大渡河枕頭壩水電站泄洪閘門應(yīng)急控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

靳帥 李建清

摘要：為了確保大渡河枕頭壩泄洪閘運(yùn)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(yán)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(jì)了具有下游河道生態(tài)安全防護(hù)功能的泄洪閘應(yīng)急控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備庫(kù)區(qū)水位過(guò)高應(yīng)急提門、送出線路跳閘應(yīng)急提門、泄洪閘動(dòng)力電源消失應(yīng)急送電、閘門動(dòng)作應(yīng)急聯(lián)動(dòng)報(bào)警等功能。結(jié)合該系統(tǒng)的特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用情況，詳細(xì)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(hào)：TV663文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.010

文章編號(hào)：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(yùn)行對(duì)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(duì)各閘門的獨(dú)立控制，能根據(jù)人為操作實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的開(kāi)啟和關(guān)閉，但在運(yùn)行中存在風(fēng)險(xiǎn)：①庫(kù)區(qū)水位超高時(shí)，運(yùn)行人員監(jiān)視不到位可能引起水漫大壩的風(fēng)險(xiǎn);②大壩400 V動(dòng)力電源消失時(shí)，若電源恢復(fù)不及時(shí)，存在大壩閘門無(wú)法操作的風(fēng)險(xiǎn);③送出線路跳閘導(dǎo)致機(jī)組全停時(shí)，人工操作造成延誤未能及時(shí)開(kāi)啟閘門，存在下游河道生態(tài)流量中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

若發(fā)生上述風(fēng)險(xiǎn)，需要人為迅速判斷是否開(kāi)啟閘門，在判斷和處理的過(guò)程中，一旦耽誤時(shí)間較長(zhǎng)，就容易錯(cuò)過(guò)最佳處理時(shí)機(jī)，從而對(duì)大壩及下游河道的生態(tài)安全帶來(lái)威脅。因此，亟須設(shè)計(jì)一種應(yīng)對(duì)緊急情況的控制系統(tǒng)，能夠快速聯(lián)動(dòng)閘門，及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息，避免下游人民生命財(cái)產(chǎn)損失，保證下游河道生態(tài)流量安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

枕頭壩水電站位于大渡河干流，采用堤壩式開(kāi)發(fā)，電站總裝機(jī)72萬(wàn)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(kù)總庫(kù)容為0.469億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為0.145億m3，設(shè)備操作響應(yīng)時(shí)間要求極高[3]。泄洪閘系統(tǒng)由5孔閘門組成，其運(yùn)行具有以下特點(diǎn)：

（1）泄洪閘系統(tǒng)采用“無(wú)人值班”，可靠性要求高。自電站投運(yùn)以來(lái)，采用無(wú)人值班（少人值守）的運(yùn)行模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)人工對(duì)所有運(yùn)行情況的全程監(jiān)視，需要應(yīng)急系統(tǒng)對(duì)各種異常情況自動(dòng)做出應(yīng)急反應(yīng)，對(duì)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(jì)需要確保在緊急情況下能夠及時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作，需開(kāi)展在各種特殊條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保在滿足動(dòng)作條件時(shí)既不拒動(dòng)也不誤動(dòng)，在不滿足條件時(shí)不動(dòng)作，保證系統(tǒng)動(dòng)作可靠率為100%。需重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性問(wèn)題，數(shù)據(jù)包括閘門開(kāi)度信號(hào)、庫(kù)區(qū)水位信號(hào)、線路負(fù)荷信號(hào)、大壩400 V動(dòng)力電源信號(hào)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件及防誤開(kāi)出措施。

