SCADA系統(tǒng)在電站廠用電備自投倒換中的應(yīng)用

汪華強(qiáng)，楊春霞，周 強(qiáng)

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430000）

水電站廠用電系統(tǒng)因主供電源失電會(huì)引起備自投倒換頻繁，倒換操作快速平穩(wěn)保障著所有輔助設(shè)備的安全穩(wěn)定。對(duì)于配置發(fā)電機(jī)組出口斷路器（GCB）的電站，廠用電系統(tǒng)倒換簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)明顯。但是在無(wú)GCB的情況下，要實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的地下廠房、開(kāi)關(guān)站、大壩和尾水的廠用電系統(tǒng)一體化倒換，如通過(guò)增加更多的備自投裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，造價(jià)高且實(shí)施難度大。

文章介紹了南美洲某新建電站，項(xiàng)目技術(shù)協(xié)議由歐洲咨詢?cè)O(shè)計(jì)公司撰寫(xiě)，其中一項(xiàng)技術(shù)要求即為在無(wú)GCB情況下用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）集成廠用電備自投倒換功能。筆者經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)聯(lián)調(diào)測(cè)試，設(shè)計(jì)的備自投程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，利用SCADA實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠用電系統(tǒng)的自動(dòng)倒換，既經(jīng)濟(jì)又方便，值得總結(jié)借鑒。

1 廠用電系統(tǒng)概況

該電站廠用電主供電源按季節(jié)分別取自3臺(tái)發(fā)電機(jī)端或來(lái)自附近的22 kV地方電網(wǎng)，地下廠房、開(kāi)關(guān)站應(yīng)急電源來(lái)自布置在開(kāi)關(guān)站的1 000 kVA的柴油發(fā)電機(jī)，進(jìn)水口、大壩應(yīng)急電源來(lái)自布置在大壩變電所的700 kVA柴油發(fā)電機(jī)，尾水、管橋應(yīng)急電源來(lái)自布置在尾水變電所的100 kVA柴油發(fā)電機(jī)。

地下廠房0.48 kV廠用電源系統(tǒng)經(jīng)布置在地下廠房的2臺(tái)22 kV聯(lián)絡(luò)變壓器(TSA3/4)、22 kV聯(lián)絡(luò)電纜線路與地面開(kāi)關(guān)站的22 kV廠用電源系統(tǒng)連接，開(kāi)關(guān)站22 kV廠用電源系統(tǒng)經(jīng)布置在開(kāi)關(guān)站的1臺(tái)22 kV聯(lián)絡(luò)變壓器（TSASE1）與開(kāi)關(guān)站1 000 kVA的柴油發(fā)電機(jī)（G11）連接，系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 廠用電系統(tǒng)接線圖

2 備自投倒換原則

如圖1所示，該電站備自投倒換主要包含地下廠房13.8 kV(CCM2)、地下廠房0.48 kV(CCM3)、開(kāi)關(guān)站22 kV(CCM1)及開(kāi)關(guān)站0.48 kV(CCMSE)電源系統(tǒng)。備自投倒換設(shè)置3種模式：雨季模式、旱季模式和手動(dòng)模式。不同模式下，各母線失電自動(dòng)倒換應(yīng)及時(shí)無(wú)擾動(dòng)。

雨季模式主、備電源選擇順序?yàn)椋喊l(fā)電機(jī)端TSA→22 kV地方電源→開(kāi)關(guān)站柴油機(jī)組。

旱季模式主、備電源選擇順序?yàn)椋?2 kV地方電源→發(fā)電機(jī)端TSA→開(kāi)關(guān)站柴油機(jī)組。

手動(dòng)模式時(shí)自動(dòng)倒換退出運(yùn)行，斷路器處于手動(dòng)控制模式。

3 備自投倒換策略

3.1 地下廠房13.8 kV系統(tǒng)（CCM2）

該電站設(shè)置2臺(tái)13.8 kV高壓廠用變壓器(TSA1/2)，每臺(tái)高廠變高壓側(cè)經(jīng)2臺(tái)13.8 kV斷路器（Q1/Q2/Q3/Q4）分別接至2臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端。正常運(yùn)行時(shí)，其中1臺(tái)斷路器合閘另1臺(tái)斷路器分閘，13.8 kV廠用電源取自其中1臺(tái)發(fā)電機(jī)。若該機(jī)組停機(jī)或其他原因造成該 13.8 kV廠用電源消失，且另1臺(tái)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，由備自投程序自動(dòng)合上另外1臺(tái)斷路器，否則自動(dòng)跳開(kāi)高廠變低壓側(cè)0.48 kV開(kāi)關(guān)（Q6/Q8）。

