抽水蓄能電站中控室緊急停機和關閉事故閘門的可靠性措施研究

毛學志,鄭 波

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317300；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江省杭州市 310014）

抽水蓄能電站中控室緊急停機和關閉事故閘門的可靠性措施研究

毛學志11,鄭 波2

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317300；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江省杭州市 310014）

通過研究和總結抽水蓄能電站中控室緊急停機和緊急關閉事故閘門的可靠措施，形成抽水蓄能電站緊急操作安全加固措施的一般原則及典型策略。

緊急操作；安全加固

0 引言

由于抽水蓄能電站樞紐的特殊性，《抽水蓄能電站設計導則》明確要求：“應在中控室設置緊急停機和緊急關閉上、下庫事故閘門的可靠措施。”俄羅斯薩揚水電站的事故教訓也深刻地提醒我們，安全意識要加強，安全措施要加固，電監安全〔2010〕2號文件明確提出了須高度重視安全管理和應急措施，“水電站設計有快速事故閘門的，應當在中控室能夠進行人工緊急關閉”。因此，水電站遠方緊急停機和緊急關閉事故閘門的可靠性措施必須得到保障，用于安全措施聯動的其他緊急停機回路（如水淹廠房等）也應得到完善。從抽水蓄能電站安全運行的角度出發，研究電站的緊急操作安全加固措施，非常有必要。

我國前期建設的抽水蓄能電站控制系統均為國外引進，如ABB、Siemens、VATECH、ALSTOM等。在中控室設置緊急停機和緊急關閉事故閘門的設計方面，外方一般還是用銅芯電纜硬接線較多。但是，由于中控室距離廠房、閘門距離較遠，基本在1km以上，硬電纜接線傳輸控制信號，受對地電容的干擾影響較大，誤動的概率增高，可靠性難以得到保證。國內設計的常規水電站和抽水蓄能電站受傳統思想的影響，在自動控制技術、光傳輸技術還不普及、成熟的情況下，通常也是采用電纜硬接線實現遠方緊急停機和關閉事故閘門。

隨著現代科技的快速發展，光纖傳輸、可編程控制器設備的普及，研究采用獨立于電站監控系統的光纜硬布線，并結合實際工程運用，對電纜硬布線和光纜硬布線這兩種方案進行可靠性、瞬動性比較，是本文的關鍵。

1 功能需求分析

水淹廠房是電力行業的重要風險之一。2009年8月17日在薩揚—舒申克斯坦水電廠發生的水淹廠房，造成75個工作人員傷亡，3臺機組報廢，混凝土結構嚴重破壞，經濟損失約70億盧布。由此可見，水淹廠房事故在水電站中危害性非常大。

對可能導致水淹廠房發生的危險源進行分析，可以發現：

(1) 若高壓輸水管道、進水閥和或旁通閥、尾水管、充水管、供水管路或閥門破裂等，將造成壓力水大量涌入廠房，可能造成水淹廠房的重大事故。

(2) 機組出現故障，如水輪機頂蓋螺栓嚴重銹蝕，松動而又未及時檢查、維護，一旦失事，高壓水將進入廠房，造成水淹廠房的重大事故。

(3) 暴雨季節，地面集水經與地下廠房相通的各種用途的隧洞匯入地下廠房，超過滲漏排水泵的排水能力，有造成水淹廠房的可能。

水淹廠房造成的危害是巨大的，輕者對設備造成損壞，重者危及人身安全；更甚者會導致廠房淹沒，電站癱瘓。目前，電力行業相關單位對水淹廠房的預防和應急處置非常重視，從加強安全管理、風險管理、調度管理、安全檢查、完善設計功能等各個方面將防范和處置水淹廠房納入日常管理工作的范疇。其中，完善機組安全保護和自動控制功能，在中控室和廠房主要逃生通道能夠緊急停機和關閉事故閘門，快速可靠切斷廠房受淹水源是發生水淹廠房的主要應急處置措施之一。

2 設計原則

抽水蓄能電站高壓輸水管道的上庫進口處設有進出水口事故閘門，機組靠下游側亦設有下庫進出水口事故閘門（或機組尾水事故閘門），用于事故情況下切斷上下庫的水源。在水淹廠房時應迅速關閉上庫進出水口事故閘門及下庫進出水口事故閘門（或機組尾水事故閘門），切斷水流，對機組起安全隔離作用，防止事故擴大。

