泄洪闸门与动态负荷及水位自动联动研究应用

陈曙东，曾自怡，付龙海

（五凌电力有限公司发电集控中心，湖南 长沙410004）

0 引言

五凌电力有限公司（简称：五凌公司）成立于1995年，先后在沅水流域建成五强溪、凌津滩、洪江、碗米坡、三板溪、挂治、白市和托口8座水电站，在湘江有近尾洲，资江有东坪、株溪口、马迹塘水电站，总装机容量666.41万kW。五凌公司积极探索流域梯级电站远程集控工作，2006年开始对沅水梯级电站实行统一调度管理，2010年3月成立发电集控中心，至2014年底五凌集控控制电厂达到12个，受控机组54台，受控容量466万kW，是国内实际控制电厂和机组台数最多的集控中心。五凌集控积极开展远程集控模式下的低水头电厂泄洪闸门与动态负荷及水位自动联动功能研究，在资江流域东坪、株溪口、马迹塘三级电厂试点并成功应用，效果良好。

1 项目背景

东坪水电厂位于湖南益阳市安化县城资水干流上游，株溪口水电厂位于湖南益阳市安化县境内资水干流中游，马迹塘水电站位于湖南益阳市桃江县资水干流下游，三厂属于同一流域梯级电厂，水力关系紧密，且已全部接入五凌集控运行，采用“无人值班、少人值守”模式，由集控中心区域值长负责设备的日常监视和操作，电厂侧仅留有少量值守人员，夜间关门运行。三厂均为贯流式机组、水头低、库容小，根据2011～2015年统计，年平均开闸弃水天数为112 d，年平均开闸门弃水时间约为2 205 h。弃水期间，为争取最大的发电量，通过人为频繁进行闸门调整控制水位。在此期间，平均约30 min需对闸门进行一次人为调整，平均每年调整次数达4 500次。尤其是当上游来水过大，或发生线路跳闸、机组甩负荷等情况时，电厂下泄流量小于来水量，将导致大坝水位迅速上涨，如果不能及时开闸泄洪，将会出现水漫大坝，水淹厂房的风险。在汛期，由于闸门的频繁开启，使电厂晚班值守人员相当疲劳，增大了工作失误的风险，同时增加了集控中心区域值长监控的压力。

因此，有必要根据上游来水情况、机组运行状况等参数，当水库水位过高或上涨过快时，自动开启闸门泄洪，减轻值班人员的工作压力，确保电厂大坝及设备的安全运行。同时，采用程序自动计算代替人工计算生成闸门调度方案，可以提高闸门调度精度，减少弃水、减小耗水率、提高发电效益。

2 集控中心与电厂闸门联动系统部署

2.1 电厂侧闸门联动系统部署

在电厂计算机监控系统网络上部署闸门联动应用服务器和应急功能软件，实时监测上游水位变化，实现水库紧急水位情况下的闸门自动启闭。电厂计算机监控系统与闸门控制系统为同一厂商的，应将闸门控制系统以LCU方式接入计算机监控系统，若为不同厂商的，两系统必须搭建通信规约为IEC 60870-5-104的通信接口，实现“四遥”通信。

2.2 集控侧闸门联动系统部署

在集控中心计算机监控系统网络上部署闸门联动应用服务器和泄洪闸门与动态负荷及水位自动联动软件，采集水调系统内雨水情、气象信息、上游水位、上游泄洪流量等信息综合计算，自动生成闸门中长期调度方案，通过集控中心与电厂专线通信网络下达至电厂闸门控制系统（图1）。

图1 闸门联动系统部署示意图

3 电厂闸门联动功能设计

3.1 正常情况下，水位过高自动提门

上游水位是闸门启闭的唯一条件，水位信号的准确性、稳定性至关重要。建设3个不同测量原理的水位计，单个水位信号经容错滤波处理后取10 s内的平均值作为有效水位值，再经3取2计算作为程序计算水位。同时设置水位计之间偏差过大告警并自动退程序功能，有效地确保水位信号的准确、无误。电厂侧实时监视水库水位，设置警戒水位，当水位达到警戒水位时，程序发出告警信息自动联动泄洪警报系统（按电厂闸门调度规程提前30 min），警示上下游泄洪区域人员撤离，在计算机监控系统上位机告警提示运行人员。当达到提门水位时，程序下发指令进行提门操作，期间运行人员可以干预终止预警、终止提门操作。

