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摘要：为了确保大渡河枕头坝泄洪闸运行的稳定性和可靠性，有效防止紧急情况下因人为判断失误或者操作延迟，造成下游河道断流、水漫大坝等严重危及生态安全和生产安全的事故，大渡河枕头坝电站设计了具有下游河道生态安全防护功能的泄洪闸应急控制系统。该系统具备库区水位过高应急提门、送出线路跳闸应急提门、泄洪闸动力电源消失应急送电、闸门动作应急联动报警等功能。结合该系统的特点及实际应用情况，详细阐明了该系统的作用和意义，可为同类型水电站闸门应急控制改造提供参考。
关键词：泄洪闸;应急控制系统;生态流量;枕头坝水电站;大渡河
中图法分类号：TV663 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.010
文章编号：1006 - 0081（2021）04 - 0059 - 04
1 研究背景
低水头、大流量、河床式水电站泄洪闸的正常运行对大坝及厂房设备的安全和下游河道的生态安全至关重要[1-2]，传统的泄洪闸控制系统具备对各闸门的独立控制，能根据人为操作实现对闸门的开启和关闭，但在运行中存在风险：①库区水位超高时，运行人员监视不到位可能引起水漫大坝的风险;②大坝400 V动力电源消失时，若电源恢复不及时，存在大坝闸门无法操作的风险;③送出线路跳闸导致机组全停时，人工操作造成延误未能及时开启闸门，存在下游河道生态流量中断的风险。
若发生上述风险，需要人为迅速判断是否开启闸门，在判断和处理的过程中，一旦耽误时间较长，就容易错过最佳处理时机，从而对大坝及下游河道的生态安全带来威胁。因此，亟须设计一种应对紧急情况的控制系统，能够快速联动闸门，及时发送预警信息，避免下游人民生命财产损失，保证下游河道生态流量安全。
2 系统设计背景
枕头坝水电站位于大渡河干流，采用堤坝式开发，电站总装机72万kW，多年平均发电量为32.90亿 kW·h，多年平均流量为1 360 m3/s，正常蓄水位为624 m，水库总库容为0.469亿m3，调节库容为0.145亿m3，设备操作响应时间要求极高[3]。泄洪闸系统由5孔闸门组成，其运行具有以下特点：
（1）泄洪闸系统采用“无人值班”，可靠性要求高。自电站投运以来，采用无人值班（少人值守）的运行模式，无法实现人工对所有运行情况的全程监视，需要应急系统对各种异常情况自动做出应急反应，对系统的可靠性和安全性都提出了较高要求。应急系统的设计需要确保在紧急情况下能够及时准确动作，需开展在各种特殊条件下的试验验证，确保在满足动作条件时既不拒动也不误动，在不满足条件时不动作，保证系统动作可靠率为100%。需重点解决数据采集的准确性问题，数据包括闸门开度信号、库区水位信号、线路负荷信号、大坝400 V动力电源信号等;确定不同条件下闸门应急系统的投入条件;充分考虑柴油发动机的启动条件及防误开出措施。
（2）电站水库容量小，库区水位上涨快。电站可调节库容较小，在发生紧急情况时要求系统能够及时动作开启闸门，避免库区水位持续上涨威胁大坝安全。系统的数据计算性能及回路设计的可靠性直接关系到闸门开启指令能否成功动作于泄洪闸门。为满足系统响应的及时性，需对应急系统逻辑算法和输出回路不断优化设计，在原泄洪闸门控制系统的基础上重新设计专用动作回路。不同流量差条件下坝前水位上涨至624 m所需时间见表1。
（3）地理位置特殊，河流生态环保管控严。该电站处于大渡河珍稀鱼类洄游的必经河段，需首先保证鱼类安全所需的生态流量。同时，有大型企业取水口位于电站下游河道，需保证最小下泄流量，满足企业取水需求。电站所在地为少数民族聚居区，河道日常人为活动较多，在泄洪操作前应及时发出预警信息，避免下游群众发生生命财产损失。因此，在正常履行电站发电生产任务的同时，对于相关的河流生態环保安全和社会影响等问题也不容忽视。
