胡 林，钟晓曦，王海达，李小治，鲍艳香

（1.华能澜沧江水电股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214；2.国网电力科学研究院/南瑞集团公司，江苏省南京市 210098；3.南京水利水文自动化研究所，江苏省南京市 210098）

景洪电厂事故应急补水在监控系统中的自动化研究及应用

胡 林1，钟晓曦1，王海达1，李小治2，鲍艳香3

（1.华能澜沧江水电股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214；2.国网电力科学研究院/南瑞集团公司，江苏省南京市 210098；3.南京水利水文自动化研究所，江苏省南京市 210098）

由于特殊的地理位置，为维持下游流量平衡，景洪电厂在机组事故跳闸后，需要开启泄洪闸门进行应急补水。为了得出各泄洪闸门的补水目标开度，运行人员需要根据监控系统和水情系统的各项参数进行大量手动计算。考虑到计算工作给运行人员带来的负担，本文对补水计算的自动化应用进行了研究，在分析运行人员的手动计算步骤和计算参数后，发现可以在监控系统中实现应急补水计算参数的整合和计算过程的复现，通过对各泄洪闸门的流量开度对应关系进行建模，并对事故前后电厂机组、闸门的各项参数以及流量开度对应关系模型的综合运算，在系统自动或运行人员手动对补水流量进行分配后，监控系统可以自动计算出各泄洪闸门的补水目标开度。自动补水功能实现了监控系统和水情系统的数据整合应用，完全取代了运行人员的手动补水计算，并直接提高了补水精度和事故响应速度。

监控系统；景洪电厂；补水

0 引言

华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂（以下简称景洪电厂）位于云南省澜沧江下游河段、西双版纳傣族自治州境内，距下游景洪市5公里，地理位置特殊，为防止电厂负荷大幅波动而导致下游流量变幅超标，进而对下游航运、民众的生产生活、水上工作人员和其他设施产生不良影响，电厂机组带基荷运行，负荷调整缓慢，在负荷调整时必须密切监视下游水位及流量变化。当电厂发生机组跳闸且无法启动备用机组来弥补损失负荷时，运行人员启动应急补水预案，开启泄洪闸门放水，以维持下游流量平衡。应急补水所涉及的泄洪闸门包括：左冲砂底孔（以下简称左冲）、右冲砂底孔（以下简称右冲）、1～7号表孔共9个闸门，开启的优先级顺序依次为：右冲、左冲、5号表孔、4号表孔、6号表孔、7号表孔、3号表孔、2号表孔、1号表孔。

1 手动补水

在应急补水过程中，运行人员需要对事故损失流量、补水目标流量以及为实现补水目标需要开启的各泄洪闸门开度进行计算，涉及的参数包括：

①当前出库流量；②当前库水位；③当前机组耗水率；④当前机组状态及负荷；⑤当前各泄洪闸门开度；⑥各泄洪闸门在不同水位（591～602m）下的流量开度对应关系。

其中参数①、②、③是水情系统中的实时数据；参数④、⑤是监控系统中的实时数据；参数⑥来自试验得出的各泄洪闸门在不同整数水位下的流量开度表，如表1所示（为控制篇幅，仅附部分水位下表孔闸门的流量开度对应关系）：

表1 表孔闸门部分水位下的流量开度表Tab.1 Flow-opening relationship at variouslevels of crest outlet floodgate

运行人员应急补水计算的步骤如下：

（1）为精简计算过程，同时匹配各泄洪闸门在整数水位下的流量开度对应关系，将当前库水位（参数②向下取整，不采取四舍五入的取整方式是为了防止补水不足。

（2）确定事故前流量，机组跳闸导致的出库流量变化反映在水情系统中是一个极其缓慢的过程，因此运行人员有条件在事故发生后，对当前的出库流量（参数①进行主观修正，得出机组跳闸前的出库流量Q0。

