抽水蓄能电站中控室紧急停机和关闭事故闸门的可靠性措施研究

毛学志,郑 波

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居县 317300；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江省杭州市 310014）

抽水蓄能电站中控室紧急停机和关闭事故闸门的可靠性措施研究

毛学志11,郑 波2

（1.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居县 317300；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江省杭州市 310014）

通过研究和总结抽水蓄能电站中控室紧急停机和紧急关闭事故闸门的可靠措施，形成抽水蓄能电站紧急操作安全加固措施的一般原则及典型策略。

紧急操作；安全加固

0 引言

由于抽水蓄能电站枢纽的特殊性，《抽水蓄能电站设计导则》明确要求：“应在中控室设置紧急停机和紧急关闭上、下库事故闸门的可靠措施。”俄罗斯萨扬水电站的事故教训也深刻地提醒我们，安全意识要加强，安全措施要加固，电监安全〔2010〕2号文件明确提出了须高度重视安全管理和应急措施，“水电站设计有快速事故闸门的，应当在中控室能够进行人工紧急关闭”。因此，水电站远方紧急停机和紧急关闭事故闸门的可靠性措施必须得到保障，用于安全措施联动的其他紧急停机回路（如水淹厂房等）也应得到完善。从抽水蓄能电站安全运行的角度出发，研究电站的紧急操作安全加固措施，非常有必要。

我国前期建设的抽水蓄能电站控制系统均为国外引进，如ABB、Siemens、VATECH、ALSTOM等。在中控室设置紧急停机和紧急关闭事故闸门的设计方面，外方一般还是用铜芯电缆硬接线较多。但是，由于中控室距离厂房、闸门距离较远，基本在1km以上，硬电缆接线传输控制信号，受对地电容的干扰影响较大，误动的概率增高，可靠性难以得到保证。国内设计的常规水电站和抽水蓄能电站受传统思想的影响，在自动控制技术、光传输技术还不普及、成熟的情况下，通常也是采用电缆硬接线实现远方紧急停机和关闭事故闸门。

随着现代科技的快速发展，光纤传输、可编程控制器设备的普及，研究采用独立于电站监控系统的光缆硬布线，并结合实际工程运用，对电缆硬布线和光缆硬布线这两种方案进行可靠性、瞬动性比较，是本文的关键。

1 功能需求分析

水淹厂房是电力行业的重要风险之一。2009年8月17日在萨扬—舒申克斯坦水电厂发生的水淹厂房，造成75个工作人员伤亡，3台机组报废，混凝土结构严重破坏，经济损失约70亿卢布。由此可见，水淹厂房事故在水电站中危害性非常大。

对可能导致水淹厂房发生的危险源进行分析，可以发现：

(1) 若高压输水管道、进水阀和或旁通阀、尾水管、充水管、供水管路或阀门破裂等，将造成压力水大量涌入厂房，可能造成水淹厂房的重大事故。

(2) 机组出现故障，如水轮机顶盖螺栓严重锈蚀，松动而又未及时检查、维护，一旦失事，高压水将进入厂房，造成水淹厂房的重大事故。

(3) 暴雨季节，地面集水经与地下厂房相通的各种用途的隧洞汇入地下厂房，超过渗漏排水泵的排水能力，有造成水淹厂房的可能。

水淹厂房造成的危害是巨大的，轻者对设备造成损坏，重者危及人身安全；更甚者会导致厂房淹没，电站瘫痪。目前，电力行业相关单位对水淹厂房的预防和应急处置非常重视，从加强安全管理、风险管理、调度管理、安全检查、完善设计功能等各个方面将防范和处置水淹厂房纳入日常管理工作的范畴。其中，完善机组安全保护和自动控制功能，在中控室和厂房主要逃生通道能够紧急停机和关闭事故闸门，快速可靠切断厂房受淹水源是发生水淹厂房的主要应急处置措施之一。