3 系统设计方案
为了确保泄洪闸运行的稳定性、下游河道生态安全性和供电可靠性，枕头坝水电站配置了泄洪闸应急控制系统（图1）。该设计方案实现以下4个目标：①根据库区水位实现紧急条件下的泄洪闸应急控制，防止水库水位超过警戒线水漫大坝;②实现全站突然甩负荷情况下自动应急开启泄洪闸门，保证下游生态安全;③当大坝400 V动力电源消失时自动启动柴油发电机，确保大坝5孔泄洪闸门动力电源供给;④当该系统动作时，自动联动启动电站ON-CALL系统和泄洪报警系统，报告险情发出告警信号，通知下游区域人员及时撤离，从而避免发生生命财产损失。解决险情发生后人为发送报警延迟的问题。
3.1 系统组成及功能
应急控制系统采集水库水位、5孔泄洪闸开度、大坝两段400 V母线电源及进线断路器状态、柴油发电机的运行情况以及送出线路功率、电流，通过以太网与大坝LCU进行通讯，经过大坝LCU中转实现其控制作用，同时将应急系统中的信息送至监控系统上位机。系统由2个子系统构成：①大坝柴油发电机自动投入系统，在大坝两段400 V母线电压均失电时，由系统控制大坝柴油发电机自动启动发电，保障大坝5孔泄洪闸的电源供给。②泄洪闸应急控制系统，实时监测水库水位，当水库水位达到警戒水位时发出预警信号，达到紧急动作水位自动提升泄洪闸开启泄洪闸泄洪;在全站突然甩负荷情况下，根据所甩负荷自动开启泄洪闸门。
在正常情况下，系统根据入库流量和发电引用流量控制泄洪闸启闭，保证上游水位和机组出力[4-5];厂用电10 kV系统供电至坝区变411B、412B，5孔泄洪闸的电源分别取自坝区400 V动力电源、柴油发电机做为应急备用电源（图2）。泄洪闸应急控制系统实时监测大坝上游水位、线路功率和电流的变化等信息，根据内部预设逻辑，执行相应的开出，通过无源硬接点控制泄洪闸的紧急启闭。还可实时监测大坝Ⅱ段400 V母线电压，若均失电则立即自动启动柴油发电机向大坝400 V供电，确保大坝5孔泄洪闸的电源供给。 3.2 系统功能实现原理
（1）柴油发电机应急自动启动送电功能及逻辑。应急控制系统检测到大坝400 V Ⅰ段和Ⅱ段均失电时，系统调用枕头坝水电站应急电源自动投入程序，跳开大坝400 VⅠ段进线开关DB11和大坝400 VⅡ段进线开关DB12后自动启动柴油发电机。程序判断当柴油发电机启动正常（柴油发电机出口电压正常时CF10自动合闸）后，自动合上柴油发电机出口开关CF11和大坝400 VⅠ段、Ⅱ段柴油发电机进线开关CF15、CF25 ，向大坝400 VⅠ段和Ⅱ段供电。当大坝400 VⅠ段、Ⅱ段电源恢复后，需由运行人员手动恢复正常运行方式。
（2）泄洪闸应急自动控制功能及控制逻辑。应急系统实时监测水库水位，并采集当前全站总有功、线路三相电流和各泄洪闸门开度。①当应急系统监测的三路水库水位中任意一路水位到达预警水位值时发出告警信号，三路水位信号中任意二路水位到达动作水位值时，根据汛期和非汛期方式的选择，自动提升泄洪闸门至相应开度泄洪。②当应急系统监测到线路负荷（直采）在2 s内由60 MW以上突变到20 MW以下、线路三相电流小于20 A且另一路线路负荷（监控通讯）也在2 s内由60 MW以上突变到20 MW以下时，根据汛期和非汛期方式选择，按所甩负荷自动计算并开启泄洪闸门至相应开度泄洪。
应急控制系统若启动应急流程，在汛期，系统将应急提门总开度平均分配给状态正常的闸门;在非汛期，系统将应急提门开度分配给状态最优的一扇闸门。
4 系统设计特点
4.1 构建可靠性高、自动化程度高的控制系统
