靳帥 李建清

摘要：為了確保大渡河枕頭壩泄洪閘運行的穩(wěn)定性和可靠性，有效防止緊急情況下因人為判斷失誤或者操作延遲，造成下游河道斷流、水漫大壩等嚴重危及生態(tài)安全和生產(chǎn)安全的事故，大渡河枕頭壩電站設(shè)計了具有下游河道生態(tài)安全防護功能的泄洪閘應(yīng)急控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備庫區(qū)水位過高應(yīng)急提門、送出線路跳閘應(yīng)急提門、泄洪閘動力電源消失應(yīng)急送電、閘門動作應(yīng)急聯(lián)動報警等功能。結(jié)合該系統(tǒng)的特點及實際應(yīng)用情況，詳細闡明了該系統(tǒng)的作用和意義，可為同類型水電站閘門應(yīng)急控制改造提供參考。

關(guān)鍵詞：泄洪閘;應(yīng)急控制系統(tǒng);生態(tài)流量;枕頭壩水電站;大渡河

中圖法分類號：TV663文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.010

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0059 - 04

1 研究背景

低水頭、大流量、河床式水電站泄洪閘的正常運行對大壩及廠房設(shè)備的安全和下游河道的生態(tài)安全至關(guān)重要[1-2]，傳統(tǒng)的泄洪閘控制系統(tǒng)具備對各閘門的獨立控制，能根據(jù)人為操作實現(xiàn)對閘門的開啟和關(guān)閉，但在運行中存在風(fēng)險：①庫區(qū)水位超高時，運行人員監(jiān)視不到位可能引起水漫大壩的風(fēng)險;②大壩400 V動力電源消失時，若電源恢復(fù)不及時，存在大壩閘門無法操作的風(fēng)險;③送出線路跳閘導(dǎo)致機組全停時，人工操作造成延誤未能及時開啟閘門，存在下游河道生態(tài)流量中斷的風(fēng)險。

若發(fā)生上述風(fēng)險，需要人為迅速判斷是否開啟閘門，在判斷和處理的過程中，一旦耽誤時間較長，就容易錯過最佳處理時機，從而對大壩及下游河道的生態(tài)安全帶來威脅。因此，亟須設(shè)計一種應(yīng)對緊急情況的控制系統(tǒng)，能夠快速聯(lián)動閘門，及時發(fā)送預(yù)警信息，避免下游人民生命財產(chǎn)損失，保證下游河道生態(tài)流量安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計背景

枕頭壩水電站位于大渡河干流，采用堤壩式開發(fā)，電站總裝機72萬kW，多年平均發(fā)電量為32.90億 kW·h，多年平均流量為1 360 m3/s，正常蓄水位為624 m，水庫總庫容為0.469億m3，調(diào)節(jié)庫容為0.145億m3，設(shè)備操作響應(yīng)時間要求極高[3]。泄洪閘系統(tǒng)由5孔閘門組成，其運行具有以下特點：

（1）泄洪閘系統(tǒng)采用“無人值班”，可靠性要求高。自電站投運以來，采用無人值班（少人值守）的運行模式，無法實現(xiàn)人工對所有運行情況的全程監(jiān)視，需要應(yīng)急系統(tǒng)對各種異常情況自動做出應(yīng)急反應(yīng)，對系統(tǒng)的可靠性和安全性都提出了較高要求。應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計需要確保在緊急情況下能夠及時準確動作，需開展在各種特殊條件下的試驗驗證，確保在滿足動作條件時既不拒動也不誤動，在不滿足條件時不動作，保證系統(tǒng)動作可靠率為100%。需重點解決數(shù)據(jù)采集的準確性問題，數(shù)據(jù)包括閘門開度信號、庫區(qū)水位信號、線路負荷信號、大壩400 V動力電源信號等;確定不同條件下閘門應(yīng)急系統(tǒng)的投入條件;充分考慮柴油發(fā)動機的啟動條件及防誤開出措施。

（2）電站水庫容量小，庫區(qū)水位上漲快。電站可調(diào)節(jié)庫容較小，在發(fā)生緊急情況時要求系統(tǒng)能夠及時動作開啟閘門，避免庫區(qū)水位持續(xù)上漲威脅大壩安全。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算性能及回路設(shè)計的可靠性直接關(guān)系到閘門開啟指令能否成功動作于泄洪閘門。為滿足系統(tǒng)響應(yīng)的及時性，需對應(yīng)急系統(tǒng)邏輯算法和輸出回路不斷優(yōu)化設(shè)計，在原泄洪閘門控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計專用動作回路。不同流量差條件下壩前水位上漲至624 m所需時間見表1。

