小型水電站機(jī)組與閘門的聯(lián)動(dòng)控制研究

李渭杰

(南京南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 210003)

徑流式水輪發(fā)電機(jī)組具有水力損失少、過(guò)流量大、比轉(zhuǎn)速高、發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，而且具有發(fā)電效率高、汽蝕性能好、建設(shè)周期短、淹沒(méi)面積小、移民少、投資省的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在小型低水頭電站中得到廣泛應(yīng)用。

桃源水電站采用徑流式水輪發(fā)電機(jī)組，電站水庫(kù)庫(kù)容較小，不具備滯洪調(diào)洪的功能。正常運(yùn)行情況下水庫(kù)水位變化較小，但在機(jī)組甩負(fù)荷等特殊情況下，水輪機(jī)導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，引水系統(tǒng)壓力管道壓力急劇變化并形成大的水擊壓力，發(fā)電渠水面突變并向周圍傳播，在壩區(qū)產(chǎn)生涌浪，導(dǎo)致水位迅速上升，加上發(fā)電引水流量積于水庫(kù)壩前，在汛期水流量大時(shí)還易在涌浪翻閘后形成穩(wěn)定水流，進(jìn)而引發(fā)更為嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。因此，在甩負(fù)荷工況下需及時(shí)聯(lián)動(dòng)電站河道右槽11孔泄洪閘門，在機(jī)組甩負(fù)荷停機(jī)時(shí)啟門，及時(shí)棄水泄洪，保證水庫(kù)入庫(kù)流量和出庫(kù)流量的平衡非常重要。

1 問(wèn)題提出及其研發(fā)背景

湖南桃源水電站位于湖南省常德市桃源縣城附近的沅水干流上，是沅水干流最末的水電開(kāi)發(fā)梯級(jí)，裝機(jī)總?cè)萘繛?80MW，裝設(shè)9臺(tái)單機(jī)容量20MW的貫流式機(jī)組，電站泄洪閘共計(jì)25孔，孔口凈寬20m，最大壩高30.2m，其中，左側(cè)航運(yùn)河道布置14孔船閘，長(zhǎng)度326.6m；右側(cè)河道布置11孔泄洪閘，長(zhǎng)度257m。當(dāng)線路發(fā)生跳閘或多臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，電站下泄流量減少，水庫(kù)水位將迅速上漲，甚至造成水漫大壩，水淹廠房的重大事故。桃源電站機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞NC2000系統(tǒng)，閘門監(jiān)控系統(tǒng)采用華電閘門監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)電站發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)甩負(fù)荷，以確保電氣安全。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組甩負(fù)荷后，根據(jù)甩負(fù)荷情況及閘門當(dāng)前狀態(tài)迅速作出閘門開(kāi)啟決策，再通過(guò)閘門監(jiān)控系統(tǒng)操作閘門泄洪。若運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)不足或有其他原因未能及時(shí)操作閘門，水庫(kù)水位將迅速上漲，造成嚴(yán)重后果。為此，在電站機(jī)組甩負(fù)荷后要及時(shí)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)閘門開(kāi)啟泄洪，疏導(dǎo)原本流經(jīng)水輪機(jī)下泄的水流量，減小涌浪效應(yīng)，保證水庫(kù)入庫(kù)流量和出庫(kù)流量的平衡。

2 基于NC2000的閘門聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閘門聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)部署在現(xiàn)有的桃源水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(NC2000)上。通過(guò)系統(tǒng)需求分析，根據(jù)系統(tǒng)總體方案的基本設(shè)計(jì)思路，閘門聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)由“甩負(fù)荷監(jiān)測(cè)程序”“閘門聯(lián)動(dòng)控制程序”以及“閘門監(jiān)控系統(tǒng)通信程序”等三個(gè)功能模塊組成，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

