小型水电站机组与闸门的联动控制研究

李渭杰

(南京南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 210003)

径流式水轮发电机组具有水力损失少、过流量大、比转速高、发电机组结构紧凑等特点，而且具有发电效率高、汽蚀性能好、建设周期短、淹没面积小、移民少、投资省的诸多优点，因此，在小型低水头电站中得到广泛应用。

桃源水电站采用径流式水轮发电机组，电站水库库容较小，不具备滞洪调洪的功能。正常运行情况下水库水位变化较小，但在机组甩负荷等特殊情况下，水轮机导叶迅速关闭，引水系统压力管道压力急剧变化并形成大的水击压力，发电渠水面突变并向周围传播，在坝区产生涌浪，导致水位迅速上升，加上发电引水流量积于水库坝前，在汛期水流量大时还易在涌浪翻闸后形成稳定水流，进而引发更为严重的安全生产事故。因此，在甩负荷工况下需及时联动电站河道右槽11孔泄洪闸门，在机组甩负荷停机时启门，及时弃水泄洪，保证水库入库流量和出库流量的平衡非常重要。

1 问题提出及其研发背景

湖南桃源水电站位于湖南省常德市桃源县城附近的沅水干流上，是沅水干流最末的水电开发梯级，装机总容量为180MW，装设9台单机容量20MW的贯流式机组，电站泄洪闸共计25孔，孔口净宽20m，最大坝高30.2m，其中，左侧航运河道布置14孔船闸，长度326.6m；右侧河道布置11孔泄洪闸，长度257m。当线路发生跳闸或多台机组同时甩负荷时，电站下泄流量减少，水库水位将迅速上涨，甚至造成水漫大坝，水淹厂房的重大事故。桃源电站机组监控系统采用南瑞NC2000系统，闸门监控系统采用华电闸门监控系统。当电站发生事故时，监控系统将自动甩负荷，以确保电气安全。运行人员发现机组甩负荷后，根据甩负荷情况及闸门当前状态迅速作出闸门开启决策，再通过闸门监控系统操作闸门泄洪。若运行人员经验不足或有其他原因未能及时操作闸门，水库水位将迅速上涨，造成严重后果。为此，在电站机组甩负荷后要及时自动联动闸门开启泄洪，疏导原本流经水轮机下泄的水流量，减小涌浪效应，保证水库入库流量和出库流量的平衡。

2 基于NC2000的闸门联动控制系统设计

闸门联动系统部署在现有的桃源水电站计算机监控系统(NC2000)上。通过系统需求分析，根据系统总体方案的基本设计思路，闸门联动控制系统由“甩负荷监测程序”“闸门联动控制程序”以及“闸门监控系统通信程序”等三个功能模块组成，联动系统设计框架见图1。

图1 联动系统设计框架

甩负荷监测程序实时监视桃源电厂9台机组的出力情况，机组发生甩负荷时，根据甩负荷情况及闸门联动策略表，程序自动生成闸门联动开启方案，并在NC2000中自动推出“甩负荷联动”画面，显示闸门联动方案。经人工确认的“联动方案”，交由闸门联动控制程序执行。闸门联动控制程序根据闸门安全开启策略，依次下发各闸门的开度指令到电站监控系统NC2000。闸门监控系统通信程序，将NC2000系统的闸门开度指令经iec104通信协议，下发到闸门监控系统，自动开启相应闸门进行泄洪。

步骤①：实时监视9台机组当前总负荷出力情况，当全厂总负荷出力在t=1秒内减少30MVA或以上时，认为发生甩负荷事件，记录当前甩负荷量；

步骤②：实时累计15分钟内全厂的甩负荷总量；

步骤③：全厂的甩负荷总量小于阈值时，返回步骤①；当全厂的甩负荷总量大于阈值时，联动系统根据全厂甩负荷总量、闸门联动策略表，及当前闸门状态(故障、检修、运行状态、开度)给出闸门联动方案；

步骤④：将闸门联动方案自动推送到人机交互界面；

步骤⑤：操作员修改、确认或取消闸门联动方案；

步骤⑥：将各闸门运行指令下发至闸门监控系统工作站，并由工作站转发至各闸门现地控制PLC。考虑到安全原因，同时运行的闸门数量不得超过3台，若联动方案中需要运行的闸门数量大于3台，则根据联动方案中的优先级顺序，依次开启闸门；