（3）地理位置特殊，河流生態(tài)環(huán)保管控嚴。該電站處于大渡河珍稀魚類洄游的必經(jīng)河段，需首先保證魚類安全所需的生態(tài)流量。同時，有大型企業(yè)取水口位于電站下游河道，需保證最小下泄流量，滿足企業(yè)取水需求。電站所在地為少數(shù)民族聚居區(qū)，河道日常人為活動較多，在泄洪操作前應(yīng)及時發(fā)出預(yù)警信息，避免下游群眾發(fā)生生命財產(chǎn)損失。因此，在正常履行電站發(fā)電生產(chǎn)任務(wù)的同時，對于相關(guān)的河流生態(tài)環(huán)保安全和社會影響等問題也不容忽視。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

為了確保泄洪閘運行的穩(wěn)定性、下游河道生態(tài)安全性和供電可靠性，枕頭壩水電站配置了泄洪閘應(yīng)急控制系統(tǒng)（圖1）。該設(shè)計方案實現(xiàn)以下4個目標(biāo)：①根據(jù)庫區(qū)水位實現(xiàn)緊急條件下的泄洪閘應(yīng)急控制，防止水庫水位超過警戒線水漫大壩;②實現(xiàn)全站突然甩負荷情況下自動應(yīng)急開啟泄洪閘門，保證下游生態(tài)安全;③當(dāng)大壩400 V動力電源消失時自動啟動柴油發(fā)電機，確保大壩5孔泄洪閘門動力電源供給;④當(dāng)該系統(tǒng)動作時，自動聯(lián)動啟動電站ON-CALL系統(tǒng)和泄洪報警系統(tǒng)，報告險情發(fā)出告警信號，通知下游區(qū)域人員及時撤離，從而避免發(fā)生生命財產(chǎn)損失。解決險情發(fā)生后人為發(fā)送報警延遲的問題。

3.1 系統(tǒng)組成及功能

應(yīng)急控制系統(tǒng)采集水庫水位、5孔泄洪閘開度、大壩兩段400 V母線電源及進線斷路器狀態(tài)、柴油發(fā)電機的運行情況以及送出線路功率、電流，通過以太網(wǎng)與大壩LCU進行通訊，經(jīng)過大壩LCU中轉(zhuǎn)實現(xiàn)其控制作用，同時將應(yīng)急系統(tǒng)中的信息送至監(jiān)控系統(tǒng)上位機。系統(tǒng)由2個子系統(tǒng)構(gòu)成：①大壩柴油發(fā)電機自動投入系統(tǒng)，在大壩兩段400 V母線電壓均失電時，由系統(tǒng)控制大壩柴油發(fā)電機自動啟動發(fā)電，保障大壩5孔泄洪閘的電源供給。②泄洪閘應(yīng)急控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測水庫水位，當(dāng)水庫水位達到警戒水位時發(fā)出預(yù)警信號，達到緊急動作水位自動提升泄洪閘開啟泄洪閘泄洪;在全站突然甩負荷情況下，根據(jù)所甩負荷自動開啟泄洪閘門。

在正常情況下，系統(tǒng)根據(jù)入庫流量和發(fā)電引用流量控制泄洪閘啟閉，保證上游水位和機組出力[4-5];廠用電10 kV系統(tǒng)供電至壩區(qū)變411B、412B，5孔泄洪閘的電源分別取自壩區(qū)400 V動力電源、柴油發(fā)電機做為應(yīng)急備用電源（圖2）。泄洪閘應(yīng)急控制系統(tǒng)實時監(jiān)測大壩上游水位、線路功率和電流的變化等信息，根據(jù)內(nèi)部預(yù)設(shè)邏輯，執(zhí)行相應(yīng)的開出，通過無源硬接點控制泄洪閘的緊急啟閉。還可實時監(jiān)測大壩Ⅱ段400 V母線電壓，若均失電則立即自動啟動柴油發(fā)電機向大壩400 V供電，確保大壩5孔泄洪閘的電源供給。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

