大渡河枕頭壩水電站泄洪閘門應急控制系統設計與應用

靳帥 李建清

摘要：為了確保大渡河枕頭壩泄洪閘運行的穩定性和可靠性，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、水漫大壩等嚴重危及生態安全和生產安全的事故，大渡河枕頭壩電站設計了具有下游河道生態安全防護功能的泄洪閘應急控制系統。該系統具備庫區水位過高應急提門、送出線路跳閘應急提門、泄洪閘動力電源消失應急送電、閘門動作應急聯動報警等功能。結合該系統的特點及實際應用情況，詳細闡明了該系統的作用和意義，可為同類型水電站閘門應急控制改造提供參考。

關鍵詞：泄洪閘;應急控制系統;生態流量;枕頭壩水電站;大渡河

中圖法分類號：TV663文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.010

文章編號：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行對大壩及廠房設備的安全和下游河道的生態安全至關重要[1-2]，傳統的泄洪閘控制系統具備對各閘門的獨立控制，能根據人為操作實現對閘門的開啟和關閉，但在運行中存在風險：①庫區水位超高時，運行人員監視不到位可能引起水漫大壩的風險;②大壩400 V動力電源消失時，若電源恢復不及時，存在大壩閘門無法操作的風險;③送出線路跳閘導致機組全停時，人工操作造成延誤未能及時開啟閘門，存在下游河道生態流量中斷的風險。

若發生上述風險，需要人為迅速判斷是否開啟閘門，在判斷和處理的過程中，一旦耽誤時間較長，就容易錯過最佳處理時機，從而對大壩及下游河道的生態安全帶來威脅。因此，亟須設計一種應對緊急情況的控制系統，能夠快速聯動閘門，及時發送預警信息，避免下游人民生命財產損失，保證下游河道生態流量安全。

2 系統設計背景

枕頭壩水電站位于大渡河干流，采用堤壩式開發，電站總裝機72萬kW，多年平均發電量為32.90億 kW·h，多年平均流量為1 360 m3/s，正常蓄水位為624 m，水庫總庫容為0.469億m3，調節庫容為0.145億m3，設備操作響應時間要求極高[3]。泄洪閘系統由5孔閘門組成，其運行具有以下特點：

（1）泄洪閘系統采用“無人值班”，可靠性要求高。自電站投運以來，采用無人值班（少人值守）的運行模式，無法實現人工對所有運行情況的全程監視，需要應急系統對各種異常情況自動做出應急反應，對系統的可靠性和安全性都提出了較高要求。應急系統的設計需要確保在緊急情況下能夠及時準確動作，需開展在各種特殊條件下的試驗驗證，確保在滿足動作條件時既不拒動也不誤動，在不滿足條件時不動作，保證系統動作可靠率為100%。需重點解決數據采集的準確性問題，數據包括閘門開度信號、庫區水位信號、線路負荷信號、大壩400 V動力電源信號等;確定不同條件下閘門應急系統的投入條件;充分考慮柴油發動機的啟動條件及防誤開出措施。

（2）電站水庫容量小，庫區水位上漲快。電站可調節庫容較小，在發生緊急情況時要求系統能夠及時動作開啟閘門，避免庫區水位持續上漲威脅大壩安全。系統的數據計算性能及回路設計的可靠性直接關系到閘門開啟指令能否成功動作于泄洪閘門。為滿足系統響應的及時性，需對應急系統邏輯算法和輸出回路不斷優化設計，在原泄洪閘門控制系統的基礎上重新設計專用動作回路。不同流量差條件下壩前水位上漲至624 m所需時間見表1。

（3）地理位置特殊，河流生態環保管控嚴。該電站處于大渡河珍稀魚類洄游的必經河段，需首先保證魚類安全所需的生態流量。同時，有大型企業取水口位于電站下游河道，需保證最小下泄流量，滿足企業取水需求。電站所在地為少數民族聚居區，河道日常人為活動較多，在泄洪操作前應及時發出預警信息，避免下游群眾發生生命財產損失。因此，在正常履行電站發電生產任務的同時，對于相關的河流生態環保安全和社會影響等問題也不容忽視。

3 系統設計方案

為了確保泄洪閘運行的穩定性、下游河道生態安全性和供電可靠性，枕頭壩水電站配置了泄洪閘應急控制系統（圖1）。該設計方案實現以下4個目標：①根據庫區水位實現緊急條件下的泄洪閘應急控制，防止水庫水位超過警戒線水漫大壩;②實現全站突然甩負荷情況下自動應急開啟泄洪閘門，保證下游生態安全;③當大壩400 V動力電源消失時自動啟動柴油發電機，確保大壩5孔泄洪閘門動力電源供給;④當該系統動作時，自動聯動啟動電站ON-CALL系統和泄洪報警系統，報告險情發出告警信號，通知下游區域人員及時撤離，從而避免發生生命財產損失。解決險情發生后人為發送報警延遲的問題。