3.2 事故紧急情况下，应急提门

系统实时监测水库水位、机组发电工况、泄洪闸门开度和断路器位置及其他保护等信号，同时综合考虑机组甩负荷、全厂失电、下游供水流量低等特殊情况，当达到预设的动作条件时自动生成闸门调度方案并启动紧急泄洪流程和声光告警，防止水库水位超过警戒线，发生水漫大坝或是不能及时向下游供水造成下游断流的事件。

当发生机组甩负荷等事故情况时，回流导致上游水位波动，程序能够缓存30 s的历史水位，即取甩负荷前30 s的水位值作为程序计算水位。

线路跳闸等事故情况下会造成全厂失电，待黑启动后恢复厂用电可能已水漫大坝，因此设置柴油发电机自动启动功能，系统采集母线电压、进线开关及联络开关等位置信号，当检测母线失压后，系统发信号自动启动柴油发电机，保证泄洪闸门系统的电源供给。

3.3 闸门精细化调节

正常情况水位过高自动提门和事故情况下的应急提门有效地保障了大坝运行安全，为提高电厂经济运行，系统设置精细化调节功能，结合水库来水及机组负荷信息，提高水库运行水位在安全范围内。同时在保证电厂安全的前提下，尽量减少闸门启闭次数，延长闸门使用寿命。

4 集控中心闸门中长期调度功能设计

在集控侧闸门应用服务器布置程序，结合流域天气预报、预测降雨量、上游水库泄洪闸门运行方式、上游水库滚动发电计划值等确定本水库水位变化，包括本水库预测降雨值、入库水量、发电运行方式等数据，自动计算出泄洪闸门24 h参考调度方案，方案可随时间和数据变化自动修正，并经人工确认或修改后下发执行。

4.1 闸门启闭计划制定

闸门启闭计划原则：水库水位维持在安全的高水位，以当前时段电厂所处状态为决策前提，结合来水预报信息、既定负荷曲线，以电厂发电效益最大化为目标，遵守水库调度规程，制定24 h闸门启闭计划。同时根据滚动更新变化的来水信息，按不同时长（1 h、30 min、15 min等）对启停计划滚动调整，自动生成闸门启闭方案。在方案生成之后，可对方案按照闭环、开环两种方式，在集控模式下直接下发到电厂执行。

4.2 闸门启闭实施方案

系统以当前时段所处状态为前提条件，与集控侧水情水调通信获得未来24 h内上游电厂的出库流量、以及经区间降雨产流计算得到的区间流量（若水情系统里存在24 h计算时段入库流量，也可直接采用），以水量平衡方程为基础，以24 h电厂控制水位为边界条件，以15 min为间隔制定闸门启闭计划。

4.3 闸门启闭同时段计算步骤

（1）判断当前水位是否达到提门水位，是否达到第1次开启闸门的条件，若未达到，转步骤（2），否则转步骤（3）。

（2）按照来水及负荷情况，推算出出库流量及库容变化，判断时段末水位是否达到开启闸门条件，若未达到，则直接转入下一时段计算。否则，该时段需开启闸门，以时段末水位为提门水位计算条件，反推出库流量及闸门出库流量，计算闸门开启高度。