（1）柴油發(fā)電機應(yīng)急自動啟動送電功能及邏輯。應(yīng)急控制系統(tǒng)檢測到大壩400 V Ⅰ段和Ⅱ段均失電時，系統(tǒng)調(diào)用枕頭壩水電站應(yīng)急電源自動投入程序，跳開大壩400 VⅠ段進線開關(guān)DB11和大壩400 VⅡ段進線開關(guān)DB12后自動啟動柴油發(fā)電機。程序判斷當(dāng)柴油發(fā)電機啟動正常（柴油發(fā)電機出口電壓正常時CF10自動合閘）后，自動合上柴油發(fā)電機出口開關(guān)CF11和大壩400 VⅠ段、Ⅱ段柴油發(fā)電機進線開關(guān)CF15、CF25 ，向大壩400 VⅠ段和Ⅱ段供電。當(dāng)大壩400 VⅠ段、Ⅱ段電源恢復(fù)后，需由運行人員手動恢復(fù)正常運行方式。

（2）泄洪閘應(yīng)急自動控制功能及控制邏輯。應(yīng)急系統(tǒng)實時監(jiān)測水庫水位，并采集當(dāng)前全站總有功、線路三相電流和各泄洪閘門開度。①當(dāng)應(yīng)急系統(tǒng)監(jiān)測的三路水庫水位中任意一路水位到達預(yù)警水位值時發(fā)出告警信號，三路水位信號中任意二路水位到達動作水位值時，根據(jù)汛期和非汛期方式的選擇，自動提升泄洪閘門至相應(yīng)開度泄洪。②當(dāng)應(yīng)急系統(tǒng)監(jiān)測到線路負荷（直采）在2 s內(nèi)由60 MW以上突變到20 MW以下、線路三相電流小于20 A且另一路線路負荷（監(jiān)控通訊）也在2 s內(nèi)由60 MW以上突變到20 MW以下時，根據(jù)汛期和非汛期方式選擇，按所甩負荷自動計算并開啟泄洪閘門至相應(yīng)開度泄洪。

應(yīng)急控制系統(tǒng)若啟動應(yīng)急流程，在汛期，系統(tǒng)將應(yīng)急提門總開度平均分配給狀態(tài)正常的閘門;在非汛期，系統(tǒng)將應(yīng)急提門開度分配給狀態(tài)最優(yōu)的一扇閘門。

4 系統(tǒng)設(shè)計特點

4.1 構(gòu)建可靠性高、自動化程度高的控制系統(tǒng)

（1）構(gòu)建一套動作可靠性高的控制系統(tǒng)。設(shè)計了水位自動檢測系統(tǒng)，通過構(gòu)建庫水位測值特征庫及閾值，與電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機通過通訊方式讀取的相關(guān)水位數(shù)據(jù)一起作為輔助判據(jù)，采用“三取二”+輔助判據(jù)的方式作為庫水位異常動作依據(jù)。通過采集線路功率/三相電流，采用互為判據(jù)的方式作為電站功率異?；蛱l動作判據(jù)，提高了動作的可靠性。通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式直接控制泄洪閘閘門，由硬接線方式作為輔助控制方式，極大提高了對設(shè)備控制的可靠性。

（2）構(gòu)建一套自動化程度高的控制系統(tǒng)。通過PLC對輸入量進行組態(tài)邏輯判斷，準確識別相應(yīng)的故障或異常運行情況，通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式直接對相應(yīng)的泄洪閘閘門進行控制，極大提高了該系統(tǒng)的自動化程度。該自動控制系統(tǒng)快速響應(yīng)，能有效防止人為判斷失誤或操作延遲，造成下游河道斷流、水漫大壩等嚴重危及生態(tài)安全的事故發(fā)生。同時，可設(shè)定庫水位下降到預(yù)設(shè)閾值時泄洪閘門自動落門，避免水庫水位過低造成水工建筑物異常運行情況。

（3）具有壩區(qū)柴油發(fā)電機應(yīng)急自動啟動功能。由系統(tǒng)自動檢測大壩泄洪閘門動力電源母線運行情況，發(fā)現(xiàn)異常時，系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)急電源自動投入程序，自動啟動壩區(qū)柴油發(fā)電機，并通過自動控制流程，斷開前端供電電源開關(guān)，自動將柴油發(fā)電機投入使用，為壩區(qū)電源母線供電，保證壩區(qū)供電電源的可靠性。

4.2 構(gòu)建攔河壩下游河道生態(tài)保護圈解決方案

（1）建設(shè)水位自動檢測系統(tǒng)，通過構(gòu)建庫水位測值特征庫及閾值，與電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機通過通訊方式讀取的相關(guān)水位數(shù)據(jù)一起作為輔助判據(jù)，作為泄洪閘調(diào)整的動作依據(jù)。通過建立線路/機組負荷特征庫，將泄洪閘門溢流曲線/機組N-H-Q曲線與電站負荷突變量進行關(guān)聯(lián)匹配，自動提落泄洪閘閘門。

