水电站水位自动调节负荷的应用

王欢

[摘    要]对于受水位影响较大且没有相应库容调节的小水电机组，发电负荷受水位变化影响较大，本文介绍位于白龙江干流上某小水电运用水位进行负荷自动调节，提高机组负荷调节效率，减少运行人员工作量，降低发电水耗，有效提高水能利用率。

[关键词]水电站;水位;自动调节;负荷

[中图分类号]TV736 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Automatic Load Regulation of Water Level in Hydropower Station

Wang Huan

[Abstract]For small hydropower units that are greatly affected by the water level and have no corresponding storage capacity regulation， the power generation load is greatly affected by the water level change. This paper introduces that a small hydropower station located on the main stream of Bailong River uses the water level for automatic load regulation， so as to improve the load regulation efficiency of the unit， reduce the workload of operators， reduce the power generation water consumption and effectively improve the utilization rate of water energy.

[Keywords]hydropower station; water level; automatic adjustment; load

文章介紹的水电站位于白水江干流上，为低坝径流（无调节）引水式电站，主要任务是发电，在保证电站枢纽安全的前提下，充分发挥水库的发电效益。机组受到水位影响较大，该水电站没有相应的库容对来水进行调节，需要值班员根据水位的变化频繁调整负荷，工作量较大。若调节不及时易造成机组机械部件的损坏或水资源浪费。人员主观性带来的风险将直接影响电站安全生产。

1 电站概况

该水电站装机容量2×16 MW，为轴流转浆式机组，调速器调节性能较好。电站设2孔快速闸门，主要用于水轮机组事故保护。当机组发生事故而导致水轮机关闭失灵时，它可以快速关闭断流，以防事故扩大化。

枢纽正常挡水位1 075 m。橡胶坝长39.48 m，底坎高程为1 071.4 m，坝顶高程为1 075.1 m，正常坝高3.7 m。2孔泄洪冲沙闸，既有泄洪的任务，也有挡水的作用，用以调节闸前水位保证电站引水发电流量及必要时小开度冲沙和汛期开闸渲泄洪峰流量。

为调节进水闸前水位，保证电站引水发电流量，在河床主河道布置了溢流橡胶坝段，平时河道来水量略大于引水流量时，可不开启闸门，多余水量可通过溢流橡胶坝顶自由下泄。上游来水小于136 m3/s时，水库水位保持1 075 m，电站正常运行。上游来水大于136 m3/s小于353 m3/s时，水库水位保持1075.0 m，电站正常运行。由与进水闸相邻的一孔冲沙闸控制水位，下泄多余水量，泄洪能力为0～217 m3/s。上游来水大于353 m3/s小于578 m3/s时，水库水位保持1 075 m，电站正常运行，其余流量由一孔泄冲闸敞泄和一孔冲沙闸控泄，泄洪能力为217～442 m3/s。上游来水大于578 m3/s小于884 m3/s时，水泵运行排水，坍坝运行，闸门控制运行水位，电站正常运行，上游来水大于884 m3/s时，泄冲闸闸门全开，坍坝联合泄洪，进水闸门关闭，电站停止发电。

该水电站生态流量通过开启泄冲闸来保证，生态流量大小为10 m3/s，通常情况下保持生态流量时泄冲闸开度保持在8～10 cm。

2 水位自动调节负荷的应用

水位自动调节负荷的应用目前应用于该小水电机组，调节性能较好，但由于调速器随水位频繁进行调节，调节越精细，压油泵启动越频繁，会缩短压油泵的使用寿命且提高厂用电率，导致发电成本增加。因此，水位自动调节负荷功能的应用以及调节参数的设置需与电站其他设备运行状态紧密联系起来，优化参数，找到最优调节。

2.1 数据采集与处理

（1）为确保数据采集的准确性，在电站上游安装了3组水位计，包含2套浸入式水位计，1套雷达水位计，采集数据后输出4～20 mA模拟量接入闸控系统PLC，通过光纤传输通道传至上位机数据库，由上位机进行逻辑判断后进行机组负荷、闸门开度等的调节，实现水位自动调节负荷。