甩負(fù)荷監(jiān)測(cè)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)視桃源電廠9臺(tái)機(jī)組的出力情況，機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，根據(jù)甩負(fù)荷情況及閘門聯(lián)動(dòng)策略表，程序自動(dòng)生成閘門聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟方案，并在NC2000中自動(dòng)推出“甩負(fù)荷聯(lián)動(dòng)”畫(huà)面，顯示閘門聯(lián)動(dòng)方案。經(jīng)人工確認(rèn)的“聯(lián)動(dòng)方案”，交由閘門聯(lián)動(dòng)控制程序執(zhí)行。閘門聯(lián)動(dòng)控制程序根據(jù)閘門安全開(kāi)啟策略，依次下發(fā)各閘門的開(kāi)度指令到電站監(jiān)控系統(tǒng)NC2000。閘門監(jiān)控系統(tǒng)通信程序，將NC2000系統(tǒng)的閘門開(kāi)度指令經(jīng)iec104通信協(xié)議，下發(fā)到閘門監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)開(kāi)啟相應(yīng)閘門進(jìn)行泄洪。

步驟①：實(shí)時(shí)監(jiān)視9臺(tái)機(jī)組當(dāng)前總負(fù)荷出力情況，當(dāng)全廠總負(fù)荷出力在t=1秒內(nèi)減少30MVA或以上時(shí)，認(rèn)為發(fā)生甩負(fù)荷事件，記錄當(dāng)前甩負(fù)荷量；

步驟②：實(shí)時(shí)累計(jì)15分鐘內(nèi)全廠的甩負(fù)荷總量；

步驟③：全廠的甩負(fù)荷總量小于閾值時(shí)，返回步驟①；當(dāng)全廠的甩負(fù)荷總量大于閾值時(shí)，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)全廠甩負(fù)荷總量、閘門聯(lián)動(dòng)策略表，及當(dāng)前閘門狀態(tài)(故障、檢修、運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)度)給出閘門聯(lián)動(dòng)方案；

步驟④：將閘門聯(lián)動(dòng)方案自動(dòng)推送到人機(jī)交互界面；

步驟⑤：操作員修改、確認(rèn)或取消閘門聯(lián)動(dòng)方案；

步驟⑥：將各閘門運(yùn)行指令下發(fā)至閘門監(jiān)控系統(tǒng)工作站，并由工作站轉(zhuǎn)發(fā)至各閘門現(xiàn)地控制PLC。考慮到安全原因，同時(shí)運(yùn)行的閘門數(shù)量不得超過(guò)3臺(tái)，若聯(lián)動(dòng)方案中需要運(yùn)行的閘門數(shù)量大于3臺(tái)，則根據(jù)聯(lián)動(dòng)方案中的優(yōu)先級(jí)順序，依次開(kāi)啟閘門；

步驟⑦：閘門聯(lián)動(dòng)過(guò)程中，若發(fā)生新的甩負(fù)荷事件，聯(lián)動(dòng)方案按照全廠甩負(fù)荷總量實(shí)時(shí)進(jìn)行更新，操作員在更新后的聯(lián)動(dòng)方案基礎(chǔ)上，重新下發(fā)控制指令；

步驟⑧：閘門聯(lián)動(dòng)完成，操作員手動(dòng)控制各閘門關(guān)閉；

步驟⑨：閘門關(guān)閉完成，清除各聯(lián)動(dòng)方案，程序變量及統(tǒng)計(jì)的甩負(fù)荷量清零。返回步驟①。

3 閘門聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)主要控制邏輯設(shè)計(jì)

3.1 甩負(fù)荷事故檢測(cè)

循環(huán)掃描每臺(tái)機(jī)組功率。若機(jī)組功率變化超過(guò)閾值，且當(dāng)前機(jī)組斷路器處于分位則認(rèn)為發(fā)生了機(jī)組甩負(fù)荷。單臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷判斷條件如下：

pi[T]-pi[T-1]>Δp&&GCBi[T]=0

其中，pi[T]為當(dāng)前時(shí)刻i號(hào)機(jī)組的功率；pi[T-k]為T-k時(shí)刻前i號(hào)機(jī)組的功率；Δp為單臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷閾值；GCBi[T]為當(dāng)前時(shí)刻i號(hào)機(jī)組斷路器位置。

