杨房沟水电站防水淹厂房控制保护回路设计

吕惠青，张甜，蔡智勇

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，310014)

1 概述

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段麦地龙乡上游约6km处，是雅砻江中游河段一库七级开发的第六级，上距孟底沟水电站37km，下距卡拉水电站33km。电站装机容量1500MW，地下厂房内装设4台375MW立轴混流式水轮发电机组，中控室布置在地下副厂房内。

电站引水发电系统布置在枢纽左岸，机组引水系统采用一管一机布置，共设有4条引水隧洞。每条引水隧洞进口设有1道快速闸门，作为机组的防飞逸设施、隧洞发生事故时的保护和机组检修时的挡水设施。当机组调速系统发生故障无法关机时，可通过远方或现地控制方式在2min内动水快速关闭孔口；或当隧洞发生事故时，动水关闭快速闸门。快速闸门启闭设备采用液压启闭机，通过一门一机一站一控进行操作，每扇快速闸门设置有独立的液压启闭机和现地控制柜。

电站计算机监控系统在每台机组的机旁设置了一个现地控制单元(LCU)，并在进水口闸门启闭机室设置有各机组LCU的进水口远程I/O，机组LCU距离进水口远程I/O约1.5km，各机组LCU与各自的进水口远程I/O通过单模光纤相连。每台机组的机旁还设置有一套用于水力机械事故保护的独立于机组LCU的水机保护屏，其输入信号与机组LCU相独立，采用可编程控制器(PLC)来实现其控制保护功能。在电站发生重要的水机事故或机组LCU冗余系统全部故障或工作电源全部失去时，水机保护屏能执行完整的停机过程控制。

2 防水淹厂房控制保护回路的相关要求

2.1 《水力发电厂自动化设计技术规范》(NB/T 35004-2013)要求

(1)在中控室和机旁应设置独立于监控系统的事故闸门紧急关闭按钮及回路，并以硬接线(包括独立光缆)的形式接至闸门的控制回路；

(2)厂房最底层(含操作廊道)设置不少于3套水位信号器，每套水位信号器至少包括2对触头输出。当水位达到第一上限时报警，当同时有2套水位信号器第二上限信号动作时，作用于紧急事故停机并发水淹厂房报警信号，启动厂房事故广播系统。

2.2 《国家能源局综合司关于加强水电站水淹厂房防范工作的通知》(国能综函安全〔2017〕66号)要求

(1)检查独立硬布线紧急操作系统水淹厂房报警信号作用于机组停机和关闭事故闸门的保护动作逻辑和回路可靠性；

(2)检查中控室内设置的紧急操作按钮箱在紧急情况下可以通过独立于监控系统的硬布线回路直接作用于机组停机、关闭事故闸门，检查并核实操作电源应独立可靠，并进行模拟试验；

(3)检查发电机层逃生通道手动启动水淹厂房按钮，在紧急情况下可以通过独立于监控系统的硬布线回路直接作用于机组停机、关闭事故闸门，核实操作电源应独立可靠，并进行模拟试验；

(4)检查厂房内独立的水淹厂房声光、警铃等报警系统功能；

(5)检查调速器控制回路电源可靠性，核实调速器“得电关闭”和“失电关闭”双回路冗余控制功能；

(6)检查进水口事故闸门的控制电源可靠性，紧急关门命令不经过PLC直接动作于关闭闸门；

(7)检查电站监控系统、励磁系统、调速系统、保护系统和故障录波装置等设备的时钟对时功能。

3 设计方案

3.1 远方紧急关闭进水口快速闸门回路设计

杨房沟水电站在中控室设置一面紧急停机落门屏，紧急停机落门屏设有1-4号机组各自的“紧急停机落闸门按钮”。电站在机旁的每台水机保护屏上设置“紧急停机落闸门按钮”。每个按钮带四个常开独立接点。