電站監控系統一般可以根據預設的程序自動緊急停機和關閉事故閘門，為了電站的安全運行，保證電站監控系統發生故障時，仍有緊急停機和關閉事故閘門的能力，宜設置一套緊急操作硬布線的加固系統，能和電站監控系統的緊急操作程序同時啟動。在電站監控系統發生故障的情況下，能獨立承擔緊急操作的功能。其設計應遵循以下原則：

(1)獨立性原則：緊急操作的加固系統應獨立于電站監控系統。在電站監控系統故障或現地控制單元PLC工作電源失去時，應能執行完整的緊急停機和關閉事故閘門的過程控制。

(2)安全可靠原則：緊急操作硬布線加固系統應能準確響應，不因長距離傳輸產生誤動。

(3)簡單明確原則：緊急操作硬布線加固系統的控制對象應明確，控制邏輯應簡單。

3 緊急操作硬布線加固系統結構

根據功能需求分析，并結合已建和在建電站的運行經驗和管理模式，抽水蓄能電站緊急操作硬布線加固系統由緊急按鈕控制箱、傳輸介質、邏輯組合單元、執行單元組成。

3.1 緊急按鈕控制箱

緊急按鈕控制箱應設置在發生水淹廠房等緊急事故時，運行人員能夠快速抵達的地方。一般地，以設置在中控室和廠房主要逃生通道上為宜。

(1)設置中控室緊急按鈕控制箱1只，布置在中控室操作臺附近或模擬屏上，方便電站運行人員通過電站圖像監控系統發現險情后手動切斷危險源。中控室緊急按鈕控制箱上一般設置：機組緊急停機按鈕、上庫進出水口事故閘門緊急關閉按鈕、下庫進出水口事故閘門（或尾水事故閘門）緊急關閉按鈕、復歸按鈕。

(2)設置廠房緊急按鈕控制箱2只，布置在發電機層主要疏散通道上，方便電站人員在逃生過程中手動切斷險情。每只廠房緊急按鈕控制箱上設置1個水淹廠房緊急按鈕，用于緊急停止所有機組、關閉上、下庫進出水口或尾水閘門等所有事故閘門。

3.2 傳輸介質

緊急操作硬布線加固系統的物理連接有兩種方式：電纜硬布線和光纜硬布線。電纜硬布線采用銅芯電纜接線，光纜硬布線采用光纜連接。

3.3 邏輯組合單元

實現電站緊急操作的控制邏輯也有兩種方式：獨立繼電器接線和可編程控制器PLC。

3.4 執行單元

緊急操作的命令經過獨立繼電器或可編程控制PLC輸出后，接入電站機械事故停機硬布線回路啟動機組緊急停機命令，接入事故閘門控制柜執行閘門緊急關閉命令。

4 緊急操作硬布線加固系統傳輸介質

4.1 電纜硬布線

電纜硬布線采用銅芯電纜直接連接的方式，控制設備元器件采用電纜芯直接連接，沒有中轉、過渡環節，安全可靠。但電纜的芯線和屏蔽層之間存在有分布電容，電纜越長，分布電容效應越明顯。由于屏蔽層接地，實際上這種分布電容也就是電纜線芯對地之間的分布電容。通常情況下，分布電容值很小，實際影響基本上可以忽略不計，如果傳輸距離較長時，就必須考慮分布電容的影響。因此，電纜硬布線的可靠性受制于傳輸距離。

另外，在直流系統受到某種干擾時，如發生直流接地或交流電源串入到直流回路時，由于長距離電纜對地分布電容效應的存在，往往能導致一些靈敏的繼電器誤動作，類似事故國內已發生過多起。