（3）计算当前所有机组的总过机流量Q为：

式中：P为事故后的全厂总负荷，MW；η为耗水率；N为处于空载态或空转态的机组台数。

当机组处于空载或空转态时，默认机组流量为80m3/s，当机组处于停机、检修或不定态（机组停机、空转、空载、发电间的过渡状态）时，默认机组流量为0。

（4）根据取整后的水位，近似计算各闸门的事故后流量{Q1，Q2，…，Q9}为：

式中：{H1，H2，…，H9}为各闸门当前开度；递增数组{h1，h2，…，hn}和{q1，q2，…，qn}分别对应至取整水位下各闸门流量开度对应表中的开度和流量。

（5）计算事故后总流量Qs为：

（6）计算事故损失流量ΔQ为：

（7）在允许的补水误差（±460m3/s）范围内，选择一个补水目标值ΔF：

（8）根据闸门开启优先顺序和电厂工况，将补水目标值ΔF分配至各闸门，各闸门分配补水量{ΔF1，ΔF2，…，ΔF9}为 ：

（9）计算各闸门补水后目标流量{F1，F2，…，F9}为：

（10）根据取整后的水位，近似计算各闸门的目标开度{ΔH1，ΔH2，…，ΔH9}为：

2 自动补水的需求性及可行性

2.1 需求性分析

运行人员手动补水计算主要存在以下问题：

（1）事故发生后运行人员需要进行大量的应急操作和汇报、联络、分析工作，同时面对较大的精神压力，应急补水计算增加了运行人员的工作量，增大了人为失误导致事故没有妥善处置甚至进一步扩大的概率。

（2）运行人员采用将库水位向下取整的近似计算方式，补水精度较低，计算得出的应急补水量远大于实际需要。

因此为了节省人力成本，减少事故发生时运行人员的工作量，提高补水精度，达到节水发电的目标，存在对自动补水的功能需求。

2.2 可行性分析

（1）补水计算涉及的参数包括实时数据和固定数值：实时数据分别来自监控系统和水情系统，其中水情系统的实时数据可以通过通信方式传输至监控系统；固定数值为各闸门在不同水位下的流量开度对应关系，可以通过建模方式写入监控系统。因此在监控系统中可以对补水计算参数进行整合。

（2）补水计算涉及的公式比较简单，主要包括：比例运算、线性运算和其他一些简单的基本初等函数，都可以在监控系统中通过计算机编程实现。

（3）在监控系统中对闸门流量开度对应关系进行建模，可以根据当前库水位和闸门流量开度表，采用线性拟合算法计算出当前库水位下各闸门的流量开度对应关系，取代手动计算中将水位取整的做法，进一步提高补水精度。

因此在监控系统中可以实现补水计算所需要的参数整合和数学运算，并提高补水精度，自动补水功能有充分的可行性。

3 自动补水的功能原理及界面

3.1 功能原理

自动补水功能的计算步骤如下：

（1）将水情系统中的出库流量、库水位、机组耗水率等计算参数传输至监控系统。

（2）通过线性拟合算法对当前库水位下各泄洪闸门的流量开度对应关系进行初步建模，设当前库水位为L，则各闸门开度{h1，h2，…，hn}对应流量{q1L，q2L，…，qnL}：

式中：{qi591，qi592，…，qi602}为水位{591m，592m，…，602m}时，各闸门开度hi在流量开度表中的对应流量，i∈{1，2，…，n}。

图1为初步建模后，当前库水位为601m、601.3、601.5、601.8、602m时，表孔闸门从开度15m到21m的流量开度对应关系曲线：

（3）通过线性拟合算法计算出当前库水位下各泄洪闸门的最大有效开度和最大有效流量。

当水位为591m时，表孔闸门开度超过12m后，对应流量保持在885m3/s，因此水位591m下表孔闸门最大有效开度为12m；同理当水位为596m时和597m时，表孔闸门最大有效开度分别为14m和21m。因此通过闸门流量开度表可知各泄洪闸门在取整水位下的最大有效开度和最大有效流量。

设当前库水位为L，则闸门最大有效开度为：

图1 表孔闸门流量开度对应关系的初步建模Fig.1 Preliminary modeling of flow-opening relationship of crest outlet floodgate