2 设计原则

抽水蓄能电站高压输水管道的上库进口处设有进出水口事故闸门，机组靠下游侧亦设有下库进出水口事故闸门（或机组尾水事故闸门），用于事故情况下切断上下库的水源。在水淹厂房时应迅速关闭上库进出水口事故闸门及下库进出水口事故闸门（或机组尾水事故闸门），切断水流，对机组起安全隔离作用，防止事故扩大。

电站监控系统一般可以根据预设的程序自动紧急停机和关闭事故闸门，为了电站的安全运行，保证电站监控系统发生故障时，仍有紧急停机和关闭事故闸门的能力，宜设置一套紧急操作硬布线的加固系统，能和电站监控系统的紧急操作程序同时启动。在电站监控系统发生故障的情况下，能独立承担紧急操作的功能。其设计应遵循以下原则：

(1)独立性原则：紧急操作的加固系统应独立于电站监控系统。在电站监控系统故障或现地控制单元PLC工作电源失去时，应能执行完整的紧急停机和关闭事故闸门的过程控制。

(2)安全可靠原则：紧急操作硬布线加固系统应能准确响应，不因长距离传输产生误动。

(3)简单明确原则：紧急操作硬布线加固系统的控制对象应明确，控制逻辑应简单。

3 紧急操作硬布线加固系统结构

根据功能需求分析，并结合已建和在建电站的运行经验和管理模式，抽水蓄能电站紧急操作硬布线加固系统由紧急按钮控制箱、传输介质、逻辑组合单元、执行单元组成。

3.1 紧急按钮控制箱

紧急按钮控制箱应设置在发生水淹厂房等紧急事故时，运行人员能够快速抵达的地方。一般地，以设置在中控室和厂房主要逃生通道上为宜。

(1)设置中控室紧急按钮控制箱1只，布置在中控室操作台附近或模拟屏上，方便电站运行人员通过电站图像监控系统发现险情后手动切断危险源。中控室紧急按钮控制箱上一般设置：机组紧急停机按钮、上库进出水口事故闸门紧急关闭按钮、下库进出水口事故闸门（或尾水事故闸门）紧急关闭按钮、复归按钮。

(2)设置厂房紧急按钮控制箱2只，布置在发电机层主要疏散通道上，方便电站人员在逃生过程中手动切断险情。每只厂房紧急按钮控制箱上设置1个水淹厂房紧急按钮，用于紧急停止所有机组、关闭上、下库进出水口或尾水闸门等所有事故闸门。

3.2 传输介质

紧急操作硬布线加固系统的物理连接有两种方式：电缆硬布线和光缆硬布线。电缆硬布线采用铜芯电缆接线，光缆硬布线采用光缆连接。

3.3 逻辑组合单元

实现电站紧急操作的控制逻辑也有两种方式：独立继电器接线和可编程控制器PLC。

3.4 执行单元

紧急操作的命令经过独立继电器或可编程控制PLC输出后，接入电站机械事故停机硬布线回路启动机组紧急停机命令，接入事故闸门控制柜执行闸门紧急关闭命令。

4 紧急操作硬布线加固系统传输介质

4.1 电缆硬布线

电缆硬布线采用铜芯电缆直接连接的方式，控制设备元器件采用电缆芯直接连接，没有中转、过渡环节，安全可靠。但电缆的芯线和屏蔽层之间存在有分布电容，电缆越长，分布电容效应越明显。由于屏蔽层接地，实际上这种分布电容也就是电缆线芯对地之间的分布电容。通常情况下，分布电容值很小，实际影响基本上可以忽略不计，如果传输距离较长时，就必须考虑分布电容的影响。因此，电缆硬布线的可靠性受制于传输距离。

另外，在直流系统受到某种干扰时，如发生直流接地或交流电源串入到直流回路时，由于长距离电缆对地分布电容效应的存在，往往能导致一些灵敏的继电器误动作，类似事故国内已发生过多起。

