李渭杰

(南京南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 210003)

徑流式水輪發(fā)電機組具有水力損失少、過流量大、比轉(zhuǎn)速高、發(fā)電機組結(jié)構(gòu)緊湊等特點，而且具有發(fā)電效率高、汽蝕性能好、建設(shè)周期短、淹沒面積小、移民少、投資省的諸多優(yōu)點，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)電機組，電站水庫庫容較小，不具備滯洪調(diào)洪的功能。正常運行情況下水庫水位變化較小，但在機組甩負(fù)荷等特殊情況下，水輪機導(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壩前，在汛期水流量大時還易在涌浪翻閘后形成穩(wěn)定水流，進而引發(fā)更為嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。因此，在甩負(fù)荷工況下需及時聯(lián)動電站河道右槽11孔泄洪閘門，在機組甩負(fù)荷停機時啟門，及時棄水泄洪，保證水庫入庫流量和出庫流量的平衡非常重要。

1 問題提出及其研發(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發(fā)梯級，裝機總?cè)萘繛?80MW，裝設(shè)9臺單機容量20MW的貫流式機組，電站泄洪閘共計25孔，孔口凈寬20m，最大壩高30.2m，其中，左側(cè)航運河道布置14孔船閘，長度326.6m；右側(cè)河道布置11孔泄洪閘，長度257m。當(dāng)線路發(fā)生跳閘或多臺機組同時甩負(fù)荷時，電站下泄流量減少，水庫水位將迅速上漲，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，監(jiān)控系統(tǒng)將自動甩負(fù)荷，以確保電氣安全。運行人員發(fā)現(xiàn)機組甩負(fù)荷后，根據(jù)甩負(fù)荷情況及閘門當(dāng)前狀態(tài)迅速作出閘門開啟決策，再通過閘門監(jiān)控系統(tǒng)操作閘門泄洪。若運行人員經(jīng)驗不足或有其他原因未能及時操作閘門，水庫水位將迅速上漲，造成嚴(yán)重后果。為此，在電站機組甩負(fù)荷后要及時自動聯(lián)動閘門開啟泄洪，疏導(dǎo)原本流經(jīng)水輪機下泄的水流量，減小涌浪效應(yīng)，保證水庫入庫流量和出庫流量的平衡。

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

閘門聯(lián)動系統(tǒng)部署在現(xiàn)有的桃源水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)(NC2000)上。通過系統(tǒng)需求分析，根據(jù)系統(tǒng)總體方案的基本設(shè)計思路，閘門聯(lián)動控制系統(tǒng)由“甩負(fù)荷監(jiān)測程序”“閘門聯(lián)動控制程序”以及“閘門監(jiān)控系統(tǒng)通信程序”等三個功能模塊組成，聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計框架見圖1。

圖1 聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計框架

甩負(fù)荷監(jiān)測程序?qū)崟r監(jiān)視桃源電廠9臺機組的出力情況，機組發(fā)生甩負(fù)荷時，根據(jù)甩負(fù)荷情況及閘門聯(lián)動策略表，程序自動生成閘門聯(lián)動開啟方案，并在NC2000中自動推出“甩負(fù)荷聯(lián)動”畫面，顯示閘門聯(lián)動方案。經(jīng)人工確認(rèn)的“聯(lián)動方案”，交由閘門聯(lián)動控制程序執(zhí)行。閘門聯(lián)動控制程序根據(jù)閘門安全開啟策略，依次下發(fā)各閘門的開度指令到電站監(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)，自動開啟相應(yīng)閘門進行泄洪。

步驟①：實時監(jiān)視9臺機組當(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，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：實時累計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，返回步驟①；當(dāng)全廠的甩負(fù)荷總量大于閾值時，聯(lián)動系統(tǒng)根據(jù)全廠甩負(fù)荷總量、閘門聯(lián)動策略表，及當(dāng)前閘門狀態(tài)(故障、檢修、運行狀態(tài)、開度)給出閘門聯(lián)動方案；

步驟④：將閘門聯(lián)動方案自動推送到人機交互界面；

步驟⑤：操作員修改、確認(rèn)或取消閘門聯(lián)動方案；

步驟⑥：將各閘門運行指令下發(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?？紤]到安全原因，同時運行的閘門數(shù)量不得超過3臺，若聯(lián)動方案中需要運行的閘門數(shù)量大于3臺，則根據(jù)聯(lián)動方案中的優(yōu)先級順序，依次開啟閘門；

步驟⑦：閘門聯(lián)動過程中，若發(fā)生新的甩負(fù)荷事件，聯(lián)動方案按照全廠甩負(fù)荷總量實時進行更新，操作員在更新后的聯(lián)動方案基礎(chǔ)上，重新下發(fā)控制指令；

