监控系统应急补水程序优化探讨研究

2020-08-04刘邓

水电站机电技术 2020年7期

刘邓

（中国长江电力股份有限公司三峡梯调昆明调控中心调控部，云南昆明650000）

0 引言

目前国内各大型水电站的工程开发任务除发电以外，同时还要兼顾航运、防洪、生态等方面的安全。水电站在运行调度过程中，可能会出现事故停机、安控切机等紧急情况，将对水电站上、下游的航运、生态等产生安全风险。在运行调度上主要表现为水位、流量越上、下限，水位小时变幅、日变幅越限等方面，因此需要运行调度人员能及时、准确、安全地开启或者关闭泄水设施，控制下泄流量。此时，智能化、友好化的应急补水程序将起到极大的助力作用，能帮助运行调度人员更快、更好地开展应急补水任务，保护水电站上、下游的安全。

向家坝水电站是目前中国已建成的第三大水电站，装机容量仅次于三峡、溪洛渡水电站。其地理位置较为典型，下游距离云南水富县城仅1.5 km，距离水富港码头仅2.5 km，水位、流量约束条件较多，因此本文将以向家坝水电站为原型，围绕如何设计更加智能化、友好化的应急补水程序进行探讨研究。

1 应急补水程序优化实现原理

本文对应急补水程序的优化主要秉承在保证安全的前提下，达到闸门操作次数最少，避开水位变幅限值等约束条件，实现弃水量最小及水资源利用最大化的原则。

1.1 安全校核，精准判断各种补水情形

判断是否需要补水的重要依据就是判断水位、流量及水位变幅是否即将或已越过限值。由于水位与流量存在对应关系，为减少计算量，故选择水位及水位变幅来判断是否需要补水。在选择水位值时，需注意水的传输延时及测量工具误差等因素，会导致测量水位值滞后于实际水位值，若选择测量水位值进行计算，会对补水的及时性产生一定的影响，故选择实际水位值。实际水位值可利用水位-流量关系曲线[1]，通过计算实际出库流量值来得到实际水位值，再与水位限值进行比较，便可判断水位是否越限。水位变幅值是滚动计算1 h内，水位变化的最大幅值。通过计算实际水位值与当前时刻前1 h内最大测量水位值的差值与水位变幅限值进行比较，便可判断水位变幅是否越限。

（1）设实际出库流量值QS、发电流量值QF、闸门泄水流量值QZ、发电出力N、耗水率β。计算公式如下：

根据闸门的水位-开度泄流曲线即可得出相应开度对应的闸门泄水流量值QZ。

（2）设实际水位值HS、水位下限值HX1、水位上限值HX2、阈值Δh。判断水位是否越限的公式如下：

根据下游水位-流量关系曲线即可得出实际出库流量值QS对应的实际水位值HS。若公式1成立，则应急补水程序应立即报警，并提示需补水。若公式2成立，则应急补水程序应立即报警，并提示需减少出库流量。Δh可由值班人员根据需要手动设值。

（3）设当前时刻前1 h内最大测量水位值HMAX、水位变幅限值h、变幅系数α。判断水位变幅是否越限的公式如下：

若公式3成立，则应急补水程序应立即报警，并提示需补水。若公式4成立，则应急补水程序应立即报警，并提示需减少出库流量。变幅系数α在0.5～1之间设置，可由值班人员根据需要手动调节。

应急补水程序以5 s为周期不断循环计算，只要公式1～4中任意一个公式成立，就立即报警提示。若连续5个周期内计算的结果一致，则程序自动关闭报警提示音，值班人员也可手动关闭报警提示音。

1.2 合理计算补水流量，减少弃水损失

水位越限时，若能迅速增加发电负荷，便可减少闸门的泄水流量，从而减少弃水，故应急补水程序在自动计算补水流量时，应考虑到电站机组旋转备用容量的利用，提供利用旋转备用和不利用旋转备用两种补水方案。旋转备用容量由程序根据电站运行情况自动计算，同时也可由值班人员手动修改，在值班人员手动修改后，程序应立即重新计算补水方案。若越限前下游水位较高，在满足安全运行的条件下，闸门补水应采用“欠补”的策略。若越限前下游水位在下限水位附近，在满足安全运行的条件下，应采用“满补”的策略。“欠补”就是在满足各种约束条件下，尽可能减少闸门泄水，“满补”就是把突然损失的出库流量均通过机组发电或闸门泄水补足。

（1）若仅公式1成立，令HS对应的流量为Q11，HX1+Δh对应的流量为Q12，增加的发电负荷NB，发电补水流量QFB，则程序计算出的闸门补水流量QB1应为（通过下游水位-流量曲线可得出相应水位对应的流量值）：

（2）若仅公式3成立，令HS对应的流量为Q11，HMAX-α×h对应的流量为Q21，增加的发电负荷NB，发电补水流量QFB，则程序计算出的闸门补水流量QB2应为：

