作為泄洪閘門開啟的重要依據(jù)，水位信號的準確、穩(wěn)定將影響整個泄洪閘門系統(tǒng)的安全穩(wěn)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(nèi)變化超過0.5 m（此值在控制畫面上手動設(shè)置）），再經(jīng)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(lián)動功能，并報警“水位計偏差過大”，同時當發(fā)生機組甩負荷等事故情況時，回流導(dǎo)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(lián)動功能。

2.2 泄洪閘門應(yīng)急開啟保護功能

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

2.3 正常情況下，泄洪閘門全關(guān)時，水位過高提醒或首次提門方案

電廠側(cè)計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集水庫水位，送閘門聯(lián)動服務(wù)器，由閘門聯(lián)動服務(wù)器在閘門聯(lián)動程序中設(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(guān)告警信息在監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)置5 min（可在控制界面上設(shè)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(lián)動程序根據(jù)閘門調(diào)度方案，查表確定閘門開啟方案，下發(fā)指令進行提門操作。期間運行人員可以干預(yù)終止提門預(yù)警和提門操作。

2.4 事故緊急情況下應(yīng)急提門

當上游水位未到達緊急提門水位，發(fā)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(fā)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(fā)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(lián)動程序中，用于在判斷廠用電消失時，由閘門聯(lián)動程序自動下達啟動柴油發(fā)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(lián)動系統(tǒng)模型

泄洪閘門開啟后，為減少閘門在短期內(nèi)的頻繁啟閉次數(shù)，延長閘門使用壽命，優(yōu)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(jiān)控系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)，株溪口電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)電態(tài)、機組有功、閘門開度、上游水位、上游水頭等信號，通過IEC104規(guī)約反送至株溪口電廠的閘門聯(lián)動服務(wù)器，閘門聯(lián)動服務(wù)器結(jié)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(jù)未來5 min出入庫流量關(guān)系，滾動計算泄洪閘門啟閉調(diào)度方案，實現(xiàn)閘門聯(lián)動系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)。

圖2 改進的泄洪閘門與水位自動聯(lián)動系統(tǒng)

在閘門聯(lián)動控制界面上設(shè)置優(yōu)化方式控制按鈕，運行人員選擇投入優(yōu)化方式，則程序采用優(yōu)化調(diào)節(jié)方案。株溪口電廠泄洪閘門自動聯(lián)動系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)方案如下：

（1）如果在閘門全關(guān)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(guān)0.5 m水位，大于關(guān)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(guān)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(guān)0.5 m閘門；當出庫流量≥入庫流量+流量閾值，則關(guān)1 m閘門。

4 閘門聯(lián)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(lián)動系統(tǒng)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(huán)試驗，泄洪閘門控制程序閉環(huán)試驗。試驗結(jié)果表明，改進后的泄洪閘門自動聯(lián)動系統(tǒng)能夠按泄洪調(diào)度方案進行閘門啟閉，在投入優(yōu)化方式后，閘門的啟閉次數(shù)相比優(yōu)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(jié)語

本文提出的改進泄洪閘門與水位自動聯(lián)動系統(tǒng)通過引入上游電站的機組負荷、閘門開度、機組狀態(tài)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(guān)系，優(yōu)化閘門調(diào)度方案，提高了泄洪效率，減少了閘門的啟閉次數(shù)，同時也減輕了值班人員的負擔，最大化發(fā)電效益，對于國內(nèi)同類型的梯級流域電廠具有很好的借鑒意義。