當(dāng)發(fā)生單臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷后，記錄該機(jī)組甩負(fù)荷量pi[T]-pi[T-1]；累計(jì)15min內(nèi)所有機(jī)組的甩負(fù)荷總量；若甩負(fù)荷總量超過(guò)閾值，則啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)閘門功能。

3.2 閘門開(kāi)啟策略自動(dòng)執(zhí)行

甩負(fù)荷監(jiān)測(cè)程序計(jì)算出閘門聯(lián)動(dòng)策略后，需要由閘門聯(lián)動(dòng)程序自動(dòng)執(zhí)行該策略。受到變壓器負(fù)荷及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限制，閘門聯(lián)動(dòng)過(guò)程中，不能同時(shí)開(kāi)啟所有閘門，需要根據(jù)安全的方式，逐步開(kāi)啟各個(gè)閘門，直到閘門開(kāi)啟策略執(zhí)行完畢。

具體開(kāi)啟策略如下：首批開(kāi)啟3臺(tái)閘門，確保水庫(kù)及時(shí)泄流，水位在安全位置時(shí)，首批3臺(tái)閘門啟動(dòng)5s后，每隔5s，可開(kāi)啟一臺(tái)閘門，總運(yùn)行閘門數(shù)大于5臺(tái)后，每隔25s，可開(kāi)啟一臺(tái)閘門，閘門按照預(yù)定好的優(yōu)先級(jí)順序開(kāi)啟。

4 閘門聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)操作流程

當(dāng)電站發(fā)生甩負(fù)荷事件并超過(guò)全廠閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入操作界面，也可以通過(guò)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的畫(huà)面索引，人工手動(dòng)進(jìn)入操作界面。操作界面各部分說(shuō)明見(jiàn)圖2。

圖2 操作界面內(nèi)容說(shuō)明

a.閘門聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)光字牌。當(dāng)電站機(jī)組正常運(yùn)行或甩負(fù)荷值未達(dá)到全廠閾值時(shí)，顯示“機(jī)組運(yùn)行正?！?；當(dāng)全廠甩負(fù)荷超過(guò)閾值，需要聯(lián)動(dòng)閘門時(shí)，顯示“機(jī)組甩負(fù)荷，閘門聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)，請(qǐng)確認(rèn)閘門開(kāi)度，并下發(fā)?。。　辈㈤W爍，提醒運(yùn)行人員需要確認(rèn)閘門開(kāi)度，并執(zhí)行下發(fā)操作。

b.閘門聯(lián)動(dòng)策略顯示光字牌。當(dāng)電站機(jī)組正常運(yùn)行或甩負(fù)荷值未達(dá)到全廠閾值時(shí)，顯示“機(jī)組運(yùn)行正?！?；當(dāng)全廠甩負(fù)荷超過(guò)閾值，閘門聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，顯示系統(tǒng)綜合閘門狀態(tài)所選擇的策略表是否成功，成功則顯示“閘門聯(lián)動(dòng)策略選擇成功！”失敗則顯示“閘門聯(lián)動(dòng)策略選擇失敗！”。

c.甩負(fù)荷信息顯示。顯示甩負(fù)荷時(shí)的策略表的選擇情況、甩負(fù)荷統(tǒng)計(jì)等信息。

d.閘門信息顯示。

實(shí)際開(kāi)度：閘門的實(shí)時(shí)開(kāi)度；

預(yù)設(shè)開(kāi)度：人工設(shè)置閘門開(kāi)度值及甩負(fù)荷監(jiān)測(cè)自動(dòng)設(shè)置開(kāi)度值均記入此處；