以上因素綜合起來可以看出，電站緊急操作系統若傳輸距離較長，采取電纜硬布線接線的可靠性會受到較大影響。

電纜對地電容的影響致使動作靈敏的繼電器誤動作取決于3個因素：

a.電纜對地分布電容值的大小；

b.繼電器動作電壓值的大小；

c.外接干擾因素。

通過減少電纜的長度、提高繼電器的動作電壓及減少環境的干擾因素可以預防誤動產生的概率。

4.2 光纜硬布線

光纜硬布線將電信號通過光端機轉換成光信號，采用光纖作為傳輸介質，不受傳輸距離的影響，單模光纜可輸出幾十公里，能滿足抽水蓄能電站的需求。

在遠程光纖傳輸中，光纜對信號的傳輸影響很小，光纖傳輸系統的傳輸質量主要取決于光端機的質量，因為光端機負責光電轉換以及光發射和光接收，它的優劣直接影響整個系統，如圖1所示為光端機的工作原理。光端機是一個延長數據傳輸距離的光纖通信設備，它主要是通過信號調制、光電轉化等技術，利用光傳輸特性來達到遠程傳輸的目的。光端機一般成對使用，分為光發射機和光接收機，光發射機完成電/光轉換，并把光信號發射出去用于光纖傳輸；光接收機主要是把從光纖接收的光信號再還原為電信號，完成光/電轉換。光端機作用就是用于遠程傳輸數據。

圖1 光端機工作原理

4.3 兩種傳輸方式的比較

作為硬布線傳輸的兩種方式，電纜硬布線和光纜硬布線各有優缺點。

電纜硬布線在短距離傳輸中具有優勢，但在長距離傳輸回路中有產生誤動的可能性。通過減少電纜的長度、提高繼電器的動作電壓及減少環境的干擾因素可以預防誤動產生的概率。減少環境的干擾因素有多種方法，比如在進行二次電纜的設計和施工時，避免在同一根二次電纜中同時混有交、直流回路，強、弱電電纜之間要進行隔離，端子排排列設計時，在交流和直流回路之間宜采用一個空端子進行分離。

光纜硬布線在長距離傳輸中具有優勢，光纖受環境干擾的影響較小，具有傳輸帶寬、容量大、不受電磁干擾等優點。缺點是光纖的熔接及維護需要專業技術人員及設備操作處理，維護技術要求高。

根據抽水蓄能電站樞紐布置的特點，中控樓、地下廠房、上庫進出水口、下庫進出水口之間的距離較遠，一般都在數公里，選用長距離電纜硬布線受分布電容的干擾影響較大，具體在項目執行時，應根據實際情況靈活處理，選擇適合電站使用的硬布線傳輸介質。

5 緊急操作硬布線加固系統控制策略

5.1 獨立繼電器接線

如圖2所示為某抽水蓄能電站緊急操作硬布線回路，采用繼電器接線，為加拿大ABB公司供貨。在發電機層1、4號機旁設置緊急按鈕控制箱。水淹廠房動作信號引入1號機旁緊急按鈕控制箱，經過中間繼電器擴展，啟動4臺機組緊急停機、關閉上庫事故閘門、尾水事故閘門。緊急操作按鈕啟動信號也同樣觸發上述動作行為。

圖2 采用獨立繼電器接線的緊急操作硬布線回路

“upper reservoir higher water level （上庫水位過高信號）”通過電纜硬布線從上庫進出水口水位計接至地下廠房發電機層1號機旁緊急按鈕控制箱。“啟動上庫事故閘門關閉命令”通過電纜硬布線從地下廠房發電機層引至上庫進出水口控制設備室。

5.2 獨立可編程控制器PLC

電站緊急操作硬布線加固系統選用獨立可編程控制器PLC進行邏輯組合。

如圖3所示為某抽水蓄能電站緊急操作硬布線回路，采用可編程控制器。在中控樓監控系統現地控制單元設立點對點光端機等設備，采集中控室電站緊急按鈕控制箱上機組緊急停機按鈕、上庫進出水口事故閘門和下庫進出水口事故閘門緊急關閉按鈕等發出的信號；在廠房公用設備現地控制單元中設立獨立PLC、點對點光端機等設備；在上庫現地控制單元中設立點對點光端機等設備；上述各設備在柜內的安裝位置也相對獨立；中控樓現地控制單元的點對點光端機與廠房公用設備現地控制單元的點對點光端機之間、廠房公用設備現地控制單元的點對點光端機與上、下庫現地控制單元的點對點光端機之間的通信介質均為一根獨立光纜。

針對控制邏輯較為復雜的緊急操作回路，選用PLC組合跳閘邏輯，可以簡化常規繼電器接線回路，提高回路的可靠性。

5.3 兩種接線方式的比較

獨立繼電器接線和可編程控制PLC在電站緊急操作系統、獨立水機保護等設計中應用均較為廣泛。對功能單一、邏輯簡單的回路可選用繼電器接線，對功能較為復雜的回路可選用可編程控制器PLC。