（1）构建一套动作可靠性高的控制系统。设计了水位自动检测系统，通过构建库水位测值特征库及阈值，与电站监控系统上位机通过通讯方式读取的相关水位数据一起作为辅助判据，采用“三取二”+辅助判据的方式作为库水位异常动作依据。通过采集线路功率/三相电流，采用互为判据的方式作为电站功率异常或跳闸动作判据，提高了动作的可靠性。通过网络通讯方式直接控制泄洪闸闸门，由硬接线方式作为辅助控制方式，极大提高了对设备控制的可靠性。
（2）构建一套自动化程度高的控制系统。通过PLC对输入量进行组态逻辑判断，准确识别相应的故障或异常运行情况，通过网络通讯的方式直接对相应的泄洪闸闸门进行控制，极大提高了该系统的自动化程度。该自动控制系统快速响应，能有效防止人为判断失误或操作延迟，造成下游河道断流、水漫大坝等严重危及生态安全的事故发生。同时，可设定库水位下降到预设阈值时泄洪闸门自动落门，避免水库水位过低造成水工建筑物异常运行情况。
（3）具有坝区柴油发电机应急自动启动功能。由系统自动检测大坝泄洪闸门动力电源母线运行情况，发现异常时，系统调用应急电源自动投入程序，自动启动坝区柴油发电机，并通过自动控制流程，断开前端供电电源开关，自动将柴油发电机投入使用，为坝区电源母线供电，保证坝区供电电源的可靠性。
4.2 构建拦河坝下游河道生态保护圈解决方案
（1）建设水位自动检测系统，通过构建库水位测值特征库及阈值，与电站监控系统上位机通过通讯方式读取的相关水位数据一起作为辅助判据，作为泄洪闸调整的动作依据。通过建立线路/机组负荷特征库，将泄洪闸门溢流曲线/机组N-H-Q曲线与电站负荷突变量进行关联匹配，自动提落泄洪闸闸门。
（2）收集下游生态流量要求，将相关参数写入控制程序，自动启闭泄洪闸闸门，有效避免枯水期机组异常跳闸或线路跳闸造成下游河道断流对下游生态圈的影响，保证了下游河道生态流量，与电站鱼道系统形成配合，为河道内野生鱼类繁殖提供了良好的生态圈。
4.3 实现紧急情况的联动报警功能
险情发生后人为发送报警延迟的问题得到解决。当该系统动作时，自动联动启动电站ON-CALL系统和泄洪报警系统，报告险情发出告警信号，及时通知下游区域人员撤离，避免发生生命财产损失。
5 泄洪闸应急系统应用情况
5.1 提高应急响应速度
泄洪闸控制系统的应急响应时间大大缩短，提高了闸门应急启动速度，对大坝安全运行和下游河道生态安全防护具有重要意义。系统投运前后相关动作时间对比如表2所示。
5.2 提升动作正确性
按照不同的工况条件，设置对应动作方案，以达到设计方案的要求，实现正确动作。系统动作逻辑见表3。
系统在投运以来，及时可靠准确动作10余次，动作成功率100%，成功避免了下游河道生态环保事件和水漫大坝险情的发生，有效保障了生态流量及大坝安全，为下游河道生态环保及电站下游群众生命财产安全提供了可靠保障。
5.3 保障下游河道生态和安全
系统投入使用后，在发生全厂失电、闸门全关的紧急情况下，确保了下游河道生态流量的安全供给，为大渡河珍稀鱼类洄游提供了有利生态条件。从根本上避免了下游大型重点企业及沿岸居民生活用水发生断流的风险，保障了企地和谐。泄洪预警信息的紧急自动播送，有效保障了河道附近人员的活动安全，社会效益显著。系统投入实际应用后，枕头坝电站大坝上游年平均运行水位抬高了0.8 m，机组运行耗水率降低0.12 m3/（kW·h），每年平均可增加发电量3 024万kW·h。
6 结 语