（3）若公式1、3均成立，则程序计算出的闸门补水流量取QB1与QB2中较大者。

（4）若仅公式2成立，令HS对应的流量为Q11，HX2-Δh对应的流量为Q22，闸门实际泄水流量QZS，则程序计算出的减少出库流量QC1应为：

此时应优先考虑减少闸门的泄水流量，若闸门的泄水流量不足时，再减少发电流量。即当QZS≥QC1时，仅需将闸门流量减少QC1即可；当QZS≤QC1时，应先将闸门全关，再减少发电负荷NJ=（QC1-QZS）÷β。

（5）若仅公式4成立，令HS对应的流量为Q11，HMAX+α×h对应的流量为Q23，闸门实际泄水流量QZS，则程序计算出的减少出库流量QC2应为：

此时应优先考虑减少闸门的泄水流量，若闸门的泄水流量不足时，再减少发电流量。即当QZS≥QC2时，仅需将闸门流量减少QC2即可；当QZS≤QC2时，应先将闸门全关，再减少发电负荷NJ=（QC2-QZS）÷β。

（6）若公式2、4均成立，则程序计算出的减少出库流量取QC1与QC2中较大者。

1.3 优化闸门组合方案，提升闸门操作效率

应急补水程序在制作闸门启闭方案前，应先根据水库水位及闸门运行条件，选择相应闸门，并自动提取电站当前闸门的状态及其开度值。对处于检修或禁用状态的闸门应不纳入计算，同时值班人员也可手动设定闸门是否参与补水及闸门启闭的优先级。若当前电站已有闸门处于泄水状态且泄水量未达到该闸门的安全泄水最大值时，应优先考虑使用该闸门进行补水。为保障补水的及时性及减少故障发生的可能性，在保证闸门安全的前提下，应尽量减少闸门的操作数量，闸门的组合应遵循对称、分序、分级、均匀开启的原则[2]。

以向家坝的泄水设施为例（左消力池对应1～6号表孔和1～5号中孔，右消力池对应7～12号表孔和6～10号中孔[3]），令表孔的最大安全泄水流量为QMAX1，中孔的最大安全泄水流量QMAX2，所有对称表孔全开的总最大安全泄水流量为QMAXB，所有对称中孔全开的总最大安全泄水流量为QMAXZ，闸门计算需补水量为QJB。按照优先级及对称均匀启闭的原则，先开启左池对称的表孔、后开启右池对称表孔，当可用的对称表孔全开启后仍无法满足下泄流量需求时，再依次开启左池对称中孔、右池对称中孔参与泄水。若仍无法满足，则依次开启表孔和中孔剩余无法成对开启的闸门。具体闸门启闭组合原则如下：

（1）当前无闸门参与泄水或参与泄水的闸门已达安全泄水最大值。若QJB≤2QMAX1，则将两扇对称表孔均匀开启，每扇泄流QJB/2。若2QMAX1≤QJB≤4QMAX1，则 4扇对称表孔均匀开启，每扇泄流QJB/4。根据闸门计算需补水量QJB的大小依次如是分配，直至所有对称表孔按最大安全泄流开启后仍无法满足时，则开启中孔泄水。若QJBQMAXB≤2QMAX2，则将两扇对称中孔均匀开启，每扇泄流（QJB-QMAXB）/2。若 2QMAX2≤QJB-QMAXB≤4QMAX2，则4扇对称中孔均匀开启，每扇泄流（QJB-QMAXB）/4。依次如是开启，直至所有对称表孔和中孔均按最大安全泄流开启后仍无法满足时，则将剩余的表孔和中孔依次按最大安全泄流开启。

（2）假设当前有n对表孔参与泄水，每扇表孔泄水量QBD小于表孔的最大安全泄水流量QMAX1。若QJB≤2×n×（QMAX1-QBD），则将n对对称表孔均匀增加开度，每扇泄流增加QJB/2n。若2×n×（QMAX1-QBD）≤QJB≤2×n×（QMAX1-QBD）+2QMAX1，则优先增加已在泄水的表孔开度，使其以最大安全流量泄水，保证补水的及时性，再开启两扇表孔泄水，每扇泄水流量为（QJB/2）-n×（QMAX1-QBD）。根据闸门计算需补水量QJB的大小，按照已泄水表孔、新开对称表孔、新开对称中孔、新开单扇表孔、新开单扇中孔的顺序依次如是分配，直至所有表孔、中孔均按最大安全泄流量参与泄水为止。若当前既有表孔，也有中孔参与泄水时，开启原则同上类似。

闸门启闭方案制作完成后，程序应自动弹出方案供值班人员审核。同时在界面上应显示补水前、补水后的水位流量、水位变幅、电站的实时出力、旋转备用容量、以及建议的发电出力改变值等数据。值班人员可对建议的发电出力改变值、可用闸门、闸门启闭优先级以及水位、流量约束限值等进行修改，在改变其中任意数据后，程序应立即重新计算补水方案。值班人员审核方案通过后，程序自动执行启闭闸门操作。启门顺序按左池表孔、右池表孔、左池中孔、右池中孔4个组合，分批次启动，同一批次内的闸门同时操作，每批次启动的时间间隔约10 s。闭门按上述相反的顺序执行。若在执行启闭门的过程中遇到故障，闸门无法启闭成功时，程序应立即发出报警警示，并按照闸门启闭优先级的原则重新计算方案供值班人员审核后执行。