圖3 采用獨立可編程控制器PLC的緊急操作硬布線回路

6 緊急操作硬布線加固系統的設計

通過前面的論證，對抽水蓄能電站緊急停機和關閉事故閘門的可靠性措施有了全面分析和比較，緊急操作硬布線加固系統的設計應結合電站的實際情況，綜合考慮，選擇適合的方式。

抽水蓄能電站緊急操作硬布線系統涉及對象距離遠，控制邏輯復雜，同時涉及機組緊急操作的安全閉鎖，基于此，本文詳細介紹選用光纜硬布線可編程控制器PLC來實現的設計方案。由于抽水蓄能電站的樞紐布置差別較大，以下描述針對采用下庫進出水口事故閘門的電站，如樞紐布置采用尾水事故閘門，則需相應修改。

電站中控室緊急按鈕控制箱面板上設置機組緊急停機按鈕、上庫進出水口事故閘門緊急關閉按鈕、下庫進出水口事故閘門緊急關閉按鈕、復歸按鈕。中控室電站緊急按鈕控制箱上緊急按鈕動作信號分別輸出至中控樓現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機及中控樓現地控制單元數字量輸入（DI）回路。

兩只水淹廠房緊急按鈕控制箱布置于地下廠房發電機層主要疏散通道上，每只水淹廠房緊急按鈕控制箱上設置一個緊急按鈕，緊急按鈕動作信號分別輸出至地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC數字量輸入（DI）回路及地下廠房公用設備現地控制單元數字量輸入（DI）回路。

中控樓現地控制單元內設置獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機等設備，采集中控室電站緊急按鈕控制箱上機組緊急停機按鈕、上庫進出水口事故閘門和下庫進出水口事故閘門緊急關閉按鈕等發出的信號。

中控室電站緊急按鈕控制箱上緊急按鈕動作信號通過中控樓現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機傳送至地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機，然后輸出至地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC數字量輸入（DI）回路；地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC數字量輸入（DI）回路還需輸入地下廠房緊急按鈕控制箱1～2上的水淹廠房緊急按鈕動作信號、地下廠房水淹廠房傳感器報警信號、機組導葉全關信號、機組球閥全關信號、復位按鈕動作信號等；復位按鈕設置在地下廠房公用設備現地控制單元柜上；地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC通過中間繼電器輸出機組緊急停機命令分別至機組現地控制單元內的機組緊急停機硬布線回路、輸出下庫進出水口閘門緊急關閉命令至地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC與下庫通信的點對點光端機、輸出上庫進出水口閘門緊急關閉命令至地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC與上庫通信的點對點光端機；地下廠房公用設備現地控制單元內應設置獨立的水淹廠房停機信號擴展回路，接收水淹廠房緊急按鈕控制箱和水淹廠房傳感器送來的信號，并延時擴展分別輸出至地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC及地下廠房公用設備現地控制單元數字量輸入（DI）回路。

上庫現地控制單元內設置獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機及光端機信號擴展回路，將地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC傳來的關閉閘門命令輸出至相應的上庫進出水口事故閘門控制柜。

下庫現地控制單元內設置獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機及光端機信號擴展回路，將地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC傳來的關閉閘門命令輸出至相應的下庫進出水口事故閘門控制柜。

當中控室電站緊急按鈕控制箱上的機組緊急停機按鈕動作時，地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC通過中間繼電器輸出相應機組的緊急停機命令分別至相應機組現地控制單元內的機組緊急停機硬布線回路。

當中控室電站緊急按鈕控制箱上的上庫進出水口閘門緊急關閉按鈕動作時，地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC通過中間繼電器輸出上庫進出水口閘門緊急關閉命令至上庫進出水口事故閘門控制柜并相應輸出機組的緊急停機命令分別至機組現地控制單元內的機組緊急停機硬布線回路，實現聯動。

當中控室電站緊急按鈕控制箱上的下庫進出水口閘門緊急關閉按鈕動作時，地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC通過中間繼電器輸出相應機組的緊急停機命令分別至相應機組現地控制單元內的機組緊急停機硬布線回路，當地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC收到相應機組的導葉、球閥在全關位置的信號后，地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC根據閉鎖條件通過中間繼電器輸出下庫進出水口事故閘門緊急關閉命令至下庫進出水口事故閘門控制柜。