3.1 系統組成及功能

應急控制系統采集水庫水位、5孔泄洪閘開度、大壩兩段400 V母線電源及進線斷路器狀態、柴油發電機的運行情況以及送出線路功率、電流，通過以太網與大壩LCU進行通訊，經過大壩LCU中轉實現其控制作用，同時將應急系統中的信息送至監控系統上位機。系統由2個子系統構成：①大壩柴油發電機自動投入系統，在大壩兩段400 V母線電壓均失電時，由系統控制大壩柴油發電機自動啟動發電，保障大壩5孔泄洪閘的電源供給。②泄洪閘應急控制系統，實時監測水庫水位，當水庫水位達到警戒水位時發出預警信號，達到緊急動作水位自動提升泄洪閘開啟泄洪閘泄洪;在全站突然甩負荷情況下，根據所甩負荷自動開啟泄洪閘門。

在正常情況下，系統根據入庫流量和發電引用流量控制泄洪閘啟閉，保證上游水位和機組出力[4-5];廠用電10 kV系統供電至壩區變411B、412B，5孔泄洪閘的電源分別取自壩區400 V動力電源、柴油發電機做為應急備用電源（圖2）。泄洪閘應急控制系統實時監測大壩上游水位、線路功率和電流的變化等信息，根據內部預設邏輯，執行相應的開出，通過無源硬接點控制泄洪閘的緊急啟閉。還可實時監測大壩Ⅱ段400 V母線電壓，若均失電則立即自動啟動柴油發電機向大壩400 V供電，確保大壩5孔泄洪閘的電源供給。

3.2 系統功能實現原理

（1）柴油發電機應急自動啟動送電功能及邏輯。應急控制系統檢測到大壩400 V Ⅰ段和Ⅱ段均失電時，系統調用枕頭壩水電站應急電源自動投入程序，跳開大壩400 VⅠ段進線開關DB11和大壩400 VⅡ段進線開關DB12后自動啟動柴油發電機。程序判斷當柴油發電機啟動正常（柴油發電機出口電壓正常時CF10自動合閘）后，自動合上柴油發電機出口開關CF11和大壩400 VⅠ段、Ⅱ段柴油發電機進線開關CF15、CF25 ，向大壩400 VⅠ段和Ⅱ段供電。當大壩400 VⅠ段、Ⅱ段電源恢復后，需由運行人員手動恢復正常運行方式。

（2）泄洪閘應急自動控制功能及控制邏輯。應急系統實時監測水庫水位，并采集當前全站總有功、線路三相電流和各泄洪閘門開度。①當應急系統監測的三路水庫水位中任意一路水位到達預警水位值時發出告警信號，三路水位信號中任意二路水位到達動作水位值時，根據汛期和非汛期方式的選擇，自動提升泄洪閘門至相應開度泄洪。②當應急系統監測到線路負荷（直采）在2 s內由60 MW以上突變到20 MW以下、線路三相電流小于20 A且另一路線路負荷（監控通訊）也在2 s內由60 MW以上突變到20 MW以下時，根據汛期和非汛期方式選擇，按所甩負荷自動計算并開啟泄洪閘門至相應開度泄洪。

應急控制系統若啟動應急流程，在汛期，系統將應急提門總開度平均分配給狀態正常的閘門;在非汛期，系統將應急提門開度分配給狀態最優的一扇閘門。

4 系統設計特點

4.1 構建可靠性高、自動化程度高的控制系統

（1）構建一套動作可靠性高的控制系統。設計了水位自動檢測系統，通過構建庫水位測值特征庫及閾值，與電站監控系統上位機通過通訊方式讀取的相關水位數據一起作為輔助判據，采用“三取二”+輔助判據的方式作為庫水位異常動作依據。通過采集線路功率/三相電流，采用互為判據的方式作為電站功率異常或跳閘動作判據，提高了動作的可靠性。通過網絡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，極大提高了對設備控制的可靠性。