步骤⑦：闸门联动过程中，若发生新的甩负荷事件，联动方案按照全厂甩负荷总量实时进行更新，操作员在更新后的联动方案基础上，重新下发控制指令；

步骤⑧：闸门联动完成，操作员手动控制各闸门关闭；

步骤⑨：闸门关闭完成，清除各联动方案，程序变量及统计的甩负荷量清零。返回步骤①。

3 闸门联动系统主要控制逻辑设计

3.1 甩负荷事故检测

循环扫描每台机组功率。若机组功率变化超过阈值，且当前机组断路器处于分位则认为发生了机组甩负荷。单台机组甩负荷判断条件如下：

pi[T]-pi[T-1]>Δp&&GCBi[T]=0

其中，pi[T]为当前时刻i号机组的功率；pi[T-k]为T-k时刻前i号机组的功率；Δp为单台机组甩负荷阈值；GCBi[T]为当前时刻i号机组断路器位置。

当发生单台机组甩负荷后，记录该机组甩负荷量pi[T]-pi[T-1]；累计15min内所有机组的甩负荷总量；若甩负荷总量超过阈值，则启动联动闸门功能。

3.2 闸门开启策略自动执行

甩负荷监测程序计算出闸门联动策略后，需要由闸门联动程序自动执行该策略。受到变压器负荷及电动机启动电流的限制，闸门联动过程中，不能同时开启所有闸门，需要根据安全的方式，逐步开启各个闸门，直到闸门开启策略执行完毕。

具体开启策略如下：首批开启3台闸门，确保水库及时泄流，水位在安全位置时，首批3台闸门启动5s后，每隔5s，可开启一台闸门，总运行闸门数大于5台后，每隔25s，可开启一台闸门，闸门按照预定好的优先级顺序开启。

4 闸门联动控制系统操作流程

当电站发生甩负荷事件并超过全厂阈值时，系统自动进入操作界面，也可以通过电站计算机监控系统的画面索引，人工手动进入操作界面。操作界面各部分说明见图2。

图2 操作界面内容说明

a.闸门联动系统光字牌。当电站机组正常运行或甩负荷值未达到全厂阈值时，显示“机组运行正常”；当全厂甩负荷超过阈值，需要联动闸门时，显示“机组甩负荷，闸门联动系统启动，请确认闸门开度，并下发！！！”并闪烁，提醒运行人员需要确认闸门开度，并执行下发操作。

b.闸门联动策略显示光字牌。当电站机组正常运行或甩负荷值未达到全厂阈值时，显示“机组运行正常”；当全厂甩负荷超过阈值，闸门联动系统动作时，显示系统综合闸门状态所选择的策略表是否成功，成功则显示“闸门联动策略选择成功！”失败则显示“闸门联动策略选择失败！”。

c.甩负荷信息显示。显示甩负荷时的策略表的选择情况、甩负荷统计等信息。

d.闸门信息显示。

实际开度：闸门的实时开度；

预设开度：人工设置闸门开度值及甩负荷监测自动设置开度值均记入此处；

设定开度：下发到闸门监控系统的闸门开度；

联动开门：闸门综合状态，若可开门，则显示“可控”；不可开门，则显示“不可控”；

开门中：闸门开门中显示；

关门中：闸门关门中显示；

开门令、关门令、停门令：按钮控制下发单台闸门的开门令、关门令、停门令；当闸门不可控时，该按钮不可操作；

检修态：当闸门检修或故障时，务必手动设置此检修态，以确保闸门安全。

e.闸门联动控制。控制闸门的联动开启令、取消令。

联动开门：确认闸门开度设置正确，闸门监控反馈正确的情况下，按“联动开门”，即可顺序下发所选闸门的开门令；发令规则：按照闸门优先级顺序，首批同时开启3台；5s延迟后可开启第4台；5s延迟后可开启第5台；最多同时在开启中的闸门数量为5台；

紧急联动开门：联动开门过程中，若闸门开度有变化，需从头开始下发新的开度，则按“紧急联动开门”，联动系统即从首台闸门开始，重发开门令，确保最新开度及时下发。

f.系统复归。复归闸门联动中的所有变量，系统初始态开始运行，包括甩负荷值、光字、策略选择结果、预设闸门开度等；建议系统复归时间：甩负荷事件发生后，闸门已开启到相应开度，则复归系统。

操作流程见图3。

图3 操作流程

5 坝顶柴油机自动启停控制

为保证闸门供电稳定，针对坝顶配电LCU中的柴油机设计自启动软件，并增加柴油机远方遥控操作界面，使操作员能将柴油机“启动”“停机”指令手动发送到该软件，实现柴油机的远方手动遥控。

坝顶配电LCU中的柴油机自启动软件输入信号包括两段坝顶400V母线电压、坝顶400V进线断路器障及位置信号(坝顶400V进线断路器、母联断路器、柴油机备用电源进线断路器)、柴油机GCB位置及端口电压，输出信号包括柴油机“启动”“停机”控制指令。当坝顶400V母线失电时，自启动软件自动断开400V进线断路器，并启动柴油机，闭合柴油机进线断路器，由柴油机对母线进行供电，确保闸门供电系统的稳定。

6 结 语

本文提出的机组与闸门的联动控制系统有效地保证了库容小、水头低的径流式水轮发电机组在甩负荷情况下水库入库流量和出库流量的平衡，避免了水淹厂房、水漫大坝的严重事故，提高了电站的安全性。