（4）根据当前库水位L下的闸门最大有效流量对初步建模后的流量开度对应关系进行修正，得到与闸门开度{h1，h2，…，hn}对应的修正流量{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}为 ：

图2为修正建模前后，水位596、596.5、597m下表孔闸门从开度11m到21m的流量开度对应曲线：

（5）根据式（1）计算当前机组总流量Q。

（6）根据各闸门当前库水位下的流量开度对应关系和公式2计算当前各闸门下泄流量{Q1，Q2，…，Q9}，注意将公式2中的参数{q1，q2，…，qn}替换为参数{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}，前者为取整水位下的各闸门开度对应的流量，后者为修正建模后当前库水位下各闸门开度对应的流量。

图2 表孔闸门流量开度对应关系的两种建模比较Fig.2 Two modelings of flow-opening relationship of crest outlet floodgate

（7）根据公式3计算补水前的事故后总流量Qs。

（8）运行人员根据出库流量修正得出事故前流量Q0，代入公式4计算事故损失流量ΔQ。

（9）计算出补水目标上限ΔFmax和补水目标下限ΔFmin：

此处采用（100m3/s，-400m3/s）的误差范围取代手动补水计算±460 m3/s的误差范围，是为了提高计算精度，在满足补水要求的前提下尽量减少泄洪流量，达到节水发电的目标，同时考虑到线性拟合算法带来的系统误差，防止发生补水不足的情况。

（10）计算各闸门可以分配的补水流量上限{ΔF1max，ΔF2max，…，ΔF9max}：qn}替换为参数{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}，前者为取整水位下的各闸门开度对应的流量，后者为修正建模后当前库水位下各闸门开度对应的流量。

（11）由运行人员选择自动分配方式或手动分配方式，自动分配时，系统按照默认的闸门开启优先级顺序计算补水分配流量{ΔF1，ΔF2，…，ΔF9}：

手动分配时，运行人员在补水目标上下限之间选择补水目标值ΔF，并手动分配流量：

常规情况下，采用自动分配方式；异常情况下，特别是当优先级较高的泄洪闸门（如右冲闸门、左冲闸门）无法开启时，采用手动分配方式。

（12）根据公式（5），计算各闸门的补水目标流量{F1，F2，…，F9}。

根据公式（6），计算各闸门的补水目标开度{ΔH1，ΔH2，…，ΔH9}，注意将公式（6）中的参数{q1，q2，…，qn}替换为参数{Δq1L，Δq2L，…，ΔqnL}。

3.2 功能界面

假设当前库水位为600.24m，耗水率为6.465，各泄洪闸门当前开度与流量均为0，2、3、5号机组处于发电态，机组有功功率分别为265.6MW、266.0MW、261.1MW，过机流量分别为477.33m3/s、477.87m3/s、469.61m3/s，机组总流量约为 1424m3/s。假定事故前流量为3000 m3/s，则事故损失流量为1576.44m3/s，补水目标下限为1176.44m3/s。

当补水分配方式为自动时，按照闸门开启的优先级顺序进行补水分配，对右冲闸门分配流量1070.96m3/s，目标开度8m；剩余补水流量分配给左冲闸门，目标开度1.79m，如图3所示。

需要说明，在电厂实际运行过程中机组有功功率不断波动，导致机组总流量、事故后流量、事故损失流量、补水目标流量等中间参数的波动，同时由于补水计算过程存在延时，计算结果无法完美跟踪以上参数变化，因此画面中左冲闸门的分配流量与当前流量之和不等于目标流量（分配流量为103.87m3/s，当前流量为0，目标流量为106.20m3/s），但误差非常微小。

当补水分配方式为手动时，假设运行人员手动分配补水流量为：左冲闸门200m3/s，目标开度3.43m；1号表孔闸门500m3/s，目标开度3.56m；5号表孔闸门300m3/s，目标开度2.15m，如图4所示。

