吳 輝，諶斐鳴，陳曙東

（五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)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(yùn)等綜合利用的水電工程。電廠裝有4臺(tái)單機(jī)容量為18.5 MW燈泡貫流式機(jī)組，總?cè)萘?.4萬(wàn)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(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班，少人值守”。隨著柘溪電廠的擴(kuò)機(jī)，株溪口電廠總出庫(kù)流量不能消納柘溪電廠滿發(fā)流量，并且株溪口電廠水庫(kù)庫(kù)容小，水位變化大，泄洪反應(yīng)時(shí)間短，在機(jī)組或線路發(fā)生事故導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，水位上漲迅速，必須緊急人工開(kāi)啟閘門(mén)泄洪，否則將發(fā)生水漫大壩的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)株溪口電廠年均開(kāi)閘天數(shù)達(dá)110 d，年均開(kāi)閘棄水時(shí)間約為2 200 h，年均開(kāi)閘次數(shù)約4 500次。由于閘門(mén)頻繁啟閉，運(yùn)行人員值班壓力大，增大了閘門(mén)誤啟閉的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問(wèn)題，亟需要部署一套閘門(mén)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自動(dòng)調(diào)度功能，提高閘門(mén)調(diào)節(jié)精度，減少棄水，最大化發(fā)電效益，減輕運(yùn)行人員值班壓力，提高泄洪效率，降低水庫(kù)漫壩和水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)，文獻(xiàn)[1]中提出了一種泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)自動(dòng)控制功能，雖然該系統(tǒng)引入了上游的水情預(yù)報(bào)情況，但是未能引入上游電站的機(jī)組負(fù)荷、閘門(mén)開(kāi)度等信息，無(wú)法精準(zhǔn)計(jì)算上游入庫(kù)流量，導(dǎo)致閘門(mén)調(diào)節(jié)精度不高，棄水現(xiàn)象依然存在。因此本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)引入上游電站的機(jī)組負(fù)荷、閘門(mén)開(kāi)度、上游水位等信息，精確計(jì)算上游入庫(kù)流量，結(jié)合本廠的機(jī)組負(fù)荷和閘門(mén)開(kāi)度情況，計(jì)算出庫(kù)流量，最后根據(jù)上下游出入庫(kù)的流量，優(yōu)化閘門(mén)調(diào)節(jié)方案，從而提高閘門(mén)調(diào)節(jié)精度，減少閘門(mén)啟閉次數(shù)，減少棄水，提高發(fā)電效益。

2 泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)模型

在電廠安全I(xiàn)區(qū)部署兩臺(tái)閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器（ZXKFGC1和 ZXKFGC2）和 1臺(tái) ONCALL服務(wù)器(ZXKALM)。ONCALL服務(wù)器用于泄洪時(shí)的語(yǔ)音報(bào)警功能，兩臺(tái)閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器以主備方式通過(guò)IEC104規(guī)約與電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與電廠泄洪閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)IEC104規(guī)約進(jìn)行通信，采集泄洪閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)。最終由閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)電廠的閘門(mén)調(diào)度方案，實(shí)時(shí)向閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送遙調(diào)、遙控命令，實(shí)現(xiàn)泄洪閘門(mén)的自動(dòng)控制功能。

圖1 泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 水位信號(hào)

水庫(kù)水位作為泄洪閘門(mén)開(kāi)啟的重要依據(jù)，水位信號(hào)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定將影響整個(gè)泄洪閘門(mén)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此在電廠上游水庫(kù)不同的位置，安裝3種不同測(cè)量原理的水位計(jì)，并過(guò)濾上游水位瞬時(shí)跳變值（當(dāng)水位1 s內(nèi)變化超過(guò)0.5 m（此值在控制畫(huà)面上手動(dòng)設(shè)置）），再經(jīng)3取2計(jì)算作為 程序計(jì)算水位，最近10 s計(jì)算水位取平均值作為最終水位。當(dāng)3個(gè)水位計(jì)兩兩間均偏差過(guò)大時(shí)，退出閘門(mén)聯(lián)動(dòng)功能，并報(bào)警“水位計(jì)偏差過(guò)大”，同時(shí)當(dāng)發(fā)生機(jī)組甩負(fù)荷等事故情況時(shí)，回流導(dǎo)致上游水位波動(dòng)，程序能夠緩存30 s的歷史水位，即取甩負(fù)荷前30 s的水位值作為程序計(jì)算水位，并且當(dāng)3個(gè)水位計(jì)采樣信號(hào)通道故障，有效水位值超過(guò)10 min未更新時(shí)，自動(dòng)退出閘門(mén)聯(lián)動(dòng)功能。

2.2 泄洪閘門(mén)應(yīng)急開(kāi)啟保護(hù)功能

為了安全，泄洪閘門(mén)全關(guān)時(shí)，如果任意水位計(jì)實(shí)時(shí)水位值持續(xù)1 min超過(guò)危險(xiǎn)高水位，則程序按照閘門(mén)調(diào)度方案，立即開(kāi)啟一孔閘門(mén)，閘門(mén)開(kāi)度根據(jù)電廠閘門(mén)調(diào)度實(shí)際情況確定。

2.3 正常情況下，泄洪閘門(mén)全關(guān)時(shí)，水位過(guò)高提醒或首次提門(mén)方案

電廠側(cè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集水庫(kù)水位，送閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器，由閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器在閘門(mén)聯(lián)動(dòng)程序中設(shè)置警戒水位，當(dāng)水位達(dá)到警戒水位時(shí)，程序發(fā)出告警信息提示運(yùn)行人員，每隔1 min提醒一次。當(dāng)達(dá)到提門(mén)水位時(shí)，將緊急泄洪流程啟動(dòng)的相關(guān)告警信息在監(jiān)控系統(tǒng)中給出實(shí)時(shí)報(bào)警，自動(dòng)開(kāi)啟泄洪廣播，警示下游群眾。同時(shí)程序設(shè)置5 min（可在控制界面上設(shè)置）倒計(jì)時(shí)，每隔20 s提醒一次運(yùn)行人員，計(jì)時(shí)滿5 min后，程序自動(dòng)進(jìn)行下一步操作。

