泄洪閘應急控制系統在深溪溝電站的應用

趙小明，劉 鶴，楊 東

( 國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源625304)

深溪溝水電站位于四川省大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤部，為大渡河干流規劃的第十八級電站，其上一梯級為瀑布溝電站，電站樞紐由河床式廠房、窯洞式安裝間、泄洪閘、沖沙閘、擋水壩等水工建筑物組成，壩頂高程662.50 m，水庫正常蓄水位660.00 m，正常庫容3 227 萬m3，調節庫容787 萬m3，具有日調節性能。電站接瀑布溝水電站尾水，裝設4 臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量660 MW，多年平均發電量32.35 億kW·h，發電裝機年利用4 900 h。電站按無人值班( 少人值守) 原則設計，采用計算機監控系統控制，由流域梯級調度中心統一調度運行。基于“無人值班、少人值守”的要求，對電站安全穩定運行和自動化控制系統的要求很高。

1 應急系統項目背景

深溪溝電站作為瀑布溝水庫的反調節電站，有著庫容小、送出線路單一、廠用電可靠性低等一些不利因素，如果廠用電消失后不能快速恢復將導致泄洪閘、泄洪洞工作門啟閉機電源消失，無法提門泄水，由于深溪溝水庫較小的可調節庫容，存在著水沒大壩的風險，向下游企業的供水也可能中斷;同時滲漏泵、壩基泵電源消失，存在著水淹廠房風險，直接威脅到大壩的安全運行。因此實現對柴油發電機的自動啟動控制，以在最短時間內恢復廠用電，是事故恢復及將事故危害降到最低的重要保證，而作為廠用電后備電源的柴油發電機的啟動則是恢復廠用電的可靠措施。目前，在多數水電廠柴油發電機的啟動是靠人工手動啟動，這樣使廠用電恢復時間較長，同時造成事故處理時人員不足，影響事故后恢復。因而在最短時間內啟動柴油發電機，恢復廠用電，實現對柴油發電機的自動快速啟動控制是非常必要的。經多方調研和討論，決定對深溪溝泄洪閘增加應急控制系統，以實現深溪溝水電站泄洪閘在緊急條件下自動控制，防止水庫水位超過警戒線甚至漫壩，同時防止在全廠停電的情況下可能造成下游供水中斷等事故發生。

2 應急系統的結構

深溪溝泄洪閘應急控制系統包括應急系統控制屏、UPS電源屏、蓄電池屏、水庫水位采集裝置及相應通訊裝置等設備構成。其系統圖如圖1:

圖1 應急系統圖

3 應急系統的功能

泄洪閘自動控制系統具備柴油發電機自動投入功能和泄洪閘自動控制功能。

3.1 切模開關

應急控制系統控制屏面板有“汛期”和“非汛期”的切換開關，此切換開關的操作由集控中心下令現場運行人員根據集控命令進行操作，嚴禁隨意操作。當切換開關置于“切除”位時，應急系統的應急功能退出，不啟動應急流程，但不影響與監控和集控的通訊，監控和集控仍可遠方操作泄洪閘。

3.2 控制模式

應急控制系統控制權設置有“集控”、“廠控”和“應急”3種控制模式，在上位機或集控均可自動進行“廠控”和“集控”模式的切換。正常條件下，控制權在“集控”或“廠控”模式，實現3 孔泄洪閘的遠方控制。當“線路跳閘”或“水位越限”應急啟動條件滿足時，應急系統將控制權自動切換到“應急”模式。在通信正常情況下，不論應急控制流程是否啟動，運行人員都可發令將控制權切回到“集控”或“廠控”模式。在應急啟動過程中，如果運行人員發令將控制權切換到“集控”或“廠控”模式，控制權將不會自動切換到“應急”模式，除非下一次應急條件滿足時應急系統將再次將控制權切換到“應急”模式。

3.3 柴油發電機自動投入功能

在全廠失電的情況下，控制系統檢測到壩頂400 V 系統Ⅰ、Ⅱ段母線均失電后，跳開壩頂400 V 系統Ⅰ段進線開關DB11 和母聯開關DB13，經延時自動啟動柴油發電機同時閉鎖壩頂400 V BZT，當柴油發電機啟動正常后，自動合上柴油發電機出口開關DB10－1 和壩頂400 V 系統Ⅰ段柴油發電機進線開關DB10，向壩頂400 V Ⅰ段母線供電，以保證3 孔泄洪閘的電源供給。此流程動作后不會自動復歸，需人為到現場恢復大壩400 V 電源，400 V 電源恢復應在閘門動作結束后進行。

3.4 泄洪閘自動控制功能

應急系統實時監測水庫水位，并采集當前全廠總有功和各泄洪閘門的開度。當水庫水位達到警戒水位時發出告警信號，達到動作水位時，根據目前機組的運行狀況，自動提升3孔泄洪閘門至相應開度進行泄洪。為保證水位監測的準確性，本系統采取3 選2 方式(1 套投入式液位傳感器、1 套浮子開關組、1 套超聲波傳感器) 進行水位測量。具體動作結果見表1:

