楊房溝水電站防水淹廠房控制保護回路設計

呂惠青，張甜，蔡智勇

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，310014)

1 概述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段麥地龍鄉上游約6km處，是雅礱江中游河段一庫七級開發的第六級，上距孟底溝水電站37km，下距卡拉水電站33km。電站裝機容量1500MW，地下廠房內裝設4臺375MW立軸混流式水輪發電機組，中控室布置在地下副廠房內。

電站引水發電系統布置在樞紐左岸，機組引水系統采用一管一機布置，共設有4條引水隧洞。每條引水隧洞進口設有1道快速閘門，作為機組的防飛逸設施、隧洞發生事故時的保護和機組檢修時的擋水設施。當機組調速系統發生故障無法關機時，可通過遠方或現地控制方式在2min內動水快速關閉孔口；或當隧洞發生事故時，動水關閉快速閘門。快速閘門啟閉設備采用液壓啟閉機，通過一門一機一站一控進行操作，每扇快速閘門設置有獨立的液壓啟閉機和現地控制柜。

電站計算機監控系統在每臺機組的機旁設置了一個現地控制單元(LCU)，并在進水口閘門啟閉機室設置有各機組LCU的進水口遠程I/O，機組LCU距離進水口遠程I/O約1.5km，各機組LCU與各自的進水口遠程I/O通過單模光纖相連。每臺機組的機旁還設置有一套用于水力機械事故保護的獨立于機組LCU的水機保護屏，其輸入信號與機組LCU相獨立，采用可編程控制器(PLC)來實現其控制保護功能。在電站發生重要的水機事故或機組LCU冗余系統全部故障或工作電源全部失去時，水機保護屏能執行完整的停機過程控制。

2 防水淹廠房控制保護回路的相關要求

2.1 《水力發電廠自動化設計技術規范》(NB/T 35004-2013)要求

(1)在中控室和機旁應設置獨立于監控系統的事故閘門緊急關閉按鈕及回路，并以硬接線(包括獨立光纜)的形式接至閘門的控制回路；

(2)廠房最底層(含操作廊道)設置不少于3套水位信號器，每套水位信號器至少包括2對觸頭輸出。當水位達到第一上限時報警，當同時有2套水位信號器第二上限信號動作時，作用于緊急事故停機并發水淹廠房報警信號，啟動廠房事故廣播系統。

2.2 《國家能源局綜合司關于加強水電站水淹廠房防范工作的通知》(國能綜函安全〔2017〕66號)要求

(1)檢查獨立硬布線緊急操作系統水淹廠房報警信號作用于機組停機和關閉事故閘門的保護動作邏輯和回路可靠性；

(2)檢查中控室內設置的緊急操作按鈕箱在緊急情況下可以通過獨立于監控系統的硬布線回路直接作用于機組停機、關閉事故閘門，檢查并核實操作電源應獨立可靠，并進行模擬試驗；

(3)檢查發電機層逃生通道手動啟動水淹廠房按鈕，在緊急情況下可以通過獨立于監控系統的硬布線回路直接作用于機組停機、關閉事故閘門，核實操作電源應獨立可靠，并進行模擬試驗；

(4)檢查廠房內獨立的水淹廠房聲光、警鈴等報警系統功能；

(5)檢查調速器控制回路電源可靠性，核實調速器“得電關閉”和“失電關閉”雙回路冗余控制功能；

(6)檢查進水口事故閘門的控制電源可靠性，緊急關門命令不經過PLC直接動作于關閉閘門；

(7)檢查電站監控系統、勵磁系統、調速系統、保護系統和故障錄波裝置等設備的時鐘對時功能。

3 設計方案

3.1 遠方緊急關閉進水口快速閘門回路設計

楊房溝水電站在中控室設置一面緊急停機落門屏，緊急停機落門屏設有1-4號機組各自的“緊急停機落閘門按鈕”。電站在機旁的每臺水機保護屏上設置“緊急停機落閘門按鈕”。每個按鈕帶四個常開獨立接點。