3.2 地下廠房0.48 kV廠用系統(tǒng)（CCM3）

地下廠房0.48 kV廠用系統(tǒng)采用單母分段接線。主供電源分別取自發(fā)電機(jī)端(經(jīng)高廠變)或經(jīng)聯(lián)絡(luò)變壓器(TSA3/4)聯(lián)絡(luò)線取自地面開(kāi)關(guān)站地方外來(lái)電源，或者由開(kāi)關(guān)站1 000 kVA柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。

3.3 開(kāi)關(guān)站22 kV系統(tǒng)（CCM1）

開(kāi)關(guān)站22 kV系統(tǒng)采用單母分段接線。主供電源來(lái)自地下廠房發(fā)電機(jī)端電源或地方外來(lái)電源，開(kāi)關(guān)站1 000 kVA柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，容量?jī)H供開(kāi)關(guān)站及地下廠房負(fù)荷。尾水管橋、大壩進(jìn)水口由各自柴油機(jī)提供應(yīng)急電源。正常運(yùn)行時(shí)，22 kV系統(tǒng)由主供電源供電；當(dāng)主供電源消失后, 備自投程序檢測(cè)備用電源是否正常。若正常，自動(dòng)切換至備用電源供電；若主供電源及備用電源均消失，則由備自投程序自動(dòng)跳開(kāi)地方外來(lái)電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)及至尾水管橋、大壩進(jìn)水口饋線開(kāi)關(guān)，自動(dòng)發(fā)令啟動(dòng)開(kāi)關(guān)站柴油發(fā)電機(jī)。

3.4 開(kāi)關(guān)站0.48 kV電源系統(tǒng)（CCMSE）

開(kāi)關(guān)站0.48 kV電源系統(tǒng)采用單母線接線。1回開(kāi)關(guān)站聯(lián)絡(luò)變壓器（TSASE1）進(jìn)線和1回柴油機(jī)進(jìn)線，變壓器TSASE1進(jìn)線為工作電源，柴油發(fā)電機(jī)為應(yīng)急電源。正常運(yùn)行時(shí)，變壓器進(jìn)線開(kāi)關(guān)Q27合閘，開(kāi)關(guān)站0.48 kV系統(tǒng)由變壓器進(jìn)線供電；當(dāng)?shù)叵聫S房電源、地方外來(lái)電源全部消失時(shí)，由備自投程序發(fā)令啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)、合柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)，由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供開(kāi)關(guān)站0.48kV廠用電，并通過(guò)開(kāi)關(guān)站聯(lián)絡(luò)變壓器、22 kV聯(lián)絡(luò)線、地下廠房22 kV聯(lián)絡(luò)變壓器給地下廠房倒送廠用電；當(dāng)?shù)叵聫S房電源或地方外來(lái)電源未失電，而由于設(shè)備故障，造成開(kāi)關(guān)站0.48 kV母線失電，也由備自投程序發(fā)令啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，恢復(fù)開(kāi)關(guān)站0.48 kV廠用電。備自投程序向柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令后，應(yīng)等待柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)完畢，電壓、頻率等正常且收到柴油發(fā)電機(jī)允許帶負(fù)荷信號(hào)后，再發(fā)令合上柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)（Q34）；若柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)失敗(在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到柴油發(fā)電機(jī)允許帶負(fù)荷信號(hào)，時(shí)間可靈活設(shè)定)，備自投程序?qū)l(fā)出柴油機(jī)啟動(dòng)失敗報(bào)警信息。

3.5 電源恢復(fù)

電源恢復(fù)采用半自動(dòng)恢復(fù)方式。例如雨季模式主、備電源選擇順序?yàn)椋喊l(fā)電機(jī)端TSA→22 kV地方電源→開(kāi)關(guān)站柴油機(jī)組，那么將發(fā)電機(jī)端TSA稱之為22 kV地方電源的上一級(jí)電源，而22 kV地方電源又是開(kāi)關(guān)站柴油機(jī)組的上一級(jí)電源。如果當(dāng)前模式上一級(jí)電源恢復(fù)后，由運(yùn)行人員根據(jù)需要手動(dòng)切除當(dāng)前工作的備用電源，備自投程序?qū)⒆詣?dòng)恢復(fù)至上一級(jí)電源供電。

4 備自投倒換功能實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵因素

備自投倒換功能主要由公用LCU負(fù)責(zé)執(zhí)行，備自投程序包含22 kV（CCM1）、13.8 kV（CCM2）、地下廠房480 V（CCM3）及開(kāi)關(guān)站480 V（CCMSE）母線之間的失電倒換流程。根據(jù)不同模式下主、備電源選擇順序，劃分各段母線的取電優(yōu)先級(jí)以及時(shí)間梯度，如圖2所示。當(dāng)某段母線發(fā)生失電時(shí)，快速識(shí)別該母線的相鄰母線，并根據(jù)相鄰母線的優(yōu)先級(jí)，選擇倒換次序和路徑。

