一种改进的泄洪闸门与负荷及水位联动控制系统

吴 辉，谌斐鸣，陈曙东

（五凌电力有限公司，湖南 长沙 410000）

1 引言

株溪口水电厂位于资水干流中游，距离柘溪电厂约24 km，上距东坪电厂约14 km，是一座以发电为主兼有航运等综合利用的水电工程。电厂装有4台单机容量为18.5 MW灯泡贯流式机组，总容量7.4万kW，多年平均发电量2.83亿kW·h，并已接入五凌集控中心，实现“无人值班，少人值守”。随着柘溪电厂的扩机，株溪口电厂总出库流量不能消纳柘溪电厂满发流量，并且株溪口电厂水库库容小，水位变化大，泄洪反应时间短，在机组或线路发生事故导致机组甩负荷时，水位上涨迅速，必须紧急人工开启闸门泄洪，否则将发生水漫大坝的风险。同时株溪口电厂年均开闸天数达110 d，年均开闸弃水时间约为2 200 h，年均开闸次数约4 500次。由于闸门频繁启闭，运行人员值班压力大，增大了闸门误启闭的风险。

为解决上述问题，亟需要部署一套闸门联动控制系统，实现闸门自动调度功能，提高闸门调节精度，减少弃水，最大化发电效益，减轻运行人员值班压力，提高泄洪效率，降低水库漫坝和水淹厂房的风险，文献[1]中提出了一种泄洪闸门与水位自动联动控制系统，该系统能够实现闸门自动控制功能，虽然该系统引入了上游的水情预报情况，但是未能引入上游电站的机组负荷、闸门开度等信息，无法精准计算上游入库流量，导致闸门调节精度不高，弃水现象依然存在。因此本文在文献[1]的基础上，提出一种改进的泄洪闸门与水位自动联动控制系统，该系统通过引入上游电站的机组负荷、闸门开度、上游水位等信息，精确计算上游入库流量，结合本厂的机组负荷和闸门开度情况，计算出库流量，最后根据上下游出入库的流量，优化闸门调节方案，从而提高闸门调节精度，减少闸门启闭次数，减少弃水，提高发电效益。

2 泄洪闸门与水位自动联动系统模型

在电厂安全I区部署两台闸门联动服务器（ZXKFGC1和 ZXKFGC2）和 1台 ONCALL服务器(ZXKALM)。ONCALL服务器用于泄洪时的语音报警功能，两台闸门联动服务器以主备方式通过IEC104规约与电厂计算机监控系统通信获取实时数据，与电厂泄洪闸门监控系统通过IEC104规约进行通信，采集泄洪闸门监控系统遥测、遥信数据。最终由闸门联动服务器对采集的数据进行分析计算，并根据电厂的闸门调度方案，实时向闸门监控系统发送遥调、遥控命令，实现泄洪闸门的自动控制功能。

图1 泄洪闸门与水位自动联动系统

2.1 水位信号

水库水位作为泄洪闸门开启的重要依据，水位信号的准确、稳定将影响整个泄洪闸门系统的安全稳定运行，因此在电厂上游水库不同的位置，安装3种不同测量原理的水位计，并过滤上游水位瞬时跳变值（当水位1 s内变化超过0.5 m（此值在控制画面上手动设置）），再经3取2计算作为 程序计算水位，最近10 s计算水位取平均值作为最终水位。当3个水位计两两间均偏差过大时，退出闸门联动功能，并报警“水位计偏差过大”，同时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，并且当3个水位计采样信号通道故障，有效水位值超过10 min未更新时，自动退出闸门联动功能。

2.2 泄洪闸门应急开启保护功能

为了安全，泄洪闸门全关时，如果任意水位计实时水位值持续1 min超过危险高水位，则程序按照闸门调度方案，立即开启一孔闸门，闸门开度根据电厂闸门调度实际情况确定。

2.3 正常情况下，泄洪闸门全关时，水位过高提醒或首次提门方案

电厂侧计算机监控系统采集水库水位，送闸门联动服务器，由闸门联动服务器在闸门联动程序中设置警戒水位，当水位达到警戒水位时，程序发出告警信息提示运行人员，每隔1 min提醒一次。当达到提门水位时，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，自动开启泄洪广播，警示下游群众。同时程序设置5 min（可在控制界面上设置）倒计时，每隔20 s提醒一次运行人员，计时满5 min后，程序自动进行下一步操作。