設(shè)定開(kāi)度：下發(fā)到閘門監(jiān)控系統(tǒng)的閘門開(kāi)度；

聯(lián)動(dòng)開(kāi)門：閘門綜合狀態(tài)，若可開(kāi)門，則顯示“可控”；不可開(kāi)門，則顯示“不可控”；

開(kāi)門中：閘門開(kāi)門中顯示；

關(guān)門中：閘門關(guān)門中顯示；

開(kāi)門令、關(guān)門令、停門令：按鈕控制下發(fā)單臺(tái)閘門的開(kāi)門令、關(guān)門令、停門令；當(dāng)閘門不可控時(shí)，該按鈕不可操作；

檢修態(tài)：當(dāng)閘門檢修或故障時(shí)，務(wù)必手動(dòng)設(shè)置此檢修態(tài)，以確保閘門安全。

e.閘門聯(lián)動(dòng)控制?？刂崎l門的聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟令、取消令。

聯(lián)動(dòng)開(kāi)門：確認(rèn)閘門開(kāi)度設(shè)置正確，閘門監(jiān)控反饋正確的情況下，按“聯(lián)動(dòng)開(kāi)門”，即可順序下發(fā)所選閘門的開(kāi)門令；發(fā)令規(guī)則：按照閘門優(yōu)先級(jí)順序，首批同時(shí)開(kāi)啟3臺(tái)；5s延遲后可開(kāi)啟第4臺(tái)；5s延遲后可開(kāi)啟第5臺(tái)；最多同時(shí)在開(kāi)啟中的閘門數(shù)量為5臺(tái)；

緊急聯(lián)動(dòng)開(kāi)門：聯(lián)動(dòng)開(kāi)門過(guò)程中，若閘門開(kāi)度有變化，需從頭開(kāi)始下發(fā)新的開(kāi)度，則按“緊急聯(lián)動(dòng)開(kāi)門”，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)即從首臺(tái)閘門開(kāi)始，重發(fā)開(kāi)門令，確保最新開(kāi)度及時(shí)下發(fā)。

f.系統(tǒng)復(fù)歸。復(fù)歸閘門聯(lián)動(dòng)中的所有變量，系統(tǒng)初始態(tài)開(kāi)始運(yùn)行，包括甩負(fù)荷值、光字、策略選擇結(jié)果、預(yù)設(shè)閘門開(kāi)度等；建議系統(tǒng)復(fù)歸時(shí)間：甩負(fù)荷事件發(fā)生后，閘門已開(kāi)啟到相應(yīng)開(kāi)度，則復(fù)歸系統(tǒng)。

操作流程見(jiàn)圖3。

圖3 操作流程

5 壩頂柴油機(jī)自動(dòng)啟?？刂?/h2>

為保證閘門供電穩(wěn)定，針對(duì)壩頂配電LCU中的柴油機(jī)設(shè)計(jì)自啟動(dòng)軟件，并增加柴油機(jī)遠(yuǎn)方遙控操作界面，使操作員能將柴油機(jī)“啟動(dòng)”“停機(jī)”指令手動(dòng)發(fā)送到該軟件，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的遠(yuǎn)方手動(dòng)遙控。

壩頂配電LCU中的柴油機(jī)自啟動(dòng)軟件輸入信號(hào)包括兩段壩頂400V母線電壓、壩頂400V進(jìn)線斷路器障及位置信號(hào)(壩頂400V進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、柴油機(jī)備用電源進(jìn)線斷路器)、柴油機(jī)GCB位置及端口電壓，輸出信號(hào)包括柴油機(jī)“啟動(dòng)”“停機(jī)”控制指令。當(dāng)壩頂400V母線失電時(shí)，自啟動(dòng)軟件自動(dòng)斷開(kāi)400V進(jìn)線斷路器，并啟動(dòng)柴油機(jī)，閉合柴油機(jī)進(jìn)線斷路器，由柴油機(jī)對(duì)母線進(jìn)行供電，確保閘門供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的機(jī)組與閘門的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)有效地保證了庫(kù)容小、水頭低的徑流式水輪發(fā)電機(jī)組在甩負(fù)荷情況下水庫(kù)入庫(kù)流量和出庫(kù)流量的平衡，避免了水淹廠房、水漫大壩的嚴(yán)重事故，提高了電站的安全性。