杨房沟水电站中控室距离进水口快速闸门约1.5km，为彻底消除地电位反击、雷击、长电缆电容放电等可能的影响，人工紧急操作的信号传输采用光缆，该光缆与监控系统局域网光缆分开，构成信号传输通道的冗余，进一步提高了可靠性。

中控室紧急停机落门屏按机组设有4套远控信号光纤传输装置，每台机组的水机保护屏上各设置1套远控信号光纤传输装置，与设置在每台机组LCU的进水口远程I/O柜上的2套远控信号光纤传输装置组成每台机各2对光纤传输装置，通过2根独立单模光缆，用于传输各机组的紧急停机落闸门按钮直接关闭进水口快速闸门的信号。每套远控信号光纤传输装置有2个开关量输入回路和2个开关量输出回路。

在电站中控室与进水口快速闸门的距离较远时(超过600m)，采用远控信号光纤传输装置通过光缆传输关闭进水口快速闸门信号的方式在国内锦屏二级、苗尾等大型电站里已成功应用，安全可靠，可以保障远方紧急关闭进水口快速闸门的可靠。

3.2 防水淹厂房PLC设计

为进一步完善防水淹厂房的独立硬接线回路，在地下厂房发电层1号机旁设置有1面防水淹厂房PLC柜，配置1块CPU模块、1块电源模块、2块16点开关量输入模块和3块8点开关量输出模块等。防水淹厂房PLC柜采用交流和直流双回路供电，PLC不接入计算机监控系统网络，不与其他任何系统通信。

3.3 水淹厂房水位信号器设计

杨房沟水电站按规范要求在地下厂房最底层的操作廊道层设置有3套浮球液位开关，分别布置在操作廊道层的1号机组靠近副厂房侧、2号机组与3号机组之间、3号机组和4号机组之间。每套浮球液位开关包括2对独立触头输出，1对触点定义为水位过高信号(整定值为离操作廊道层地面400mm)；1对触点定义为水位高信号(整定值为离操作廊道层地面200mm)。

3.4 水淹厂房按钮和独立的声光、警铃报警系统设计

杨房沟电站地下厂房发电机层的疏散通道：

(1)进厂交通洞：交通洞进口高程2003.00m，位于厂房右侧，自洞口至地下厂房安装场(1992.00m高程)总长1183.00m，洞宽10.50m，高9.00m，为地下厂房机电设备运输的主要通道，此路线作为地下厂房工作人员平时工作的主要交通通道和疏散出口。

(2)通风兼安全洞：通风兼安全洞位于安装场端副厂房厂右侧，与安装场端副厂房2015.00m高程相连，向东与主变排风洞、尾调通风洞相连，向南与左岸低线绕坝交通洞相通，可经左岸低线绕坝交通洞疏散至室外地面，为地下厂房另一个安全疏散出口。

(3)厂房进风洞兼交通洞：厂房进风洞兼交通洞与副厂房2012.80m高程相通，向东经排水洞向南和进厂交通洞连接，主副厂房可由厂房进风洞兼交通洞经进厂交通洞疏散至室外地面。

根据杨房沟水电站地下厂房的疏散通道设计，在电站的发电机层1号机组段和靠近安装场的4号机组段各设置1套防水淹厂房按钮盒，每个按钮盒均设置4个带安全防护罩的按钮，分别为1-4号机防水淹厂房按钮，每个按钮带3副触点。

在电站的发电机层4号机组段和中控室各设置1套水淹厂房专用的声光报警器和警铃报警装置。声光报警器和警铃报警装置由防水淹厂房PLC柜启动和供电。

3.5 调速器“得电关闭”和“失电关闭”回路设计

电站调速器采用双微机调节器，设置2套独立电源分别给A、B套调节器供电，每套独立电源采用交/直流两回电源输入。调速器设置有“得电动作”的紧急停机阀和2个“失电动作”的掉电停机阀。紧急情况下，可通过使紧急停机阀“得电动作”，控制主配压阀关闭导叶，实现紧急停机；2个掉电停机阀同时失电时，调速器也可控制主配压阀关闭导叶，实现调速器掉电停机功能。调速器的停机回路做到了“得电关闭”和“失电关闭”双回路冗余控制功能。