在水电站运行中，具有下游河道生态保护和安全防护功能的泄洪闸门应急控制系统设计方案，可为水电站正常運行提供一套稳定可靠、自动化程度高的控制系统。该系统实现了应急电源的自动启动控制，建立了库水位智能测报及联动控制系统，配合电站鱼道系统形成了良好的生态圈，无需在险情发生后由人为发送报警。该系统为电厂的安全生产、效益提升起到了较大促进作用，推动了大型流域水电站泄洪系统的安全运行和水工建筑物控制系统的技术进步，提升了水电企业的应急管理水平，可为同类型水电站河道生态安全管控和应急系统建设提供参考。
关键词：泄洪闸;应急控制系统;生态流量;枕头坝水电站;大渡河
中图法分类号：TV663 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.010
文章编号：1006 - 0081（2021）04 - 0059 - 04
1 研究背景
低水头、大流量、河床式水电站泄洪闸的正常运行对大坝及厂房设备的安全和下游河道的生态安全至关重要[1-2]，传统的泄洪闸控制系统具备对各闸门的独立控制，能根据人为操作实现对闸门的开启和关闭，但在运行中存在风险：①库区水位超高时，运行人员监视不到位可能引起水漫大坝的风险;②大坝400 V动力电源消失时，若电源恢复不及时，存在大坝闸门无法操作的风险;③送出线路跳闸导致机组全停时，人工操作造成延误未能及时开启闸门，存在下游河道生态流量中断的风险。
若发生上述风险，需要人为迅速判断是否开启闸门，在判断和处理的过程中，一旦耽误时间较长，就容易错过最佳处理时机，从而对大坝及下游河道的生态安全带来威胁。因此，亟须设计一种应对紧急情况的控制系统，能够快速联动闸门，及时发送预警信息，避免下游人民生命财产损失，保证下游河道生态流量安全。
2 系统设计背景
枕头坝水电站位于大渡河干流，采用堤坝式开发，电站总装机72万kW，多年平均发电量为32.90亿 kW·h，多年平均流量为1 360 m3/s，正常蓄水位为624 m，水库总库容为0.469亿m3，调节库容为0.145亿m3，设备操作响应时间要求极高[3]。泄洪闸系统由5孔闸门组成，其运行具有以下特点：
（1）泄洪闸系统采用“无人值班”，可靠性要求高。自电站投运以来，采用无人值班（少人值守）的运行模式，无法实现人工对所有运行情况的全程监视，需要应急系统对各种异常情况自动做出应急反应，对系统的可靠性和安全性都提出了较高要求。应急系统的设计需要确保在紧急情况下能够及时准确动作，需开展在各种特殊条件下的试验验证，确保在满足动作条件时既不拒动也不误动，在不满足条件时不动作，保证系统动作可靠率为100%。需重点解决数据采集的准确性问题，数据包括闸门开度信号、库区水位信号、线路负荷信号、大坝400 V动力电源信号等;确定不同条件下闸门应急系统的投入条件;充分考虑柴油发动机的启动条件及防误开出措施。
（2）电站水库容量小，库区水位上涨快。电站可调节库容较小，在发生紧急情况时要求系统能够及时动作开启闸门，避免库区水位持续上涨威胁大坝安全。系统的数据计算性能及回路设计的可靠性直接关系到闸门开启指令能否成功动作于泄洪闸门。为满足系统响应的及时性，需对应急系统逻辑算法和输出回路不断优化设计，在原泄洪闸门控制系统的基础上重新设计专用动作回路。不同流量差条件下坝前水位上涨至624 m所需时间见表1。
（3）地理位置特殊，河流生态环保管控严。该电站处于大渡河珍稀鱼类洄游的必经河段，需首先保证鱼类安全所需的生态流量。同时，有大型企业取水口位于电站下游河道，需保证最小下泄流量，满足企业取水需求。电站所在地为少数民族聚居区，河道日常人为活动较多，在泄洪操作前应及时发出预警信息，避免下游群众发生生命财产损失。因此，在正常履行电站发电生产任务的同时，对于相关的河流生態环保安全和社会影响等问题也不容忽视。
3 系统设计方案