（2）構建一套自動化程度高的控制系統。通過PLC對輸入量進行組態邏輯判斷，準確識別相應的故障或異常運行情況，通過網絡通訊的方式直接對相應的泄洪閘閘門進行控制，極大提高了該系統的自動化程度。該自動控制系統快速響應，能有效防止人為判斷失誤或操作延遲，造成下游河道斷流、水漫大壩等嚴重危及生態安全的事故發生。同時，可設定庫水位下降到預設閾值時泄洪閘門自動落門，避免水庫水位過低造成水工建筑物異常運行情況。

（3）具有壩區柴油發電機應急自動啟動功能。由系統自動檢測大壩泄洪閘門動力電源母線運行情況，發現異常時，系統調用應急電源自動投入程序，自動啟動壩區柴油發電機，并通過自動控制流程，斷開前端供電電源開關，自動將柴油發電機投入使用，為壩區電源母線供電，保證壩區供電電源的可靠性。

4.2 構建攔河壩下游河道生態保護圈解決方案

（1）建設水位自動檢測系統，通過構建庫水位測值特征庫及閾值，與電站監控系統上位機通過通訊方式讀取的相關水位數據一起作為輔助判據，作為泄洪閘調整的動作依據。通過建立線路/機組負荷特征庫，將泄洪閘門溢流曲線/機組N-H-Q曲線與電站負荷突變量進行關聯匹配，自動提落泄洪閘閘門。

（2）收集下游生態流量要求，將相關參數寫入控制程序，自動啟閉泄洪閘閘門，有效避免枯水期機組異常跳閘或線路跳閘造成下游河道斷流對下游生態圈的影響，保證了下游河道生態流量，與電站魚道系統形成配合，為河道內野生魚類繁殖提供了良好的生態圈。

4.3 實現緊急情況的聯動報警功能

險情發生后人為發送報警延遲的問題得到解決。當該系統動作時，自動聯動啟動電站ON-CALL系統和泄洪報警系統，報告險情發出告警信號，及時通知下游區域人員撤離，避免發生生命財產損失。

5 泄洪閘應急系統應用情況

5.1 提高應急響應速度

泄洪閘控制系統的應急響應時間大大縮短，提高了閘門應急啟動速度，對大壩安全運行和下游河道生態安全防護具有重要意義。系統投運前后相關動作時間對比如表2所示。

5.2 提升動作正確性

按照不同的工況條件，設置對應動作方案，以達到設計方案的要求，實現正確動作。系統動作邏輯見表3。

系統在投運以來，及時可靠準確動作10余次，動作成功率100%，成功避免了下游河道生態環保事件和水漫大壩險情的發生，有效保障了生態流量及大壩安全，為下游河道生態環保及電站下游群眾生命財產安全提供了可靠保障。

5.3 保障下游河道生態和安全

系統投入使用后，在發生全廠失電、閘門全關的緊急情況下，確保了下游河道生態流量的安全供給，為大渡河珍稀魚類洄游提供了有利生態條件。從根本上避免了下游大型重點企業及沿岸居民生活用水發生斷流的風險，保障了企地和諧。泄洪預警信息的緊急自動播送，有效保障了河道附近人員的活動安全，社會效益顯著。系統投入實際應用后，枕頭壩電站大壩上游年平均運行水位抬高了0.8 m，機組運行耗水率降低0.12 m3/（kW·h），每年平均可增加發電量3 024萬kW·h。

6 結 語

在水電站運行中，具有下游河道生態保護和安全防護功能的泄洪閘門應急控制系統設計方案，可為水電站正常運行提供一套穩定可靠、自動化程度高的控制系統。該系統實現了應急電源的自動啟動控制，建立了庫水位智能測報及聯動控制系統，配合電站魚道系統形成了良好的生態圈，無需在險情發生后由人為發送報警。該系統為電廠的安全生產、效益提升起到了較大促進作用，推動了大型流域水電站泄洪系統的安全運行和水工建筑物控制系統的技術進步，提升了水電企業的應急管理水平，可為同類型水電站河道生態安全管控和應急系統建設提供參考。

參考文獻：

[1] 李慶斌，石杰. 大壩建設4.0[J].水力發電學報， 2015， 34（8）： 1-6.

[2] 鐘登華，王飛，吳斌平，等. 從數字大壩到智慧大壩[J].水力發電學報，2015，34（10）： 1-13.

[3] 靳帥， 李建清.泄洪閘應急控制系統在枕頭壩水電站的應用[J].水電與新能源， 2018， 32（3）： 68-71.

[4] 陳樂鋒.淺析楠溪江供水工程攔河閘自動化控制應用[J].水利建設與管理， 2016，（6）： 73-76.

[5] 王超杰. 淺談梯級水電站群泄洪閘遠程集控[J].福建水力發電， 2017，（2）： 43-44.

（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