監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)急補水程序優(yōu)化探討研究

劉 鄧

（中國長江電力股份有限公司三峽梯調(diào)昆明調(diào)控中心調(diào)控部，云南 昆明650000）

0 引言

目前國內(nèi)各大型水電站的工程開發(fā)任務(wù)除發(fā)電以外，同時還要兼顧航運、防洪、生態(tài)等方面的安全。水電站在運行調(diào)度過程中，可能會出現(xiàn)事故停機、安控切機等緊急情況，將對水電站上、下游的航運、生態(tài)等產(chǎn)生安全風(fēng)險。在運行調(diào)度上主要表現(xiàn)為水位、流量越上、下限，水位小時變幅、日變幅越限等方面，因此需要運行調(diào)度人員能及時、準(zhǔn)確、安全地開啟或者關(guān)閉泄水設(shè)施，控制下泄流量。此時，智能化、友好化的應(yīng)急補水程序?qū)⑵鸬綐O大的助力作用，能幫助運行調(diào)度人員更快、更好地開展應(yīng)急補水任務(wù)，保護(hù)水電站上、下游的安全。

向家壩水電站是目前中國已建成的第三大水電站，裝機容量僅次于三峽、溪洛渡水電站。其地理位置較為典型，下游距離云南水富縣城僅1.5 km，距離水富港碼頭僅2.5 km，水位、流量約束條件較多，因此本文將以向家壩水電站為原型，圍繞如何設(shè)計更加智能化、友好化的應(yīng)急補水程序進(jìn)行探討研究。

1 應(yīng)急補水程序優(yōu)化實現(xiàn)原理

本文對應(yīng)急補水程序的優(yōu)化主要秉承在保證安全的前提下，達(dá)到閘門操作次數(shù)最少，避開水位變幅限值等約束條件，實現(xiàn)棄水量最小及水資源利用最大化的原則。

1.1 安全校核，精準(zhǔn)判斷各種補水情形

判斷是否需要補水的重要依據(jù)就是判斷水位、流量及水位變幅是否即將或已越過限值。由于水位與流量存在對應(yīng)關(guān)系，為減少計算量，故選擇水位及水位變幅來判斷是否需要補水。在選擇水位值時，需注意水的傳輸延時及測量工具誤差等因素，會導(dǎo)致測量水位值滯后于實際水位值，若選擇測量水位值進(jìn)行計算，會對補水的及時性產(chǎn)生一定的影響，故選擇實際水位值。實際水位值可利用水位-流量關(guān)系曲線[1]，通過計算實際出庫流量值來得到實際水位值，再與水位限值進(jìn)行比較，便可判斷水位是否越限。水位變幅值是滾動計算1 h內(nèi)，水位變化的最大幅值。通過計算實際水位值與當(dāng)前時刻前1 h內(nèi)最大測量水位值的差值與水位變幅限值進(jìn)行比較，便可判斷水位變幅是否越限。

（1）設(shè)實際出庫流量值QS、發(fā)電流量值QF、閘門泄水流量值QZ、發(fā)電出力N、耗水率β。計算公式如下：

根據(jù)閘門的水位-開度泄流曲線即可得出相應(yīng)開度對應(yīng)的閘門泄水流量值QZ。

（2）設(shè)實際水位值HS、水位下限值HX1、水位上限值HX2、閾值Δh。判斷水位是否越限的公式如下：

根據(jù)下游水位-流量關(guān)系曲線即可得出實際出庫流量值QS對應(yīng)的實際水位值HS。若公式1成立，則應(yīng)急補水程序應(yīng)立即報警，并提示需補水。若公式2成立，則應(yīng)急補水程序應(yīng)立即報警，并提示需減少出庫流量。Δh可由值班人員根據(jù)需要手動設(shè)值。

（3）設(shè)當(dāng)前時刻前1 h內(nèi)最大測量水位值HMAX、水位變幅限值h、變幅系數(shù)α。判斷水位變幅是否越限的公式如下：

若公式3成立，則應(yīng)急補水程序應(yīng)立即報警，并提示需補水。若公式4成立，則應(yīng)急補水程序應(yīng)立即報警，并提示需減少出庫流量。變幅系數(shù)α在0.5～1之間設(shè)置，可由值班人員根據(jù)需要手動調(diào)節(jié)。

應(yīng)急補水程序以5 s為周期不斷循環(huán)計算，只要公式1～4中任意一個公式成立，就立即報警提示。若連續(xù)5個周期內(nèi)計算的結(jié)果一致，則程序自動關(guān)閉報警提示音，值班人員也可手動關(guān)閉報警提示音。