闸门联动程序根据闸门调度方案，查表确定闸门开启方案，下发指令进行提门操作。期间运行人员可以干预终止提门预警和提门操作。

2.4 事故紧急情况下应急提门

当上游水位未到达紧急提门水位，发生机组跳机或线路跳闸等事故情况时，程序立即启动事故紧急流程。此时因线路发生跳闸，全厂厂用电消失，无法正常启动泄洪闸门。为解决紧急情况下，泄洪闸门的启动，可将柴油发电机的启动信号，线路失压信号，断路器位置信号等接入闸门联动程序中，用于在判断厂用电消失时，由闸门联动程序自动下达启动柴油发电机带厂用电，供给泄洪闸门电源。

3 改进的泄洪闸门与水位自动联动系统模型

泄洪闸门开启后，为减少闸门在短期内的频繁启闭次数，延长闸门使用寿命，优化闸门启停方案，减少弃水，提高耗水率，必须精准计算上游水库的入库流量及本厂的出库流量。由于东坪电厂计算机监控系统、闸门监控系统，株溪口电厂计算机监控系统、闸门监控系统均已接入五凌集控中心，因此通过五凌集控中心的闸门通信机将东坪电厂机组发电态、机组有功、闸门开度、上游水位、上游水头等信号，通过IEC104规约反送至株溪口电厂的闸门联动服务器，闸门联动服务器结合本厂实时出力、本厂泄洪闸门开度、水流时滞等信息确定电厂的出库流量，最后根据未来5 min出入库流量关系，滚动计算泄洪闸门启闭调度方案，实现闸门联动系统的优化调节。

图2 改进的泄洪闸门与水位自动联动系统

在闸门联动控制界面上设置优化方式控制按钮，运行人员选择投入优化方式，则程序采用优化调节方案。株溪口电厂泄洪闸门自动联动系统的优化调节方案如下：

（1）如果在闸门全关情况下，当入库流量<出库流量+流量阈值，则不开闸门。

（2）如果闸门开度大于开0.5 m水位，小于开1 m水位，且入库流量＜出库流量+流量阈值，则维持闸门开度不变；如果入库流量≥出库流量+流量阈值，则开0.5 m闸门。

（3）如果闸门开度大于开1 m水位，当入库流量＜出库流量+流量阈值，则开0.5 m闸门；当入库流量≥出库流量+流量阈值，则开1 m闸门。

（4）如果闸门开度低于关0.5 m水位，大于关1 m水位，当出库流量＜入库流量+流量阈值，则维持闸门开度不变；当出库流量≥入库流量+流量阈值，则关0.5 m闸门。

（5）如果闸门开度低于开1 m水位，当出库流量＜入库流量+流量阈值，则关0.5 m闸门；当出库流量≥入库流量+流量阈值，则关1 m闸门。

4 闸门联动控制功能试验

2021年1月25日，在株溪口电厂部署泄洪闸门自动联动系统后，分别进行了水位容错滤波试验，保护功能试验，泄洪闸门控制程序开环试验，泄洪闸门控制程序闭环试验。试验结果表明，改进后的泄洪闸门自动联动系统能够按泄洪调度方案进行闸门启闭，在投入优化方式后，闸门的启闭次数相比优化前，大大减少，有效提升了泄洪效率，减轻值班人员的负担。

5 结语

本文提出的改进泄洪闸门与水位自动联动系统通过引入上游电站的机组负荷、闸门开度、机组状态等信号，计算上游入库流量和本电站出库流量，从而更准确的判断未来出入库流量关系，优化闸门调度方案，提高了泄洪效率，减少了闸门的启闭次数，同时也减轻了值班人员的负担，最大化发电效益，对于国内同类型的梯级流域电厂具有很好的借鉴意义。