（2）为确保数据可靠性，对水位信号进行数据不变化及突变检测。通过上位机对象判断三组水位信号，当前后2次测值相等时开始计数，在累计30次后，则自动把该水位信号测值赋值为0;当水位正常变化后，将三组水位信号两两相互检测，当差值不为0且小于0.2 m，则使用第一个作为有效水位，参与后续的程序判断;如果三组水位信号损坏2个及以上，则会发出水位异常报警，并退出自动水位调节功能。

2.2 “水位自动调节按钮”投入条件

上位机设置“水位自动调节按钮”，其投入的判断条件为1号、2号泄洪闸远方自动控制、IF、2F远方自动控制、调速器远方自动控制、闸控系统与上位机通信正常、监控系统通信正常、水位测量装置通信正常、调速器电源正常、泄冲闸电源正常、闸控系统电源正常，拦污栅压差小于0.6 m。上述条件需要在机组、闸门自动调节投入的情况下同时满足。当有一个不满足时，即使当水位自动调节功能在投入状态，也会立即自动退出，并报警。

2.3 水位启停条件判断说明

为了防止水位抖动导致的频繁动作，对于水位信号进行如下判断。

①水位增高的判断条件为有效水位超过1 075.05 m，且保持10 s以上;水位增高复归的判断条件为有效水位小于1074.95 m，且保持10 s以上。②水位降低的判断条件为有效水位超过1074.75 m，且保持10s以上;水位降低复归的判断条件为有效水位小于1 074.85 m，且保持10 s以上。

2.4 增负荷调节

2.4.1 两台机组均停机的调节

当机组具备自动调节条件时上位机投入“水位自动调节按钮”，首先判断水位数据是否正常。若数据正常，当有效水位≥1075.05 m且保持10 s以上时进入调节流程，应判断机组运行状态，如IF、2F均未开机，则启动自动开机流程，保守情况下可以让机组发出简报：水位己达开机条件，进行人为开机操作。

2.4.2 一台机组开机运行的调节

如当前为一台机运行，先判断该机组导叶开度，确定其是否达到最大开度，若该机组导叶开度达到最大开度，则发出简报：水位己达开机条件，人为开启另外一台机组;若该机组导叶开度未达到最大开度，则进行增负荷调节，由上位机发增有功命令至该机组LCU配合调速器进行增负荷调节，调节过程中同时还要判断蜗壳压力，若蜗壳压力小于0.27 MPa，说明水压不足，此时不能继续进行机组负荷调节，则进入闸门调节流程进行闸门调节;延时30 s再次判断水位，若有效水位未调节至1 074.95 m以下，则继续调节，若有效水位调节至1 074.95 m以下且保持10 s以上，则发出简报：本次调节结束，流程退出。

2.4.3 两台机组均开机运行的调节

如当前IF、2F均在发电态，判断导叶开度大小，开度较小的优先进行调节，由上位机发增有功命令至该机组LCU配合调速器进行增负荷调节，当开度较小的机组调节至最大负荷后，进入另外一台机组调节流程，调节过程中也要判断蜗壳压力，若蜗壳压力小于0.27 MPa，则进入闸门调节流程进行闸门调节。当两台机组负荷均达到调节上限后，如有效水位仍未低于1 074.95 m，先判断闸门开度，若1号、2号泄洪闸开度均在全关位置，则发出简报：建议开启泄洪闸门，此时人为远方操作闸门开启。如果此时任意一台闸门已经有开度，则直接进入闸门调节流程。

2.4.4 闸门调节

考虑电站及河道特殊情况，该电站在正常情况下1号泄冲闸保持10 cm生态流量开度，当1号泄冲闸开度达到30 cm时，需停止提门动作，自动启动泄洪报警器30 s，给河道其他作业人员预警。泄洪报警器开启后计时5 min，闸门自动调节流程可继续执行。闸门自动调节上限为200 cm。