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

（3）地理位置特殊，河流生態(tài)環(huán)保管控嚴(yán)。該電站處于大渡河珍稀魚(yú)類洄游的必經(jīng)河段，需首先保證魚(yú)類安全所需的生態(tài)流量。同時(shí)，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(dòng)較多，在泄洪操作前應(yīng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，避免下游群眾發(fā)生生命財(cái)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(shí)，對(duì)于相關(guān)的河流生態(tài)環(huán)保安全和社會(huì)影響等問(wèn)題也不容忽視。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了確保泄洪閘運(yùn)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(jì)方案實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)目標(biāo)：①根據(jù)庫(kù)區(qū)水位實(shí)現(xiàn)緊急條件下的泄洪閘應(yīng)急控制，防止水庫(kù)水位超過(guò)警戒線水漫大壩;②實(shí)現(xiàn)全站突然甩負(fù)荷情況下自動(dòng)應(yīng)急開(kāi)啟泄洪閘門，保證下游生態(tài)安全;③當(dāng)大壩400 V動(dòng)力電源消失時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，確保大壩5孔泄洪閘門動(dòng)力電源供給;④當(dāng)該系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)電站ON-CALL系統(tǒng)和泄洪報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)告險(xiǎn)情發(fā)出告警信號(hào)，通知下游區(qū)域人員及時(shí)撤離，從而避免發(fā)生生命財(cái)產(chǎn)損失。解決險(xiǎn)情發(fā)生后人為發(fā)送報(bào)警延遲的問(wèn)題。

3.1 系統(tǒng)組成及功能

應(yīng)急控制系統(tǒng)采集水庫(kù)水位、5孔泄洪閘開(kāi)度、大壩兩段400 V母線電源及進(jìn)線斷路器狀態(tài)、柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況以及送出線路功率、電流，通過(guò)以太網(wǎng)與大壩LCU進(jìn)行通訊，經(jīng)過(guò)大壩LCU中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)其控制作用，同時(shí)將應(yīng)急系統(tǒng)中的信息送至監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。系統(tǒng)由2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：①大壩柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)投入系統(tǒng)，在大壩兩段400 V母線電壓均失電時(shí)，由系統(tǒng)控制大壩柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)水位，當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到警戒水位時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，達(dá)到緊急動(dòng)作水位自動(dòng)提升泄洪閘開(kāi)啟泄洪閘泄洪;在全站突然甩負(fù)荷情況下，根據(jù)所甩負(fù)荷自動(dòng)開(kāi)啟泄洪閘門。

在正常情況下，系統(tǒng)根據(jù)入庫(kù)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(jī)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(dòng)力電源、柴油發(fā)電機(jī)做為應(yīng)急備用電源（圖2）。泄洪閘應(yīng)急控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(kāi)出，通過(guò)無(wú)源硬接點(diǎn)控制泄洪閘的緊急啟閉。還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩Ⅱ段400 V母線電壓，若均失電則立即自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)原理

（1）柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急自動(dòng)啟動(dòng)送電功能及邏輯。應(yīng)急控制系統(tǒng)檢測(cè)到大壩400 V Ⅰ段和Ⅱ段均失電時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用枕頭壩水電站應(yīng)急電源自動(dòng)投入程序，跳開(kāi)大壩400 VⅠ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)DB11和大壩400 VⅡ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)DB12后自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。程序判斷當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)正常（柴油發(fā)電機(jī)出口電壓正常時(shí)CF10自動(dòng)合閘）后，自動(dòng)合上柴油發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)CF11和大壩400 VⅠ段、Ⅱ段柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)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(yùn)行人員手動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

（2）泄洪閘應(yīng)急自動(dòng)控制功能及控制邏輯。應(yīng)急系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)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(kāi)度。①當(dāng)應(yīng)急系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的三路水庫(kù)水位中任意一路水位到達(dá)預(yù)警水位值時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，三路水位信號(hào)中任意二路水位到達(dá)動(dòng)作水位值時(shí)，根據(jù)汛期和非汛期方式的選擇，自動(dòng)提升泄洪閘門至相應(yīng)開(kāi)度泄洪。②當(dāng)應(yīng)急系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到線路負(fù)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(fù)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(shí)，根據(jù)汛期和非汛期方式選擇，按所甩負(fù)荷自動(dòng)計(jì)算并開(kāi)啟泄洪閘門至相應(yīng)開(kāi)度泄洪。

應(yīng)急控制系統(tǒng)若啟動(dòng)應(yīng)急流程，在汛期，系統(tǒng)將應(yīng)急提門總開(kāi)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(kāi)度分配給狀態(tài)最優(yōu)的一扇閘門。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 構(gòu)建可靠性高、自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)

（1）構(gòu)建一套動(dòng)作可靠性高的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建庫(kù)水位測(cè)值特征庫(kù)及閾值，與電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)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(kù)水位異常動(dòng)作依據(jù)。通過(guò)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(dòng)作判據(jù)，提高了動(dòng)作的可靠性。通過(guò)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(duì)設(shè)備控制的可靠性。