通過地下廠房不同部位安裝的3套水位測量裝置發出的信號，在獨立光纜硬布線緊急操作系統內進行“三取二”邏輯判斷，獲取水淹廠房停機信號。當地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC收到水淹廠房停機信號后，輸出上庫各進出水口閘門緊急關閉命令至上庫各進出水口事故閘門控制柜，輸出各機組的緊急停機命令至各機組現地控制單元內的機組緊急停機硬布線回路，當地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC收到各機組的導葉、球閥在全關位置的信號后，根據閉鎖條件輸出下庫各進出水口閘門緊急關閉命令至下庫各進出水口事故閘門控制柜。

上述緊急按鈕信號及水淹廠房停機信號需同時送相應的電站計算機監控系統現地控制單元，通過電站計算機監控系統雙環網實現冗余的緊急控制。

所有緊急按鈕應設有防護罩，以避免誤動。

所有操作應具有完善可靠的軟件和硬件閉鎖措施。

為了提高光纜硬布線加固系統的可靠性，并方便流程控制，在費用增加不多的情況下，也可在中控樓現地控制單元、地下廠房公用設備現地控制單元、上庫現地控制單元、下庫現地控制單元均設置簡化的獨立PLC，通過網絡交換機和獨立光纖傳輸機組緊急停機和緊急關閉事故閘門命令。

對于采用尾水事故閘門的電站，則無需設置下庫獨立光纜硬布線緊急操作系統點對點光端機或獨立PLC，尾水事故閘門的控制命令均由地下廠房公用設備現地控制單元獨立光纜硬布線緊急操作系統PLC輸出。

7 結論

本文通過研究和總結抽水蓄能電站中控室緊急停機和緊急關閉事故閘門的可靠措施，形成了抽水蓄能電站緊急操作安全加固措施的一般原則及典型策略。

本文的研究成果在響水澗抽水蓄能電站、仙游抽水蓄能電站得到了全面應用。目前響水澗和仙游抽水蓄能電站的緊急操作光纜硬布線回路均已投入使用。經現場試驗證明，電站緊急操作硬布線加固系統是安全可靠的，達到了預期的效果。這為后續其他大型抽水蓄能電站的緊急操作硬布線加固系統的設計積累了寶貴經驗。

大型抽水蓄能電站由于樞紐布置的差異，對每個電站而言，電站的緊急操作硬布線加固系統都是經過特殊設計的。因此電站的緊急操作硬布線加固系統的研究是一項長期而復雜的任務，需要與時俱進，不斷研究新的技術和新的產品。需要與同行多溝通，多交流，多總結，多提煉，為抽水蓄能電站的安全、可靠運營貢獻自己的力量！

[1] 趙向勇.珊溪水力發電廠如何防范和處理水淹廠房［J］.科技致富向導，2012,（24）：202-203.

[2] 張新聞.長距離電纜內導線間分布電容的影響及處理［J］.湖南電力，1999,(6).

[3] 孟恒信，張悅，朱良肆，楊崢.保護用控制電纜分布電容參數測試方法研究［J］.山西電力，2008,（8）.

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[5] 鄒玲，姚齊國.電路理論[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[6] 袁國良.光纖通信原理[M].北京：清華大學出版社，2004.

毛學志（1981—），男，工程師，主要研究方向:水電站電氣二次專業檢修、維護。E-mail：maoxuezhi@outlook.com

鄭 波(1980—),男，高級工程師，主要研究方向:電氣二次專業設計。E-mail:zheng_b@ecidi.com

The Research of the Reliable Measures of Emergency Shutdown and Shutdown the Emergency Gate in Pumped Storage Power Station Control Room

MAO Xuezhi1,ZHENG Bo2
（1. Zhejiang Xianju Pumped-Storage Power Co. Ltd，Xianju 317300，China；2. Huadong Engineering Corporation Limited，Hang zhou 310014，China）

Through the research and summary of the reliable measures of emergency shutdown and emergency shutdown emergency gate in pumped storage power station control room,the formation of principle and the typical strategy of emergency operation security reinforcement measures in pumped storage power station.

emergency operation; security reinforcement