为了确保泄洪闸运行的稳定性、下游河道生态安全性和供电可靠性，枕头坝水电站配置了泄洪闸应急控制系统（图1）。该设计方案实现以下4个目标：①根据库区水位实现紧急条件下的泄洪闸应急控制，防止水库水位超过警戒线水漫大坝;②实现全站突然甩负荷情况下自动应急开启泄洪闸门，保证下游生态安全;③当大坝400 V动力电源消失时自动启动柴油发电机，确保大坝5孔泄洪闸门动力电源供给;④当该系统动作时，自动联动启动电站ON-CALL系统和泄洪报警系统，报告险情发出告警信号，通知下游区域人员及时撤离，从而避免发生生命财产损失。解决险情发生后人为发送报警延迟的问题。
3.1 系统组成及功能
应急控制系统采集水库水位、5孔泄洪闸开度、大坝两段400 V母线电源及进线断路器状态、柴油发电机的运行情况以及送出线路功率、电流，通过以太网与大坝LCU进行通讯，经过大坝LCU中转实现其控制作用，同时将应急系统中的信息送至监控系统上位机。系统由2个子系统构成：①大坝柴油发电机自动投入系统，在大坝两段400 V母线电压均失电时，由系统控制大坝柴油发电机自动启动发电，保障大坝5孔泄洪闸的电源供给。②泄洪闸应急控制系统，实时监测水库水位，当水库水位达到警戒水位时发出预警信号，达到紧急动作水位自动提升泄洪闸开启泄洪闸泄洪;在全站突然甩负荷情况下，根据所甩负荷自动开启泄洪闸门。
在正常情况下，系统根据入库流量和发电引用流量控制泄洪闸启闭，保证上游水位和机组出力[4-5];厂用电10 kV系统供电至坝区变411B、412B，5孔泄洪闸的电源分别取自坝区400 V动力电源、柴油发电机做为应急备用电源（图2）。泄洪闸应急控制系统实时监测大坝上游水位、线路功率和电流的变化等信息，根据内部预设逻辑，执行相应的开出，通过无源硬接点控制泄洪闸的紧急启闭。还可实时监测大坝Ⅱ段400 V母线电压，若均失电则立即自动启动柴油发电机向大坝400 V供电，确保大坝5孔泄洪闸的电源供给。 3.2 系统功能实现原理
（1）柴油发电机应急自动启动送电功能及逻辑。应急控制系统检测到大坝400 V Ⅰ段和Ⅱ段均失电时，系统调用枕头坝水电站应急电源自动投入程序，跳开大坝400 VⅠ段进线开关DB11和大坝400 VⅡ段进线开关DB12后自动启动柴油发电机。程序判断当柴油发电机启动正常（柴油发电机出口电压正常时CF10自动合闸）后，自动合上柴油发电机出口开关CF11和大坝400 VⅠ段、Ⅱ段柴油发电机进线开关CF15、CF25 ，向大坝400 VⅠ段和Ⅱ段供电。当大坝400 VⅠ段、Ⅱ段电源恢复后，需由运行人员手动恢复正常运行方式。
（2）泄洪闸应急自动控制功能及控制逻辑。应急系统实时监测水库水位，并采集当前全站总有功、线路三相电流和各泄洪闸门开度。①当应急系统监测的三路水库水位中任意一路水位到达预警水位值时发出告警信号，三路水位信号中任意二路水位到达动作水位值时，根据汛期和非汛期方式的选择，自动提升泄洪闸门至相应开度泄洪。②当应急系统监测到线路负荷（直采）在2 s内由60 MW以上突变到20 MW以下、线路三相电流小于20 A且另一路线路负荷（监控通讯）也在2 s内由60 MW以上突变到20 MW以下时，根据汛期和非汛期方式选择，按所甩负荷自动计算并开启泄洪闸门至相应开度泄洪。
应急控制系统若启动应急流程，在汛期，系统将应急提门总开度平均分配给状态正常的闸门;在非汛期，系统将应急提门开度分配给状态最优的一扇闸门。
4 系统设计特点
4.1 构建可靠性高、自动化程度高的控制系统
（1）构建一套动作可靠性高的控制系统。设计了水位自动检测系统，通过构建库水位测值特征库及阈值，与电站监控系统上位机通过通讯方式读取的相关水位数据一起作为辅助判据，采用“三取二”+辅助判据的方式作为库水位异常动作依据。通过采集线路功率/三相电流，采用互为判据的方式作为电站功率异常或跳闸动作判据，提高了动作的可靠性。通过网络通讯方式直接控制泄洪闸闸门，由硬接线方式作为辅助控制方式，极大提高了对设备控制的可靠性。