以上因素综合起来可以看出，电站紧急操作系统若传输距离较长，采取电缆硬布线接线的可靠性会受到较大影响。

电缆对地电容的影响致使动作灵敏的继电器误动作取决于3个因素：

a.电缆对地分布电容值的大小；

b.继电器动作电压值的大小；

c.外接干扰因素。

通过减少电缆的长度、提高继电器的动作电压及减少环境的干扰因素可以预防误动产生的概率。

4.2 光缆硬布线

光缆硬布线将电信号通过光端机转换成光信号，采用光纤作为传输介质，不受传输距离的影响，单模光缆可输出几十公里，能满足抽水蓄能电站的需求。

在远程光纤传输中，光缆对信号的传输影响很小，光纤传输系统的传输质量主要取决于光端机的质量，因为光端机负责光电转换以及光发射和光接收，它的优劣直接影响整个系统，如图1所示为光端机的工作原理。光端机是一个延长数据传输距离的光纤通信设备，它主要是通过信号调制、光电转化等技术，利用光传输特性来达到远程传输的目的。光端机一般成对使用，分为光发射机和光接收机，光发射机完成电/光转换，并把光信号发射出去用于光纤传输；光接收机主要是把从光纤接收的光信号再还原为电信号，完成光/电转换。光端机作用就是用于远程传输数据。

图1 光端机工作原理

4.3 两种传输方式的比较

作为硬布线传输的两种方式，电缆硬布线和光缆硬布线各有优缺点。

电缆硬布线在短距离传输中具有优势，但在长距离传输回路中有产生误动的可能性。通过减少电缆的长度、提高继电器的动作电压及减少环境的干扰因素可以预防误动产生的概率。减少环境的干扰因素有多种方法，比如在进行二次电缆的设计和施工时，避免在同一根二次电缆中同时混有交、直流回路，强、弱电电缆之间要进行隔离，端子排排列设计时，在交流和直流回路之间宜采用一个空端子进行分离。

光缆硬布线在长距离传输中具有优势，光纤受环境干扰的影响较小，具有传输带宽、容量大、不受电磁干扰等优点。缺点是光纤的熔接及维护需要专业技术人员及设备操作处理，维护技术要求高。

根据抽水蓄能电站枢纽布置的特点，中控楼、地下厂房、上库进出水口、下库进出水口之间的距离较远，一般都在数公里，选用长距离电缆硬布线受分布电容的干扰影响较大，具体在项目执行时，应根据实际情况灵活处理，选择适合电站使用的硬布线传输介质。

5 紧急操作硬布线加固系统控制策略

5.1 独立继电器接线

如图2所示为某抽水蓄能电站紧急操作硬布线回路，采用继电器接线，为加拿大ABB公司供货。在发电机层1、4号机旁设置紧急按钮控制箱。水淹厂房动作信号引入1号机旁紧急按钮控制箱，经过中间继电器扩展，启动4台机组紧急停机、关闭上库事故闸门、尾水事故闸门。紧急操作按钮启动信号也同样触发上述动作行为。

图2 采用独立继电器接线的紧急操作硬布线回路

“upper reservoir higher water level （上库水位过高信号）”通过电缆硬布线从上库进出水口水位计接至地下厂房发电机层1号机旁紧急按钮控制箱。“启动上库事故闸门关闭命令”通过电缆硬布线从地下厂房发电机层引至上库进出水口控制设备室。

5.2 独立可编程控制器PLC

电站紧急操作硬布线加固系统选用独立可编程控制器PLC进行逻辑组合。

如图3所示为某抽水蓄能电站紧急操作硬布线回路，采用可编程控制器。在中控楼监控系统现地控制单元设立点对点光端机等设备，采集中控室电站紧急按钮控制箱上机组紧急停机按钮、上库进出水口事故闸门和下库进出水口事故闸门紧急关闭按钮等发出的信号；在厂房公用设备现地控制单元中设立独立PLC、点对点光端机等设备；在上库现地控制单元中设立点对点光端机等设备；上述各设备在柜内的安装位置也相对独立；中控楼现地控制单元的点对点光端机与厂房公用设备现地控制单元的点对点光端机之间、厂房公用设备现地控制单元的点对点光端机与上、下库现地控制单元的点对点光端机之间的通信介质均为一根独立光缆。