1.2 合理計算補水流量，減少棄水損失

水位越限時，若能迅速增加發(fā)電負(fù)荷，便可減少閘門的泄水流量，從而減少棄水，故應(yīng)急補水程序在自動計算補水流量時，應(yīng)考慮到電站機組旋轉(zhuǎn)備用容量的利用，提供利用旋轉(zhuǎn)備用和不利用旋轉(zhuǎn)備用兩種補水方案。旋轉(zhuǎn)備用容量由程序根據(jù)電站運行情況自動計算，同時也可由值班人員手動修改，在值班人員手動修改后，程序應(yīng)立即重新計算補水方案。若越限前下游水位較高，在滿足安全運行的條件下，閘門補水應(yīng)采用“欠補”的策略。若越限前下游水位在下限水位附近，在滿足安全運行的條件下，應(yīng)采用“滿補”的策略?！扒费a”就是在滿足各種約束條件下，盡可能減少閘門泄水，“滿補”就是把突然損失的出庫流量均通過機組發(fā)電或閘門泄水補足。

（1）若僅公式1成立，令HS對應(yīng)的流量為Q11，HX1+Δh對應(yīng)的流量為Q12，增加的發(fā)電負(fù)荷NB，發(fā)電補水流量QFB，則程序計算出的閘門補水流量QB1應(yīng)為（通過下游水位-流量曲線可得出相應(yīng)水位對應(yīng)的流量值）：

（2）若僅公式3成立，令HS對應(yīng)的流量為Q11，HMAX-α×h對應(yīng)的流量為Q21，增加的發(fā)電負(fù)荷NB，發(fā)電補水流量QFB，則程序計算出的閘門補水流量QB2應(yīng)為：

（3）若公式1、3均成立，則程序計算出的閘門補水流量取QB1與QB2中較大者。

（4）若僅公式2成立，令HS對應(yīng)的流量為Q11，HX2-Δh對應(yīng)的流量為Q22，閘門實際泄水流量QZS，則程序計算出的減少出庫流量QC1應(yīng)為：

此時應(yīng)優(yōu)先考慮減少閘門的泄水流量，若閘門的泄水流量不足時，再減少發(fā)電流量。即當(dāng)QZS≥QC1時，僅需將閘門流量減少Q(mào)C1即可；當(dāng)QZS≤QC1時，應(yīng)先將閘門全關(guān)，再減少發(fā)電負(fù)荷NJ=（QC1-QZS）÷β。

（5）若僅公式4成立，令HS對應(yīng)的流量為Q11，HMAX+α×h對應(yīng)的流量為Q23，閘門實際泄水流量QZS，則程序計算出的減少出庫流量QC2應(yīng)為：

此時應(yīng)優(yōu)先考慮減少閘門的泄水流量，若閘門的泄水流量不足時，再減少發(fā)電流量。即當(dāng)QZS≥QC2時，僅需將閘門流量減少Q(mào)C2即可；當(dāng)QZS≤QC2時，應(yīng)先將閘門全關(guān)，再減少發(fā)電負(fù)荷NJ=（QC2-QZS）÷β。

（6）若公式2、4均成立，則程序計算出的減少出庫流量取QC1與QC2中較大者。

1.3 優(yōu)化閘門組合方案，提升閘門操作效率

應(yīng)急補水程序在制作閘門啟閉方案前，應(yīng)先根據(jù)水庫水位及閘門運行條件，選擇相應(yīng)閘門，并自動提取電站當(dāng)前閘門的狀態(tài)及其開度值。對處于檢修或禁用狀態(tài)的閘門應(yīng)不納入計算，同時值班人員也可手動設(shè)定閘門是否參與補水及閘門啟閉的優(yōu)先級。若當(dāng)前電站已有閘門處于泄水狀態(tài)且泄水量未達(dá)到該閘門的安全泄水最大值時，應(yīng)優(yōu)先考慮使用該閘門進(jìn)行補水。為保障補水的及時性及減少故障發(fā)生的可能性，在保證閘門安全的前提下，應(yīng)盡量減少閘門的操作數(shù)量，閘門的組合應(yīng)遵循對稱、分序、分級、均勻開啟的原則[2]。

以向家壩的泄水設(shè)施為例（左消力池對應(yīng)1～6號表孔和1～5號中孔，右消力池對應(yīng)7～12號表孔和6～10號中孔[3]），令表孔的最大安全泄水流量為QMAX1，中孔的最大安全泄水流量QMAX2，所有對稱表孔全開的總最大安全泄水流量為QMAXB，所有對稱中孔全開的總最大安全泄水流量為QMAXZ，閘門計算需補水量為QJB。按照優(yōu)先級及對稱均勻啟閉的原則，先開啟左池對稱的表孔、后開啟右池對稱表孔，當(dāng)可用的對稱表孔全開啟后仍無法滿足下泄流量需求時，再依次開啟左池對稱中孔、右池對稱中孔參與泄水。若仍無法滿足，則依次開啟表孔和中孔剩余無法成對開啟的閘門。具體閘門啟閉組合原則如下：