閘門(mén)聯(lián)動(dòng)程序根據(jù)閘門(mén)調(diào)度方案，查表確定閘門(mén)開(kāi)啟方案，下發(fā)指令進(jìn)行提門(mén)操作。期間運(yùn)行人員可以干預(yù)終止提門(mén)預(yù)警和提門(mén)操作。

2.4 事故緊急情況下應(yīng)急提門(mén)

當(dāng)上游水位未到達(dá)緊急提門(mén)水位，發(fā)生機(jī)組跳機(jī)或線路跳閘等事故情況時(shí)，程序立即啟動(dòng)事故緊急流程。此時(shí)因線路發(fā)生跳閘，全廠廠用電消失，無(wú)法正常啟動(dòng)泄洪閘門(mén)。為解決緊急情況下，泄洪閘門(mén)的啟動(dòng)，可將柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，線路失壓信號(hào)，斷路器位置信號(hào)等接入閘門(mén)聯(lián)動(dòng)程序中，用于在判斷廠用電消失時(shí)，由閘門(mén)聯(lián)動(dòng)程序自動(dòng)下達(dá)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)帶廠用電，供給泄洪閘門(mén)電源。

3 改進(jìn)的泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)模型

泄洪閘門(mén)開(kāi)啟后，為減少閘門(mén)在短期內(nèi)的頻繁啟閉次數(shù)，延長(zhǎng)閘門(mén)使用壽命，優(yōu)化閘門(mén)啟停方案，減少棄水，提高耗水率，必須精準(zhǔn)計(jì)算上游水庫(kù)的入庫(kù)流量及本廠的出庫(kù)流量。由于東坪電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)，株溪口電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)均已接入五凌集控中心，因此通過(guò)五凌集控中心的閘門(mén)通信機(jī)將東坪電廠機(jī)組發(fā)電態(tài)、機(jī)組有功、閘門(mén)開(kāi)度、上游水位、上游水頭等信號(hào)，通過(guò)IEC104規(guī)約反送至株溪口電廠的閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器，閘門(mén)聯(lián)動(dòng)服務(wù)器結(jié)合本廠實(shí)時(shí)出力、本廠泄洪閘門(mén)開(kāi)度、水流時(shí)滯等信息確定電廠的出庫(kù)流量，最后根據(jù)未來(lái)5 min出入庫(kù)流量關(guān)系，滾動(dòng)計(jì)算泄洪閘門(mén)啟閉調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)。

圖2 改進(jìn)的泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

在閘門(mén)聯(lián)動(dòng)控制界面上設(shè)置優(yōu)化方式控制按鈕，運(yùn)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(mén)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)方案如下：

（1）如果在閘門(mén)全關(guān)情況下，當(dāng)入庫(kù)流量<出庫(kù)流量+流量閾值，則不開(kāi)閘門(mén)。

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

（3）如果閘門(mén)開(kāi)度大于開(kāi)1 m水位，當(dāng)入庫(kù)流量＜出庫(kù)流量+流量閾值，則開(kāi)0.5 m閘門(mén)；當(dāng)入庫(kù)流量≥出庫(kù)流量+流量閾值，則開(kāi)1 m閘門(mén)。

（4）如果閘門(mén)開(kāi)度低于關(guān)0.5 m水位，大于關(guān)1 m水位，當(dāng)出庫(kù)流量＜入庫(kù)流量+流量閾值，則維持閘門(mén)開(kāi)度不變；當(dāng)出庫(kù)流量≥入庫(kù)流量+流量閾值，則關(guān)0.5 m閘門(mén)。

（5）如果閘門(mén)開(kāi)度低于開(kāi)1 m水位，當(dāng)出庫(kù)流量＜入庫(kù)流量+流量閾值，則關(guān)0.5 m閘門(mén)；當(dāng)出庫(kù)流量≥入庫(kù)流量+流量閾值，則關(guān)1 m閘門(mén)。

4 閘門(mén)聯(lián)動(dòng)控制功能試驗(yàn)

2021年1月25日，在株溪口電廠部署泄洪閘門(mén)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)后，分別進(jìn)行了水位容錯(cuò)濾波試驗(yàn)，保護(hù)功能試驗(yàn)，泄洪閘門(mén)控制程序開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，泄洪閘門(mén)控制程序閉環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的泄洪閘門(mén)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)能夠按泄洪調(diào)度方案進(jìn)行閘門(mén)啟閉，在投入優(yōu)化方式后，閘門(mén)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(fù)擔(dān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的改進(jìn)泄洪閘門(mén)與水位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)引入上游電站的機(jī)組負(fù)荷、閘門(mén)開(kāi)度、機(jī)組狀態(tài)等信號(hào)，計(jì)算上游入庫(kù)流量和本電站出庫(kù)流量，從而更準(zhǔn)確的判斷未來(lái)出入庫(kù)流量關(guān)系，優(yōu)化閘門(mén)調(diào)度方案，提高了泄洪效率，減少了閘門(mén)的啟閉次數(shù)，同時(shí)也減輕了值班人員的負(fù)擔(dān)，最大化發(fā)電效益，對(duì)于國(guó)內(nèi)同類型的梯級(jí)流域電廠具有很好的借鑒意義。