针对控制逻辑较为复杂的紧急操作回路，选用PLC组合跳闸逻辑，可以简化常规继电器接线回路，提高回路的可靠性。

5.3 两种接线方式的比较

独立继电器接线和可编程控制PLC在电站紧急操作系统、独立水机保护等设计中应用均较为广泛。对功能单一、逻辑简单的回路可选用继电器接线，对功能较为复杂的回路可选用可编程控制器PLC。

图3 采用独立可编程控制器PLC的紧急操作硬布线回路

6 紧急操作硬布线加固系统的设计

通过前面的论证，对抽水蓄能电站紧急停机和关闭事故闸门的可靠性措施有了全面分析和比较，紧急操作硬布线加固系统的设计应结合电站的实际情况，综合考虑，选择适合的方式。

抽水蓄能电站紧急操作硬布线系统涉及对象距离远，控制逻辑复杂，同时涉及机组紧急操作的安全闭锁，基于此，本文详细介绍选用光缆硬布线可编程控制器PLC来实现的设计方案。由于抽水蓄能电站的枢纽布置差别较大，以下描述针对采用下库进出水口事故闸门的电站，如枢纽布置采用尾水事故闸门，则需相应修改。

电站中控室紧急按钮控制箱面板上设置机组紧急停机按钮、上库进出水口事故闸门紧急关闭按钮、下库进出水口事故闸门紧急关闭按钮、复归按钮。中控室电站紧急按钮控制箱上紧急按钮动作信号分别输出至中控楼现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机及中控楼现地控制单元数字量输入（DI）回路。

两只水淹厂房紧急按钮控制箱布置于地下厂房发电机层主要疏散通道上，每只水淹厂房紧急按钮控制箱上设置一个紧急按钮，紧急按钮动作信号分别输出至地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC数字量输入（DI）回路及地下厂房公用设备现地控制单元数字量输入（DI）回路。

中控楼现地控制单元内设置独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机等设备，采集中控室电站紧急按钮控制箱上机组紧急停机按钮、上库进出水口事故闸门和下库进出水口事故闸门紧急关闭按钮等发出的信号。

中控室电站紧急按钮控制箱上紧急按钮动作信号通过中控楼现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机传送至地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机，然后输出至地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC数字量输入（DI）回路；地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC数字量输入（DI）回路还需输入地下厂房紧急按钮控制箱1～2上的水淹厂房紧急按钮动作信号、地下厂房水淹厂房传感器报警信号、机组导叶全关信号、机组球阀全关信号、复位按钮动作信号等；复位按钮设置在地下厂房公用设备现地控制单元柜上；地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC通过中间继电器输出机组紧急停机命令分别至机组现地控制单元内的机组紧急停机硬布线回路、输出下库进出水口闸门紧急关闭命令至地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC与下库通信的点对点光端机、输出上库进出水口闸门紧急关闭命令至地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC与上库通信的点对点光端机；地下厂房公用设备现地控制单元内应设置独立的水淹厂房停机信号扩展回路，接收水淹厂房紧急按钮控制箱和水淹厂房传感器送来的信号，并延时扩展分别输出至地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC及地下厂房公用设备现地控制单元数字量输入（DI）回路。

上库现地控制单元内设置独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机及光端机信号扩展回路，将地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC传来的关闭闸门命令输出至相应的上库进出水口事故闸门控制柜。

下库现地控制单元内设置独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机及光端机信号扩展回路，将地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC传来的关闭闸门命令输出至相应的下库进出水口事故闸门控制柜。