（2）構(gòu)建一套自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)。通過(guò)PLC對(duì)輸入量進(jìn)行組態(tài)邏輯判斷，準(zhǔn)確識(shí)別相應(yīng)的故障或異常運(yùn)行情況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊的方式直接對(duì)相應(yīng)的泄洪閘閘門進(jìn)行控制，極大提高了該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。該自動(dòng)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(yán)重危及生態(tài)安全的事故發(fā)生。同時(shí)，可設(shè)定庫(kù)水位下降到預(yù)設(shè)閾值時(shí)泄洪閘門自動(dòng)落門，避免水庫(kù)水位過(guò)低造成水工建筑物異常運(yùn)行情況。

（3）具有壩區(qū)柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急自動(dòng)啟動(dòng)功能。由系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)大壩泄洪閘門動(dòng)力電源母線運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)急電源自動(dòng)投入程序，自動(dòng)啟動(dòng)壩區(qū)柴油發(fā)電機(jī)，并通過(guò)自動(dòng)控制流程，斷開(kāi)前端供電電源開(kāi)關(guān)，自動(dòng)將柴油發(fā)電機(jī)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(hù)圈解決方案

（1）建設(shè)水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建庫(kù)水位測(cè)值特征庫(kù)及閾值，與電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)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(dòng)作依據(jù)。通過(guò)建立線路/機(jī)組負(fù)荷特征庫(kù)，將泄洪閘門溢流曲線/機(jī)組N-H-Q曲線與電站負(fù)荷突變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，自動(dòng)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(dòng)啟閉泄洪閘閘門，有效避免枯水期機(jī)組異常跳閘或線路跳閘造成下游河道斷流對(duì)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(yú)道系統(tǒng)形成配合，為河道內(nèi)野生魚(yú)類繁殖提供了良好的生態(tài)圈。

4.3 實(shí)現(xiàn)緊急情況的聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能

險(xiǎn)情發(fā)生后人為發(fā)送報(bào)警延遲的問(wèn)題得到解決。當(dāng)該系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)電站ON-CALL系統(tǒng)和泄洪報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)告險(xiǎn)情發(fā)出告警信號(hào)，及時(shí)通知下游區(qū)域人員撤離，避免發(fā)生生命財(cái)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(shí)間大大縮短，提高了閘門應(yīng)急啟動(dòng)速度，對(duì)大壩安全運(yùn)行和下游河道生態(tài)安全防護(hù)具有重要意義。系統(tǒng)投運(yùn)前后相關(guān)動(dòng)作時(shí)間對(duì)比如表2所示。

5.2 提升動(dòng)作正確性

按照不同的工況條件，設(shè)置對(duì)應(yīng)動(dòng)作方案，以達(dá)到設(shè)計(jì)方案的要求，實(shí)現(xiàn)正確動(dòng)作。系統(tǒng)動(dòng)作邏輯見(jiàn)表3。

系統(tǒng)在投運(yùn)以來(lái)，及時(shí)可靠準(zhǔn)確動(dòng)作10余次，動(dòng)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(xiǎn)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(cái)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(yú)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(diǎn)企業(yè)及沿岸居民生活用水發(fā)生斷流的風(fēng)險(xiǎn)，保障了企地和諧。泄洪預(yù)警信息的緊急自動(dòng)播送，有效保障了河道附近人員的活動(dòng)安全，社會(huì)效益顯著。系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用后，枕頭壩電站大壩上游年平均運(yùn)行水位抬高了0.8 m，機(jī)組運(yùn)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(wàn)kW·h。

6 結(jié) 語(yǔ)

在水電站運(yùn)行中，具有下游河道生態(tài)保護(hù)和安全防護(hù)功能的泄洪閘門應(yīng)急控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可為水電站正常運(yùn)行提供一套穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急電源的自動(dòng)啟動(dòng)控制，建立了庫(kù)水位智能測(cè)報(bào)及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，配合電站魚(yú)道系統(tǒng)形成了良好的生態(tài)圈，無(wú)需在險(xiǎn)情發(fā)生后由人為發(fā)送報(bào)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(jìn)作用，推動(dòng)了大型流域水電站泄洪系統(tǒng)的安全運(yùn)行和水工建筑物控制系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)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