闸门调节过程：上位机发出闸门调节命令或自动调节进入闸门调节流程，首先判断1#闸门开度是否达到调节上限，若未达到上限则对其开度进行调节，每次开启10 cm，延时150 s，判断有效水位是否调节至1 074.95 m以下且持续10 s以上，如果此时有效水位已调节至1 074.95 m以下则调节退出，报：调节结束，流程退出;如果有效水位未调节至1 074.95 m以下，则继续闭环调节1号泄冲闸门开度，当1号闸门开度己达到调节上限，水位还未调节下来时，对2号闸门按照同样的调节过程进行调节，当有效水位调节至1 074.95 m以下时，调节结束，流程退出。若当两孔闸门均已开至上限，有效水位还未调节至1 074.95 m以下，则水位自动调节退出，报：上游来水过大，自动调节退出。此时人为按照来水流量结合电站大坝运行规程预测判断是否需要对橡膠坝进行坍坝运行，联合泄洪。

2.5 减负荷调节

2.5.1 两台机组运行且有闸门开启的调节

“水位自动调节按钮”投入，当上游有效水位小于等于1 074.75 m且持续10 s以上时判断两孔泄洪闸门状态，若2孔闸门都开时，则先关闭2#闸门，上位机发闸门开度减小令，每次开度减小10 cm，延时150 s再次判断水位，当有效水位达到1 074.85 m且持续10 s以上时，调节结束，流程退出。若当2号闸门关至全关位置有效水位还未调节恢复至1 074.85 m以上，则对1号闸门进行调节，直至调节到水位恢复至1 074.85 m以上且持续10 s或1号闸门达到全关后，调节结束。为保护闸门水封，闸门开度不足10 cm时，关闭至全关即可。若闸门调节结束后有效水位还未恢复至1 074.85 m以上时，则进入机组调节流程，继续对机组进行减负荷调节。

2.5.2 两台机组运行的减负荷调节

“水位自动调节按钮”投入，当有效水位≤1 074.75 m且持续10 s以上时判断机组运行状态，如当前IF、2F均在发电态，则比较导叶开度大小，开度较大的机组优先进行调节，调节时由上位机发减有功命令至该机组LCU，由机组LCU向调速器发出关导叶命令，从而进行减负荷调节。每次调节延时30 s再次进行水位和导叶开度判断，闭环进行调节。调节过程中需注意导叶开度的减小要避开机组振动区。该电站振动区导叶开度为50 %左右，故导叶开度减小至50 %时不再进行调节。若当该机组导叶开度减小到50 %，有效水位仍然未达到1 074.85 m，则对另一台机组进行减负荷调节。当两台机组负荷调节至振动区附近但有效水位仍未调节至1074.85 m以上，则上位机发出简报：水位过低，建议停机;若经过机组减负荷调节，有效水位调节至1 074.85 m以上，则发出简报：本次调节结束，流程退出。

2.5.3 一台机组运行的调节

“水位自动调节按钮”投入，当有效水位小于等于1 074.75 m且持续10 s以上时判断机组运行状态，如当前只有一台机组在发电状态，判断其导叶开度是否大于等于25 %，如果导叶开度大于等于25%，则对该机组进行减有功调节，每30 s再次判断水位和导叶开度进行闭环调节，当有效水位大于等于1 074.85 m时，调节结束，流程退出，调节过程中当导叶开度小于25 %时，发出简报：建议停机。

3 结束语

由水位作为调节因子自动调节负荷，对于未参与电网AGC调节且水位变化较快，需随时按照水位进行负荷调整的小型水电站，结合电站其他辅助设备运行实际情况，找出负荷与水位、导叶开度、闸门开度等的对应关系，优化调节过程，能够有效减少运行值班人员的工作强度以及人为调节负荷带来的出错概率，也能有效提高水能利用率，为小水电实现“无人值班”模式奠定基础。

参考文献

[1] 王鑫，王亦宁，谢传萍，等.基于水位的小水电负荷调节[J].水电厂自动化，2009（8）：70-71.

[2] 何斌.水电站用水位控制自动调节负荷的尝试，电子世界，2017（7）：181.