（1）當(dāng)前無閘門參與泄水或參與泄水的閘門已達(dá)安全泄水最大值。若QJB≤2QMAX1，則將兩扇對稱表孔均勻開啟，每扇泄流QJB/2。若2QMAX1≤QJB≤4QMAX1，則 4扇對稱表孔均勻開啟，每扇泄流QJB/4。根據(jù)閘門計算需補水量QJB的大小依次如是分配，直至所有對稱表孔按最大安全泄流開啟后仍無法滿足時，則開啟中孔泄水。若QJBQMAXB≤2QMAX2，則將兩扇對稱中孔均勻開啟，每扇泄流（QJB-QMAXB）/2。若 2QMAX2≤QJB-QMAXB≤4QMAX2，則4扇對稱中孔均勻開啟，每扇泄流（QJB-QMAXB）/4。依次如是開啟，直至所有對稱表孔和中孔均按最大安全泄流開啟后仍無法滿足時，則將剩余的表孔和中孔依次按最大安全泄流開啟。

（2）假設(shè)當(dāng)前有n對表孔參與泄水，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），則將n對對稱表孔均勻增加開度，每扇泄流增加QJB/2n。若2×n×（QMAX1-QBD）≤QJB≤2×n×（QMAX1-QBD）+2QMAX1，則優(yōu)先增加已在泄水的表孔開度，使其以最大安全流量泄水，保證補水的及時性，再開啟兩扇表孔泄水，每扇泄水流量為（QJB/2）-n×（QMAX1-QBD）。根據(jù)閘門計算需補水量QJB的大小，按照已泄水表孔、新開對稱表孔、新開對稱中孔、新開單扇表孔、新開單扇中孔的順序依次如是分配，直至所有表孔、中孔均按最大安全泄流量參與泄水為止。若當(dāng)前既有表孔，也有中孔參與泄水時，開啟原則同上類似。

閘門啟閉方案制作完成后，程序應(yīng)自動彈出方案供值班人員審核。同時在界面上應(yīng)顯示補水前、補水后的水位流量、水位變幅、電站的實時出力、旋轉(zhuǎn)備用容量、以及建議的發(fā)電出力改變值等數(shù)據(jù)。值班人員可對建議的發(fā)電出力改變值、可用閘門、閘門啟閉優(yōu)先級以及水位、流量約束限值等進(jìn)行修改，在改變其中任意數(shù)據(jù)后，程序應(yīng)立即重新計算補水方案。值班人員審核方案通過后，程序自動執(zhí)行啟閉閘門操作。啟門順序按左池表孔、右池表孔、左池中孔、右池中孔4個組合，分批次啟動，同一批次內(nèi)的閘門同時操作，每批次啟動的時間間隔約10 s。閉門按上述相反的順序執(zhí)行。若在執(zhí)行啟閉門的過程中遇到故障，閘門無法啟閉成功時，程序應(yīng)立即發(fā)出報警警示，并按照閘門啟閉優(yōu)先級的原則重新計算方案供值班人員審核后執(zhí)行。

2 應(yīng)急補水程序的優(yōu)化特點

（1）針對每個約束條件制作了相應(yīng)的判斷算法，使應(yīng)急補水程序能很好地響應(yīng)每種越限故障。不僅具有應(yīng)急的功能，還起到了實時監(jiān)視的作用。

（2）算法的改進(jìn)，增加了應(yīng)急補水程序?qū)υ较薰收享憫?yīng)的靈敏性。

（3）程序不僅具備應(yīng)急補水功能，同時還可以輔助提示關(guān)閘，防止下泄過大。

（4）優(yōu)化后的應(yīng)急補水程序在計算補水量時，充分考慮到機組旋轉(zhuǎn)備用容量的利用對補水的影響，有利于減少補水導(dǎo)致的棄水損失，提高水資源的利用率。

（5）應(yīng)急補水程序能根據(jù)值班人員對多種條件、數(shù)據(jù)的修改，迅速制定出新的補水方案。

（6）通過優(yōu)化的閘門組合分配算法，應(yīng)急補水程序能精準(zhǔn)的計算閘門開度，減少棄水，同時也有利于閘門的安全穩(wěn)定運行。

3 結(jié)語

應(yīng)急補水程序的優(yōu)化對保障電站的安全穩(wěn)定運行，以及電站下游生態(tài)、航運等各方面的安全均有極大的促進(jìn)作用。同時也提高了水電站對水能的利用，從而間接提高了電站的發(fā)電量，促進(jìn)了經(jīng)濟效益的增加。