步驟⑧：閘門聯(lián)動完成，操作員手動控制各閘門關(guān)閉；

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

3 閘門聯(lián)動系統(tǒng)主要控制邏輯設(shè)計

3.1 甩負(fù)荷事故檢測

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

pi[T]-pi[T-1]>Δp&&GCBi[T]=0

其中，pi[T]為當(dāng)前時刻i號機組的功率；pi[T-k]為T-k時刻前i號機組的功率；Δp為單臺機組甩負(fù)荷閾值；GCBi[T]為當(dāng)前時刻i號機組斷路器位置。

當(dāng)發(fā)生單臺機組甩負(fù)荷后，記錄該機組甩負(fù)荷量pi[T]-pi[T-1]；累計15min內(nèi)所有機組的甩負(fù)荷總量；若甩負(fù)荷總量超過閾值，則啟動聯(lián)動閘門功能。

3.2 閘門開啟策略自動執(zhí)行

甩負(fù)荷監(jiān)測程序計算出閘門聯(lián)動策略后，需要由閘門聯(lián)動程序自動執(zhí)行該策略。受到變壓器負(fù)荷及電動機啟動電流的限制，閘門聯(lián)動過程中，不能同時開啟所有閘門，需要根據(jù)安全的方式，逐步開啟各個閘門，直到閘門開啟策略執(zhí)行完畢。

具體開啟策略如下：首批開啟3臺閘門，確保水庫及時泄流，水位在安全位置時，首批3臺閘門啟動5s后，每隔5s，可開啟一臺閘門，總運行閘門數(shù)大于5臺后，每隔25s，可開啟一臺閘門，閘門按照預(yù)定好的優(yōu)先級順序開啟。

4 閘門聯(lián)動控制系統(tǒng)操作流程

當(dāng)電站發(fā)生甩負(fù)荷事件并超過全廠閾值時，系統(tǒng)自動進入操作界面，也可以通過電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的畫面索引，人工手動進入操作界面。操作界面各部分說明見圖2。

圖2 操作界面內(nèi)容說明

a.閘門聯(lián)動系統(tǒng)光字牌。當(dāng)電站機組正常運行或甩負(fù)荷值未達到全廠閾值時，顯示“機組運行正?！?；當(dāng)全廠甩負(fù)荷超過閾值，需要聯(lián)動閘門時，顯示“機組甩負(fù)荷，閘門聯(lián)動系統(tǒng)啟動，請確認(rèn)閘門開度，并下發(fā)?。?！”并閃爍，提醒運行人員需要確認(rèn)閘門開度，并執(zhí)行下發(fā)操作。

b.閘門聯(lián)動策略顯示光字牌。當(dāng)電站機組正常運行或甩負(fù)荷值未達到全廠閾值時，顯示“機組運行正常”；當(dāng)全廠甩負(fù)荷超過閾值，閘門聯(lián)動系統(tǒng)動作時，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)動策略選擇成功！”失敗則顯示“閘門聯(lián)動策略選擇失??！”。

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

d.閘門信息顯示。

實際開度：閘門的實時開度；

預(yù)設(shè)開度：人工設(shè)置閘門開度值及甩負(fù)荷監(jiān)測自動設(shè)置開度值均記入此處；

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

聯(lián)動開門：閘門綜合狀態(tài)，若可開門，則顯示“可控”；不可開門，則顯示“不可控”；

開門中：閘門開門中顯示；

關(guān)門中：閘門關(guān)門中顯示；

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

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

e.閘門聯(lián)動控制?？刂崎l門的聯(lián)動開啟令、取消令。

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

緊急聯(lián)動開門：聯(lián)動開門過程中，若閘門開度有變化，需從頭開始下發(fā)新的開度，則按“緊急聯(lián)動開門”，聯(lián)動系統(tǒng)即從首臺閘門開始，重發(fā)開門令，確保最新開度及時下發(fā)。

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

操作流程見圖3。

圖3 操作流程

5 壩頂柴油機自動啟?？刂?/h2>

為保證閘門供電穩(wěn)定，針對壩頂配電LCU中的柴油機設(shè)計自啟動軟件，并增加柴油機遠方遙控操作界面，使操作員能將柴油機“啟動”“停機”指令手動發(fā)送到該軟件，實現(xiàn)柴油機的遠方手動遙控。

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

6 結(jié) 語

本文提出的機組與閘門的聯(lián)動控制系統(tǒng)有效地保證了庫容小、水頭低的徑流式水輪發(fā)電機組在甩負(fù)荷情況下水庫入庫流量和出庫流量的平衡，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。