3.6 进水口快速闸门紧急关闭回路设计

电站进水口快速闸门控制回路采用2路交流电源切换后的交流电源，再另外由电站提供一路直流电源供电，电源可靠。中控室紧急停机屏和机组水机保护屏紧急关门命令采用不经过快速闸门控制系统的PLC直接动作于快速闭门控制电磁阀的设计。

3.7 监控系统、励磁系统、调速系统、保护系统和故障录波装置等设备的时钟对时功能

电站设置1套时钟同步系统，配置2台冗余主时钟，2台主时钟同时接收北斗和GPS对时信号，通过子时钟给全站设备对时。时钟同步装置可提供NTP网络接口(RJ45)、时分秒脉冲(空接点)、时间报文(RS232/RS422/RS485)、IRIG-B方式及DCF77对时信号输出。

根据各系统设备的对时要求，电站的监控系统采用NTP网络对时方式；励磁系统、保护系统和故障录波装置采用IRIG-B方式对时；调速系统采用NTP网络对时。

3.8 防水淹厂房控制保护回路

根据防水淹厂房控制要求，每个防水淹厂房按钮的3副触点用途为：1副触点接至中控室紧急停机屏对应机组的远控信号光纤传输装置输入回路，用于直接启动远方紧急关闭进水口快速闸门；1副触点接至防水淹厂房PLC柜开入，启动声光、警铃报警及机组LCU和水机保护屏的紧急停机流程；1副触点接至地下副厂房公用5LCU，用于监控系统记录启动水淹厂房的按钮动作信号的信号源。

3.8.1 防水淹厂房PLC动作逻辑

(1)操作廊道层的3套浮球液位开关的水位高和水位过高信号，当有任意2套浮球液位开关的水位过高信号报警时，启动全部机组的紧急事故停机流程，同时启动2套水淹厂房专用的声光报警器和警铃报警装置进行水淹厂房报警；

(2)发电机层1号机组段和4号机组段的各机组水淹厂房按钮动作时，启动对应机组的紧急事故停机流程，同时启动2套水淹厂房专用的声光报警器和警铃报警装置进行水淹厂房报警。

3.8.2 防水淹厂房PLC发水淹厂房信号的输出触点回路设计

(1)DO开出4个触点，分别接至1-4号机组LCU的开关量输入模块，启动机组LCU的紧急事故停机流程；

(2)DO开出4个触点，分别接至1-4号机组水机保护屏的开关量输入模块，启动水机保护屏的紧急事故停机流程；

(3)DO开出4个触点，分别接至1-4号机组水机保护屏的远控信号光纤传输装置开关量输入回路，通过光纤硬布线回路，直接关闭进水口快速闸门；

(4)DO开出2个触点，分别接至发电机层和中控室设置的2套水淹厂房专用的声光报警器和警铃报警装置，启动声光和警铃报警。

4 结语

近些年，受地震、泥石流和极端暴雨等自然灾害影响，水电站水淹厂房事件时有发生，电站运行安全受到较大影响，经济损失严重。防水淹厂房控制保护回路的设计是否可靠对于加强水淹厂房事故的防范，减少水淹厂房带来的损失起着至关重要的作用。

杨房沟水电站的水淹厂房控制保护回路，通过设置防水淹厂房PLC柜、设置远方通过光纤硬布线直接动作紧急关闭进水口快速闸门和电缆硬接线启动水机保护屏的紧急停机流程作用于机组停机等设计，在水淹厂房报警信号出现时，可独立硬布线紧急操作机组停机和关闭进水口快速闸门。该保护控制回路很好地满足了相关规范和能源局对加强水电站水淹厂房防范工作的要求，在紧急情况下，可有效避免电站事故扩大和财产损失。

杨房沟水电站设计的防水淹厂房控制保护回路设计，可为后续其他类似水电站的相关设计提供借鉴。