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(qiáng)溪、凌津?yàn)⒑榻?、碗米坡、三板溪、掛治、白市和托?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(jī)容量666.41萬kW。五凌公司積極探索流域梯級電站遠(yuǎn)程集控工作，2006年開始對沅水梯級電站實(shí)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(dá)到12個(gè)，受控機(jī)組54臺，受控容量466萬kW，是國內(nèi)實(shí)際控制電廠和機(jī)組臺數(shù)最多的集控中心。五凌集控積極開展遠(yuǎn)程集控模式下的低水頭電廠泄洪閘門與動態(tài)負(fù)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(diǎn)并成功應(yīng)用，效果良好。

1 項(xiàng)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(yùn)行，采用“無人值班、少人值守”模式，由集控中心區(qū)域值長負(fù)責(zé)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(yùn)行。三廠均為貫流式機(jī)組、水頭低、庫容小，根據(jù)2011～2015年統(tǒng)計(jì)，年平均開閘棄水天數(shù)為112 d，年平均開閘門棄水時(shí)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(jìn)行閘門調(diào)整控制水位。在此期間，平均約30 min需對閘門進(jìn)行一次人為調(diào)整，平均每年調(diào)整次數(shù)達(dá)4 500次。尤其是當(dāng)上游來水過大，或發(fā)生線路跳閘、機(jī)組甩負(fù)荷等情況時(shí)，電廠下泄流量小于來水量，將導(dǎo)致大壩水位迅速上漲，如果不能及時(shí)開閘泄洪，將會出現(xiàn)水漫大壩，水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)。在汛期，由于閘門的頻繁開啟，使電廠晚班值守人員相當(dāng)疲勞，增大了工作失誤的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)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(jī)組運(yùn)行狀況等參數(shù)，當(dāng)水庫水位過高或上漲過快時(shí)，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(yùn)行。同時(shí)，采用程序自動計(jì)算代替人工計(jì)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上部署閘門聯(lián)動應(yīng)用服務(wù)器和應(yīng)急功能軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測上游水位變化，實(shí)現(xiàn)水庫緊急水位情況下的閘門自動啟閉。電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與閘門控制系統(tǒng)為同一廠商的，應(yīng)將閘門控制系統(tǒng)以LCU方式接入計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上部署閘門聯(lián)動應(yīng)用服務(wù)器和泄洪閘門與動態(tài)負(fù)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(jì)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(luò)下達(dá)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(jì)

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(zhǔn)確性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。建設(shè)3個(gè)不同測量原理的水位計(jì)，單個(gè)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(jì)算作為程序計(jì)算水位。同時(shí)設(shè)置水位計(jì)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(zhǔn)確、無誤。電廠側(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)視水庫水位，設(shè)置警戒水位，當(dāng)水位達(dá)到警戒水位時(shí)，程序發(fā)出告警信息自動聯(lián)動泄洪警報(bào)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)告警提示運(yùn)行人員。當(dāng)達(dá)到提門水位時(shí)，程序下發(fā)指令進(jìn)行提門操作，期間運(yùn)行人員可以干預(yù)終止預(yù)警、終止提門操作。

3.2 事故緊急情況下，應(yīng)急提門

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測水庫水位、機(jī)組發(fā)電工況、泄洪閘門開度和斷路器位置及其他保護(hù)等信號，同時(shí)綜合考慮機(jī)組甩負(fù)荷、全廠失電、下游供水流量低等特殊情況，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的動作條件時(shí)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(shí)向下游供水造成下游斷流的事件。

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，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。

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

3.3 閘門精細(xì)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(yīng)急提門有效地保障了大壩運(yùn)行安全，為提高電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置精細(xì)化調(diào)節(jié)功能，結(jié)合水庫來水及機(jī)組負(fù)荷信息，提高水庫運(yùn)行水位在安全范圍內(nèi)。同時(shí)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(jì)