（3）从计算机监控系统内读取机组负荷、上游水位等参数，假定闸门开度不变，推算机组发电流量：

Qele=N×1 000/9.5/（H-0.4）；N代表时段内负荷，H代表时段上游水头。

（4）从监控系统读取当前闸门开度，计算闸门出库流量Qwas=H弧×90。

（5）将（1）和（2）步骤得到的发电流量和闸门出库流量相加得到总出库流量Qout。

（6）采用水情系统中通信得到的入库流量Qin，利用水量平衡方程推算时段末水位， VT=V0+（Qin-Qout）×T×60/10 000，其中T代表时段分钟数。

（7）判断计算得到的时段末水位Zt与提门水位Z0max、落门水位（Z0min）二者关系。

①若 Zt在（Z0min，Z0max）之间，则可保持当前开度不变。

②若Zt＞Z0max，则需增大闸门开度，根据水量平衡方程计算出库水量Qout,减去发电用水(此时需要注意：发电流量计算时，上游水位是采用上游平均水位还是采用时段初的上游水位计算，闸门开度变化时，上游水位也会跟着变化，继而影响发电水头和发电流量，是否需要迭代)，即可得到闸门出库流量，进而计算闸门开度H弧=Q/90，反推出时段末水位，查表得到闸门开启数量和大小，实现闸门时段内的精细化操作；

③若Zt＜Z0min，则需减少闸门开度，控制时段末水位为Z0min，根据水量平衡方程计算出库水量Qout，减去发电用水（同②），即可得到闸门出库流量，进而计算闸门开度H弧=Q/90，得到闸门开启高度，反推出时段末水位，查表得到闸门开启数量和大小，实现闸门时段内的精细化操作，此时若来水较小而负荷较大，则会存在时段末水位为Z0min，闸门出库流量为负的情形，此时需优先满足发电负荷，按闸门开度为0推算时段末水位，同时判断时段末水位需满足水库正常运行水位的要求。

（6）进行逐时段递推计算得到24 h内的闸门启闭计划。

5 安全策略

水电厂上、下游区域不可避免地存在捕鱼、放木、游玩和其他作业等人为活动，泄洪闸门的自动启闭会直接影响电厂上下游区域人、财、物等方面的安全，因此必须采用多种技术手段确保泄洪区域安全。

（1）泄洪区域安装全天候无死角工业电视摄像头，值班人员远程“遥视”监控，在大坝上下游禁区安装红外线对射系统，人、船、物等违禁闯入自动告警。

（2）程序执行闸门调度方案开启闸门前，应能自动联动泄洪闸门声光告警，并启动泄洪广播，警示下游群众。

（3）程序应能及时将紧急泄洪流程启动的相关告警信息在监控系统中给出实时报警，并通过手机短信（oncall）发送至指定人员，电厂应安排专人提前赶到现场检查核实，发现异常情况及时处理。

（4）紧急泄洪流程启动后，电厂侧、集控侧可随时终止执行流程。

（5）多功能模式技术，程序功能设置开环/闭环模式，在开环模式下，程序计算调度方案但不执行，闭环模式下，程序计算调度方案并自动执行。

（6）泄洪闸门监控系统必须配备UPS电源，电厂应具备全厂失电时柴油发电机的自动启动功能，确保泄洪闸门的可靠性。

（7）电厂应在大坝上游安装多个不同测量原理的水位计，多冗余水位计容错滤波处理策略，采用容错滤波、计算平均值和3取2多种逻辑判断方式，确保水位信号的稳定性和准确性（水位计的选址至关重要）。

（8）多系统自动协联机制，建议直接将泄洪闸门控制系统以LCU方式接入电厂计算机监控系统，减少通信接口，若必须以IEC 60870-5-104通信规约通信的，各环节通信通道设置故障报警。

（9）方案须严格执行电厂闸门调度规程。

6 结语

五凌公司在国内率先开展泄洪闸门与动态负荷及水位自动联动功能研究，并在东坪、株溪口、马迹塘电厂成果应用，国内首次实现闸门全过程自动控制。系统功能的投入可确保不发生漫门、漫坝事故，有效避免无效弃水，提高水能利用率，同时大大减轻现场劳动强度，真正意义上实现电厂夜间关门运行，充分适应“远程集控，无人值班”的要求，值得在全国同类型低水头电厂全面推广。