為了減小水工建筑物沖刷和閘門調節頻率，泄洪閘調節順序為2 號泄洪閘、1 號泄洪閘、3 號泄洪閘，且每孔閘門的動作開度不超過12m，若在操作過程中閘門出現故障，應急系統自動將未動作完的閘門開度按順序賦給下孔閘門繼續操作，直至閘門開度滿足要求。

表1 泄洪閘自動控制動作結果

3.5 信息交換與命令傳輸

泄洪閘應急控制系統通過雙網雙冗余以太網與電站7LCU 進行通訊，實現應急系統與電站監控系統的信息交換，并通過監控系統接受集控中心及電站運行值班人員的操作命令，進行相應的操作。泄洪閘應急控制系統通過MB+網與3孔泄洪閘門控制系統進行通訊，以采集3 孔閘門的信息，同時通過MB+網絡進行閘門預制開度的傳輸，閘門操作命令采用硬接線的方式下達。監控系統和集控中心對3 孔泄洪閘門的操作命令均通過應急系統將命令傳輸至各孔門的現地控制系統。

4 應急系統控制流程

4.1 應急電源自動投入流程

1) 判斷到廠用電源消失，大壩400V 配電室失壓的情況下調用應急電源自動投入程序;

2) 跳開斷路器DB11、DB12、DB13;

3) 判斷以上斷路器位置開關在跳開位置，判斷所有母線失壓;

4) 給大壩的柴油發電機發出啟動命令，判斷柴油發電機是否正常啟動，達到正常發電運行工況;

5) 柴油發電機正常后合上DB10、合上斷路器DB11;

6) 判斷大壩400 VI 段電壓正常，恢復大壩400V I 段電源。

具體流程見圖2:

4.2 泄洪閘應急流程

泄洪閘應急流程的啟動有以下幾種形式:

1) 監測到開關站斷路器跳閘信號，水庫水位達到動作水位，控制系統啟動應急控制流程;

2) 監測到水庫水位達到緊急正常動作水位，控制系統啟動應急控制流程;

3) 汛期時水庫水位達到警戒水位以上的動作水位，控制系統啟動應急控制流程;

4) 枯水期時保證下泄327 m3/s 流量，保障下游企業的供水，當下泄流量＜327 m3/s 時，控制系統啟動應急控制流程;

本控制系統的所有信息通過通訊提供給監控系統，以保證遠方監控系統隨時監測本控制系統的所有信息。具體流程見圖3。

圖2 應急電源自動投入流程

5 UPS 系統

本系統需要絕對穩定可靠的電源，考慮到在全廠失電的情況下廠用電不能提供電源，本系統增加一套UPS 冗余電源，UPS 冗余電源可維持至少60 min，單獨裝設在一面盤柜里。PLC 控制系統工作電源采用一路直流電源+1 套UPS 自備應急電源。UPS 系統的容量為10kVA，采用雙機并機工作方式，由2 臺UPS 裝置和1 臺并機輸出配電單元( POD) 組成。正常情況下，UPS 工作在交流逆變供電模式。當交流掉電時，UPS 自動轉為電池供電模式;當負載過載時，UPS 自動轉為旁路供電模式;當逆變器發生故障、機內溫度過高等時，UPS 自動轉為故障狀態下工作。當UPS 負載超過額定值時，UPS 將從交流逆變輸出模式轉為旁路供電，UPS 將發出間隔0.5 s 的報警音，此時UPS 輸出即為交流輸入電壓，需要將多余負載卸除，直至UPS 不再過載告警，等候5 min，輸出將自動轉回交流逆變模式。為保護負載及UPS，1 h 內過載轉旁路次數不能超出3 次，如超過則輸出將停留在旁路狀態，需要等候1 h才能轉回逆變。UPS 系統共有2 組蓄電池組，每組由16 塊電池串聯，單節電池電壓12V，容量200Ah。UPS 系統原理圖如圖4。

圖3 應急控制流程圖

圖4 UPS 系統原理圖

6 結束語

該應急控制系統實現了深溪溝泄洪閘監控系統和集控中心遠方提落門的控制要求，同時該控制系統自動監測水庫水位，當水庫水位達到警戒水位時向監控系統報警，達到動作水位自動提升泄洪閘門進行放水，以保證在緊急條件下實現水庫水位的應急控制，防止水庫水位超過警戒線甚至漫壩，同時防止了全廠唯一一條送出線路跳閘后可能造成下游供水中斷等情況。在全廠失電的情況下，該控制系統能控制柴油發電機自動啟動并自動倒廠用電，向大壩400 V 系統供電，以保障泄洪閘系統的電源供給，為深溪溝電站的安全穩定運行提供了保障，也為深溪溝電站“無人值班，少人值守”的實現奠定了基礎。