此时已分配补水流量1000m3/s，补水目标下限为1174.47m3/s，最少还需补水流量174.65m3/s。（此处1174.47m3/s-1000m3/s≠174.65m3/s，原因同上）。运行人员继续分配174.65m3/s的补水流量，即可完成手动补水分配。

图3 自动分配方式下的自动补水功能界面Fig.3 Automatic water supply function interface under automatic allocation mode

图4 手动分配方式下的自动补水功能界面Fig.4 Automatic water supply function interface under manual allocation mode

4 结束语

景洪电厂自动补水功能充分实现了开发之初的设计目标，实现了不同系统间的数据整合应用，是当前“水电合一、智能发电”大课题下的一次成功探索，与手动补水计算相比，其优越性体现在，提高了补水精度，减少了运行人员负担，加快了事故响应速度，提高了发电运行安全系数，也为有类似需求的其他水电厂提供了借鉴和参考。

[1]刘观标，李晓斌，李永红，等.智能水电厂的体系结构[J].水电自动化与大坝监测，2011，35（1）：1-4.LIU Guanbiao，LI Xiaobin，LI Yonghong et al.System Structure of Smart Hydropower Plants[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring，2011，35（1）：1-4.

[2]张丽丽，彭卓越，纪龙，等.澜沧江景洪以下水位和流量变化分析[J].珠江水运，2015（12）：88-91.ZHANG Lili，PENG Zhuoyue，JI Long et al.Analysis of water level and flow rate of Jinghong downstream in Lantsang River[J].Pearl River Water Transport，2015（12）：88-91.

[3]杨文道，张岩雨，潘菊芳.抽水蓄能机组电动工况启动的自动控制[J].水电与抽水蓄能，2015，1（2）：16-21.Yang Wendao, Zhang Yanyu, Pan Jufang.The automatic control of the pumped start-up of the pumped-storage unit[J].Hydropower and Pumped Storage, 2015，1（2）：16-21.

胡 林（1983—），男，大学本科，工程师，研究方向为水力发电监控系统自动化，E-mail：hulin.lcjgs@163.com

钟晓曦（1984—），男，大学本科，工程师，研究方向为水情测报与水库调度，E-mail：187130316@qq.com

王海达（1985—），男，大学本科，工程师，研究方向为水力发电监控系统自动化，E-mail：sdfzwang@163.com

李小治（1986—），男，大学本科，助理工程师，研究方向为水力发电监控系统自动化，E-mail：lixiaozhi@sgepri.sgcc.com.cn

鲍艳香（1985—），女，大学本科，助理工程师，研究方向为水情测报与水库调度，E-mail：82495366@qq.com

Research and Application of Automatic Water Supply in SCADA System of Jinghong Hydroplant After Accident

HU Lin1，ZHONG Xiaoxi1，WANG Haida1，LI Xiaozhi2，BAO Yanxiang3
（1.Huaneng Lancang River Hydropower Co.，Ltd.Cascade Control Center，Kunming 650214，China; 2.State Grid Electric Power Research Institute/Nari Group Corporation，Nanjing 210098，China; 3.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210098， China）

Due to the special geographical location，in order to maintain the balance of the downstream flow，after accident Jinghong Hydroplant need to open the sluice gates for emergency water supply.In order to obtain the goal of floodgates opening，the operators need a lot of manual calculation according to the parameters in the SCADA system and Hydrology Monitoring system.In order to solve the burden to operators which is brought by the calculation of emergent water supply，this paper studied automation application of water supply.The analysis of manual calculation steps and calculation parameters of operators indicates that it is practicable to realize the integration of calculation parameters and recurrence of calculative process in the SCADA system.After modeling flow-opening relationship of various floodgates，through comprehensive calculation of various parameters of generators、gates and modeling before and after the accident，and system’s automatic distribution or operator’s manual distribution of flow to be supply，SCADA system can automatically calculate targeted opening of various floodgates.Automatic water supply function achieve the Summary and Application of data in the SCADA system and Hydrology Monitoring system ; it completely replaces operator’s manual calculation of water supply，and directly improves precision of water supply and speed of incident response.

SCADA system; Jinghong Hydroplant; water supply