（2）构建一套自动化程度高的控制系统。通过PLC对输入量进行组态逻辑判断，准确识别相应的故障或异常运行情况，通过网络通讯的方式直接对相应的泄洪闸闸门进行控制，极大提高了该系统的自动化程度。该自动控制系统快速响应，能有效防止人为判断失误或操作延迟，造成下游河道断流、水漫大坝等严重危及生态安全的事故发生。同时，可设定库水位下降到预设阈值时泄洪闸门自动落门，避免水库水位过低造成水工建筑物异常运行情况。
（3）具有坝区柴油发电机应急自动启动功能。由系统自动检测大坝泄洪闸门动力电源母线运行情况，发现异常时，系统调用应急电源自动投入程序，自动启动坝区柴油发电机，并通过自动控制流程，断开前端供电电源开关，自动将柴油发电机投入使用，为坝区电源母线供电，保证坝区供电电源的可靠性。
4.2 构建拦河坝下游河道生态保护圈解决方案
（1）建设水位自动检测系统，通过构建库水位测值特征库及阈值，与电站监控系统上位机通过通讯方式读取的相关水位数据一起作为辅助判据，作为泄洪闸调整的动作依据。通过建立线路/机组负荷特征库，将泄洪闸门溢流曲线/机组N-H-Q曲线与电站负荷突变量进行关联匹配，自动提落泄洪闸闸门。
（2）收集下游生态流量要求，将相关参数写入控制程序，自动启闭泄洪闸闸门，有效避免枯水期机组异常跳闸或线路跳闸造成下游河道断流对下游生态圈的影响，保证了下游河道生态流量，与电站鱼道系统形成配合，为河道内野生鱼类繁殖提供了良好的生态圈。
4.3 实现紧急情况的联动报警功能
险情发生后人为发送报警延迟的问题得到解决。当该系统动作时，自动联动启动电站ON-CALL系统和泄洪报警系统，报告险情发出告警信号，及时通知下游区域人员撤离，避免发生生命财产损失。
5 泄洪闸应急系统应用情况
5.1 提高应急响应速度
泄洪闸控制系统的应急响应时间大大缩短，提高了闸门应急启动速度，对大坝安全运行和下游河道生态安全防护具有重要意义。系统投运前后相关动作时间对比如表2所示。
5.2 提升动作正确性
按照不同的工况条件，设置对应动作方案，以达到设计方案的要求，实现正确动作。系统动作逻辑见表3。
系统在投运以来，及时可靠准确动作10余次，动作成功率100%，成功避免了下游河道生态环保事件和水漫大坝险情的发生，有效保障了生态流量及大坝安全，为下游河道生态环保及电站下游群众生命财产安全提供了可靠保障。
5.3 保障下游河道生态和安全
系统投入使用后，在发生全厂失电、闸门全关的紧急情况下，确保了下游河道生态流量的安全供给，为大渡河珍稀鱼类洄游提供了有利生态条件。从根本上避免了下游大型重点企业及沿岸居民生活用水发生断流的风险，保障了企地和谐。泄洪预警信息的紧急自动播送，有效保障了河道附近人员的活动安全，社会效益显著。系统投入实际应用后，枕头坝电站大坝上游年平均运行水位抬高了0.8 m，机组运行耗水率降低0.12 m3/（kW·h），每年平均可增加发电量3 024万kW·h。
6 结 语
在水电站运行中，具有下游河道生态保护和安全防护功能的泄洪闸门应急控制系统设计方案，可为水电站正常運行提供一套稳定可靠、自动化程度高的控制系统。该系统实现了应急电源的自动启动控制，建立了库水位智能测报及联动控制系统，配合电站鱼道系统形成了良好的生态圈，无需在险情发生后由人为发送报警。该系统为电厂的安全生产、效益提升起到了较大促进作用，推动了大型流域水电站泄洪系统的安全运行和水工建筑物控制系统的技术进步，提升了水电企业的应急管理水平，可为同类型水电站河道生态安全管控和应急系统建设提供参考。