（2）收集下游生態(tài)流量要求，將相關(guān)參數(shù)寫入控制程序，自動啟閉泄洪閘閘門，有效避免枯水期機組異常跳閘或線路跳閘造成下游河道斷流對下游生態(tài)圈的影響，保證了下游河道生態(tài)流量，與電站魚道系統(tǒng)形成配合，為河道內(nèi)野生魚類繁殖提供了良好的生態(tài)圈。

4.3 實現(xiàn)緊急情況的聯(lián)動報警功能

險情發(fā)生后人為發(fā)送報警延遲的問題得到解決。當(dāng)該系統(tǒng)動作時，自動聯(lián)動啟動電站ON-CALL系統(tǒng)和泄洪報警系統(tǒng)，報告險情發(fā)出告警信號，及時通知下游區(qū)域人員撤離，避免發(fā)生生命財產(chǎn)損失。

5 泄洪閘應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)用情況

5.1 提高應(yīng)急響應(yīng)速度

泄洪閘控制系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)時間大大縮短，提高了閘門應(yīng)急啟動速度，對大壩安全運行和下游河道生態(tài)安全防護具有重要意義。系統(tǒng)投運前后相關(guān)動作時間對比如表2所示。

5.2 提升動作正確性

按照不同的工況條件，設(shè)置對應(yīng)動作方案，以達到設(shè)計方案的要求，實現(xiàn)正確動作。系統(tǒng)動作邏輯見表3。

系統(tǒng)在投運以來，及時可靠準確動作10余次，動作成功率100%，成功避免了下游河道生態(tài)環(huán)保事件和水漫大壩險情的發(fā)生，有效保障了生態(tài)流量及大壩安全，為下游河道生態(tài)環(huán)保及電站下游群眾生命財產(chǎn)安全提供了可靠保障。

5.3 保障下游河道生態(tài)和安全

系統(tǒng)投入使用后，在發(fā)生全廠失電、閘門全關(guān)的緊急情況下，確保了下游河道生態(tài)流量的安全供給，為大渡河珍稀魚類洄游提供了有利生態(tài)條件。從根本上避免了下游大型重點企業(yè)及沿岸居民生活用水發(fā)生斷流的風(fēng)險，保障了企地和諧。泄洪預(yù)警信息的緊急自動播送，有效保障了河道附近人員的活動安全，社會效益顯著。系統(tǒng)投入實際應(yīng)用后，枕頭壩電站大壩上游年平均運行水位抬高了0.8 m，機組運行耗水率降低0.12 m3/（kW·h），每年平均可增加發(fā)電量3 024萬kW·h。

6 結(jié) 語

在水電站運行中，具有下游河道生態(tài)保護和安全防護功能的泄洪閘門應(yīng)急控制系統(tǒng)設(shè)計方案，可為水電站正常運行提供一套穩(wěn)定可靠、自動化程度高的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了應(yīng)急電源的自動啟動控制，建立了庫水位智能測報及聯(lián)動控制系統(tǒng)，配合電站魚道系統(tǒng)形成了良好的生態(tài)圈，無需在險情發(fā)生后由人為發(fā)送報警。該系統(tǒng)為電廠的安全生產(chǎn)、效益提升起到了較大促進作用，推動了大型流域水電站泄洪系統(tǒng)的安全運行和水工建筑物控制系統(tǒng)的技術(shù)進步，提升了水電企業(yè)的應(yīng)急管理水平，可為同類型水電站河道生態(tài)安全管控和應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

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（編輯：李 慧）

Design and application of emergency control system for floodgate of Zhentouba Hydropower Station

JIN Shuai，LI Jianqing

（CHN Energy Dadu River Zhentouoba Power Generation Co.， Ltd.， Leshan 614700， China）

Abstract：To ensure the stability and reliability of the floodgate operation of Zhentouba Hydropower Station on the Dadu River and effectively prevent emergency or delayed operation that leads to river cutoff and dam overflow endangering ecological safety， the floodgate control system was designed with river ecological safety protection. The system has functions of emergency gate lift in case of extra high reservoir level and tripping out， emergency power transmission in case of floodgate power failure and emergency floodgate joint operation and warning. Combining with the characteristics of the system and practical application， the function and significance of the system are expounded in detail， which can provide reference for modification of emergency control gate of hydropower stations.

Key words：floodgate; emergency control system;ecological flow;Zhentouba Hydropower Station; Dadu River