楊房溝水電站中控室距離進水口快速閘門約1.5km，為徹底消除地電位反擊、雷擊、長電纜電容放電等可能的影響，人工緊急操作的信號傳輸采用光纜，該光纜與監控系統局域網光纜分開，構成信號傳輸通道的冗余，進一步提高了可靠性。

中控室緊急停機落門屏按機組設有4套遠控信號光纖傳輸裝置，每臺機組的水機保護屏上各設置1套遠控信號光纖傳輸裝置，與設置在每臺機組LCU的進水口遠程I/O柜上的2套遠控信號光纖傳輸裝置組成每臺機各2對光纖傳輸裝置，通過2根獨立單模光纜，用于傳輸各機組的緊急停機落閘門按鈕直接關閉進水口快速閘門的信號。每套遠控信號光纖傳輸裝置有2個開關量輸入回路和2個開關量輸出回路。

在電站中控室與進水口快速閘門的距離較遠時(超過600m)，采用遠控信號光纖傳輸裝置通過光纜傳輸關閉進水口快速閘門信號的方式在國內錦屏二級、苗尾等大型電站里已成功應用，安全可靠，可以保障遠方緊急關閉進水口快速閘門的可靠。

3.2 防水淹廠房PLC設計

為進一步完善防水淹廠房的獨立硬接線回路，在地下廠房發電層1號機旁設置有1面防水淹廠房PLC柜，配置1塊CPU模塊、1塊電源模塊、2塊16點開關量輸入模塊和3塊8點開關量輸出模塊等。防水淹廠房PLC柜采用交流和直流雙回路供電，PLC不接入計算機監控系統網絡，不與其他任何系統通信。

3.3 水淹廠房水位信號器設計

楊房溝水電站按規范要求在地下廠房最底層的操作廊道層設置有3套浮球液位開關，分別布置在操作廊道層的1號機組靠近副廠房側、2號機組與3號機組之間、3號機組和4號機組之間。每套浮球液位開關包括2對獨立觸頭輸出，1對觸點定義為水位過高信號(整定值為離操作廊道層地面400mm)；1對觸點定義為水位高信號(整定值為離操作廊道層地面200mm)。

3.4 水淹廠房按鈕和獨立的聲光、警鈴報警系統設計

楊房溝電站地下廠房發電機層的疏散通道：

(1)進廠交通洞：交通洞進口高程2003.00m，位于廠房右側，自洞口至地下廠房安裝場(1992.00m高程)總長1183.00m，洞寬10.50m，高9.00m，為地下廠房機電設備運輸的主要通道，此路線作為地下廠房工作人員平時工作的主要交通通道和疏散出口。

(2)通風兼安全洞：通風兼安全洞位于安裝場端副廠房廠右側，與安裝場端副廠房2015.00m高程相連，向東與主變排風洞、尾調通風洞相連，向南與左岸低線繞壩交通洞相通，可經左岸低線繞壩交通洞疏散至室外地面，為地下廠房另一個安全疏散出口。

(3)廠房進風洞兼交通洞：廠房進風洞兼交通洞與副廠房2012.80m高程相通，向東經排水洞向南和進廠交通洞連接，主副廠房可由廠房進風洞兼交通洞經進廠交通洞疏散至室外地面。

根據楊房溝水電站地下廠房的疏散通道設計，在電站的發電機層1號機組段和靠近安裝場的4號機組段各設置1套防水淹廠房按鈕盒，每個按鈕盒均設置4個帶安全防護罩的按鈕，分別為1-4號機防水淹廠房按鈕，每個按鈕帶3副觸點。

在電站的發電機層4號機組段和中控室各設置1套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置。聲光報警器和警鈴報警裝置由防水淹廠房PLC柜啟動和供電。

3.5 調速器“得電關閉”和“失電關閉”回路設計

電站調速器采用雙微機調節器，設置2套獨立電源分別給A、B套調節器供電，每套獨立電源采用交/直流兩回電源輸入。調速器設置有“得電動作”的緊急停機閥和2個“失電動作”的掉電停機閥。緊急情況下，可通過使緊急停機閥“得電動作”，控制主配壓閥關閉導葉，實現緊急停機；2個掉電停機閥同時失電時，調速器也可控制主配壓閥關閉導葉，實現調速器掉電停機功能。調速器的停機回路做到了“得電關閉”和“失電關閉”雙回路冗余控制功能。