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

4.1 閘門啟閉計(jì)劃制定

閘門啟閉計(jì)劃原則：水庫水位維持在安全的高水位，以當(dāng)前時(shí)段電廠所處狀態(tài)為決策前提，結(jié)合來水預(yù)報(bào)信息、既定負(fù)荷曲線，以電廠發(fā)電效益最大化為目標(biāo)，遵守水庫調(diào)度規(guī)程，制定24 h閘門啟閉計(jì)劃。同時(shí)根據(jù)滾動更新變化的來水信息，按不同時(shí)長（1 h、30 min、15 min等）對啟停計(jì)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(shí)施方案

系統(tǒng)以當(dāng)前時(shí)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(jì)算得到的區(qū)間流量（若水情系統(tǒng)里存在24 h計(jì)算時(shí)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(jì)劃。

4.3 閘門啟閉同時(shí)段計(jì)算步驟

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

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

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

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

（4）從監(jiān)控系統(tǒng)讀取當(dāng)前閘門開度，計(jì)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(shí)段末水位， VT=V0+（Qin-Qout）×T×60/10 000，其中T代表時(shí)段分鐘數(shù)。

（7）判斷計(jì)算得到的時(shí)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(dāng)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(jì)算出庫水量Qout,減去發(fā)電用水(此時(shí)需要注意：發(fā)電流量計(jì)算時(shí)，上游水位是采用上游平均水位還是采用時(shí)段初的上游水位計(jì)算，閘門開度變化時(shí)，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(jìn)而計(jì)算閘門開度H弧=Q/90，反推出時(shí)段末水位，查表得到閘門開啟數(shù)量和大小，實(shí)現(xiàn)閘門時(shí)段內(nèi)的精細(xì)化操作；

③若Zt＜Z0min，則需減少閘門開度，控制時(shí)段末水位為Z0min，根據(jù)水量平衡方程計(jì)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(jìn)而計(jì)算閘門開度H弧=Q/90，得到閘門開啟高度，反推出時(shí)段末水位，查表得到閘門開啟數(shù)量和大小，實(shí)現(xiàn)閘門時(shí)段內(nèi)的精細(xì)化操作，此時(shí)若來水較小而負(fù)荷較大，則會存在時(shí)段末水位為Z0min，閘門出庫流量為負(fù)的情形，此時(shí)需優(yōu)先滿足發(fā)電負(fù)荷，按閘門開度為0推算時(shí)段末水位，同時(shí)判斷時(shí)段末水位需滿足水庫正常運(yùn)行水位的要求。

（6）進(jìn)行逐時(shí)段遞推計(jì)算得到24 h內(nèi)的閘門啟閉計(jì)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(cái)、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(yuǎn)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(yīng)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(yīng)能及時(shí)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(shí)時(shí)報(bào)警，并通過手機(jī)短信（oncall）發(fā)送至指定人員，電廠應(yīng)安排專人提前趕到現(xiàn)場檢查核實(shí)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)處理。

（4）緊急泄洪流程啟動后，電廠側(cè)、集控側(cè)可隨時(shí)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(jì)算調(diào)度方案但不執(zhí)行，閉環(huán)模式下，程序計(jì)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(yīng)具備全廠失電時(shí)柴油發(fā)電機(jī)的自動啟動功能，確保泄洪閘門的可靠性。

（7）電廠應(yīng)在大壩上游安裝多個(gè)不同測量原理的水位計(jì)，多冗余水位計(jì)容錯濾波處理策略，采用容錯濾波、計(jì)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(zhǔn)確性（水位計(jì)的選址至關(guān)重要）。

（8）多系統(tǒng)自動協(xié)聯(lián)機(jī)制，建議直接將泄洪閘門控制系統(tǒng)以LCU方式接入電廠計(jì)算機(jī)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(bào)警。

（9）方案須嚴(yán)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(fù)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(yīng)用，國內(nèi)首次實(shí)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(shí)大大減輕現(xiàn)場勞動強(qiáng)度，真正意義上實(shí)現(xiàn)電廠夜間關(guān)門運(yùn)行，充分適應(yīng)“遠(yuǎn)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。