当中控室电站紧急按钮控制箱上的机组紧急停机按钮动作时，地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC通过中间继电器输出相应机组的紧急停机命令分别至相应机组现地控制单元内的机组紧急停机硬布线回路。

当中控室电站紧急按钮控制箱上的上库进出水口闸门紧急关闭按钮动作时，地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC通过中间继电器输出上库进出水口闸门紧急关闭命令至上库进出水口事故闸门控制柜并相应输出机组的紧急停机命令分别至机组现地控制单元内的机组紧急停机硬布线回路，实现联动。

当中控室电站紧急按钮控制箱上的下库进出水口闸门紧急关闭按钮动作时，地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC通过中间继电器输出相应机组的紧急停机命令分别至相应机组现地控制单元内的机组紧急停机硬布线回路，当地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC收到相应机组的导叶、球阀在全关位置的信号后，地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC根据闭锁条件通过中间继电器输出下库进出水口事故闸门紧急关闭命令至下库进出水口事故闸门控制柜。

通过地下厂房不同部位安装的3套水位测量装置发出的信号，在独立光缆硬布线紧急操作系统内进行“三取二”逻辑判断，获取水淹厂房停机信号。当地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC收到水淹厂房停机信号后，输出上库各进出水口闸门紧急关闭命令至上库各进出水口事故闸门控制柜，输出各机组的紧急停机命令至各机组现地控制单元内的机组紧急停机硬布线回路，当地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC收到各机组的导叶、球阀在全关位置的信号后，根据闭锁条件输出下库各进出水口闸门紧急关闭命令至下库各进出水口事故闸门控制柜。

上述紧急按钮信号及水淹厂房停机信号需同时送相应的电站计算机监控系统现地控制单元，通过电站计算机监控系统双环网实现冗余的紧急控制。

所有紧急按钮应设有防护罩，以避免误动。

所有操作应具有完善可靠的软件和硬件闭锁措施。

为了提高光缆硬布线加固系统的可靠性，并方便流程控制，在费用增加不多的情况下，也可在中控楼现地控制单元、地下厂房公用设备现地控制单元、上库现地控制单元、下库现地控制单元均设置简化的独立PLC，通过网络交换机和独立光纤传输机组紧急停机和紧急关闭事故闸门命令。

对于采用尾水事故闸门的电站，则无需设置下库独立光缆硬布线紧急操作系统点对点光端机或独立PLC，尾水事故闸门的控制命令均由地下厂房公用设备现地控制单元独立光缆硬布线紧急操作系统PLC输出。

7 结论

本文通过研究和总结抽水蓄能电站中控室紧急停机和紧急关闭事故闸门的可靠措施，形成了抽水蓄能电站紧急操作安全加固措施的一般原则及典型策略。

本文的研究成果在响水涧抽水蓄能电站、仙游抽水蓄能电站得到了全面应用。目前响水涧和仙游抽水蓄能电站的紧急操作光缆硬布线回路均已投入使用。经现场试验证明，电站紧急操作硬布线加固系统是安全可靠的，达到了预期的效果。这为后续其他大型抽水蓄能电站的紧急操作硬布线加固系统的设计积累了宝贵经验。

大型抽水蓄能电站由于枢纽布置的差异，对每个电站而言，电站的紧急操作硬布线加固系统都是经过特殊设计的。因此电站的紧急操作硬布线加固系统的研究是一项长期而复杂的任务，需要与时俱进，不断研究新的技术和新的产品。需要与同行多沟通，多交流，多总结，多提炼，为抽水蓄能电站的安全、可靠运营贡献自己的力量！

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[5] 邹玲，姚齐国.电路理论[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[6] 袁国良.光纤通信原理[M].北京：清华大学出版社，2004.

毛学志（1981—），男，工程师，主要研究方向:水电站电气二次专业检修、维护。E-mail：maoxuezhi@outlook.com

郑 波(1980—),男，高级工程师，主要研究方向:电气二次专业设计。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