3.6 進水口快速閘門緊急關閉回路設計

電站進水口快速閘門控制回路采用2路交流電源切換后的交流電源，再另外由電站提供一路直流電源供電，電源可靠。中控室緊急停機屏和機組水機保護屏緊急關門命令采用不經過快速閘門控制系統的PLC直接動作于快速閉門控制電磁閥的設計。

3.7 監控系統、勵磁系統、調速系統、保護系統和故障錄波裝置等設備的時鐘對時功能

電站設置1套時鐘同步系統，配置2臺冗余主時鐘，2臺主時鐘同時接收北斗和GPS對時信號，通過子時鐘給全站設備對時。時鐘同步裝置可提供NTP網絡接口(RJ45)、時分秒脈沖(空接點)、時間報文(RS232/RS422/RS485)、IRIG-B方式及DCF77對時信號輸出。

根據各系統設備的對時要求，電站的監控系統采用NTP網絡對時方式；勵磁系統、保護系統和故障錄波裝置采用IRIG-B方式對時；調速系統采用NTP網絡對時。

3.8 防水淹廠房控制保護回路

根據防水淹廠房控制要求，每個防水淹廠房按鈕的3副觸點用途為：1副觸點接至中控室緊急停機屏對應機組的遠控信號光纖傳輸裝置輸入回路，用于直接啟動遠方緊急關閉進水口快速閘門；1副觸點接至防水淹廠房PLC柜開入，啟動聲光、警鈴報警及機組LCU和水機保護屏的緊急停機流程；1副觸點接至地下副廠房公用5LCU，用于監控系統記錄啟動水淹廠房的按鈕動作信號的信號源。

3.8.1 防水淹廠房PLC動作邏輯

(1)操作廊道層的3套浮球液位開關的水位高和水位過高信號，當有任意2套浮球液位開關的水位過高信號報警時，啟動全部機組的緊急事故停機流程，同時啟動2套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置進行水淹廠房報警；

(2)發電機層1號機組段和4號機組段的各機組水淹廠房按鈕動作時，啟動對應機組的緊急事故停機流程，同時啟動2套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置進行水淹廠房報警。

3.8.2 防水淹廠房PLC發水淹廠房信號的輸出觸點回路設計

(1)DO開出4個觸點，分別接至1-4號機組LCU的開關量輸入模塊，啟動機組LCU的緊急事故停機流程；

(2)DO開出4個觸點，分別接至1-4號機組水機保護屏的開關量輸入模塊，啟動水機保護屏的緊急事故停機流程；

(3)DO開出4個觸點，分別接至1-4號機組水機保護屏的遠控信號光纖傳輸裝置開關量輸入回路，通過光纖硬布線回路，直接關閉進水口快速閘門；

(4)DO開出2個觸點，分別接至發電機層和中控室設置的2套水淹廠房專用的聲光報警器和警鈴報警裝置，啟動聲光和警鈴報警。

4 結語

近些年，受地震、泥石流和極端暴雨等自然災害影響，水電站水淹廠房事件時有發生，電站運行安全受到較大影響，經濟損失嚴重。防水淹廠房控制保護回路的設計是否可靠對于加強水淹廠房事故的防范，減少水淹廠房帶來的損失起著至關重要的作用。

楊房溝水電站的水淹廠房控制保護回路，通過設置防水淹廠房PLC柜、設置遠方通過光纖硬布線直接動作緊急關閉進水口快速閘門和電纜硬接線啟動水機保護屏的緊急停機流程作用于機組停機等設計，在水淹廠房報警信號出現時，可獨立硬布線緊急操作機組停機和關閉進水口快速閘門。該保護控制回路很好地滿足了相關規范和能源局對加強水電站水淹廠房防范工作的要求，在緊急情況下，可有效避免電站事故擴大和財產損失。

楊房溝水電站設計的防水淹廠房控制保護回路設計，可為后續其他類似水電站的相關設計提供借鑒。