圖2 供電恢復(fù)優(yōu)先級(jí)

以母線CCM3-1為例，闡述如何制定該段母線的倒換流程。當(dāng)CCM3-1母線失電后，識(shí)別出其相鄰母線（鄰線）為CCM3-2，CCM2-1和CCM1-2。

（1）雨季模式下，由圖2得出3條鄰線的優(yōu)先級(jí)由高到低依次為CCM2-1、CCM3-2和CCM1-2，因此倒換流程首先判斷CCM2-1電壓是否正常，若正常，合Q6；若不正常，接著判斷CCM3-2電壓是否正常，若正常，分Q6合Q7；否則繼續(xù)判斷CCM1-2電壓是否正常，若正常，分Q6、Q7，合Q5、Q26。

（2）旱季模式下，由圖2得出3條鄰線的優(yōu)先級(jí)由高到低依次為CCM1-2、CCM3-2和CCM2-1，因此倒換流程將首先判斷CCM1-2電壓是否正常，若正常，合Q5、Q26，若不正常，分Q5、Q26；接著判斷CCM3-2電壓是否正常，若正常，分Q6合Q7；否則繼續(xù)判斷CCM2-1電壓是否正常，若正常，合Q6。

母線CCM3-1兩種模式下的詳細(xì)倒換流程如圖3所示，依此類推做出其他母線的7個(gè)倒換流程。實(shí)現(xiàn)倒換流程之間嚴(yán)密有序的梯級(jí)協(xié)同操作，編程時(shí)還需要考慮以下關(guān)鍵點(diǎn)，任何一點(diǎn)誤判都將導(dǎo)致備自投倒換失敗。

圖3 母線CCM3-1倒換流程圖

4.1 斷路器分合閘等待時(shí)間和必要的延時(shí)時(shí)間

該電站不同電壓等級(jí)母線斷路器的分合閘時(shí)間如表1所示：

表1 不同電壓等級(jí)母級(jí)斷路器分合閘時(shí)間單位：ms

某段母線失電倒換流程觸發(fā)啟動(dòng)后，將發(fā)令操作相應(yīng)斷路器，循環(huán)等待斷路器位置反饋信號(hào)。每個(gè)倒換流程將根據(jù)本流程實(shí)際操作斷路器的數(shù)量自動(dòng)計(jì)算出總等待時(shí)間，再加上必要的延時(shí)時(shí)間（可靈活調(diào)整），作為下一級(jí)母線倒換流程循環(huán)等待的啟動(dòng)時(shí)間，依此類推逐級(jí)遞增。

4.2 電壓監(jiān)視繼電器防抖動(dòng)

判斷母線或進(jìn)線是否有電壓，一般采用配電柜內(nèi)電壓監(jiān)視繼電器的輸出接點(diǎn)，操作邏輯與斷路器本體的硬接線閉鎖回路保持一致。該電站配電柜電壓繼電器采用傳統(tǒng)機(jī)械式繼電器，在斷路器分合閘過(guò)程中，有壓、無(wú)壓繼電器的輸出接點(diǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致備自投倒換流程紊亂。雖在倒換流程中對(duì)其進(jìn)行了濾波處理效果依然不佳，在換成無(wú)抖動(dòng)的靜態(tài)電壓繼電器后，效果顯著改善。

4.3 變壓器并列運(yùn)行

22 kV與0.48 kV母線之間的母聯(lián)變壓器TSA3和TSA4能否并列運(yùn)行，取決于兩臺(tái)變壓器接線組別、阻抗電壓(短路電壓)和變壓器變比等條件約束。非法并列運(yùn)行嚴(yán)重可致變壓器燒毀，運(yùn)行人員可在SCADA備自投界面定義是否允許并列運(yùn)行。該電站母聯(lián)變壓器禁止并列運(yùn)行，備自投倒換流程將自動(dòng)閉鎖環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

4.4 變壓器和母線檢修

考慮變壓器，母線例行檢修維護(hù)工作，在SCADA備自投界面可為每段母線和變壓器設(shè)置檢修模式投退軟壓板，備自投倒換程序?qū)⒁来俗詣?dòng)做出相應(yīng)的調(diào)整，如圖4所示。

圖4 SCADA備自投界面

4.5 斷路器重合閘

某些特定情境下要考慮斷路器拒動(dòng)，允許進(jìn)行1次重合閘操作。運(yùn)行人員在SCADA備自投界面對(duì)某一斷路器投退重合閘軟壓板，備自投程序?qū)⒆詣?dòng)增加1次合閘操作。該電站尾水管橋和大壩進(jìn)水口的供電斷路器Q28、Q31均投入了重合閘操作。

5 結(jié)語(yǔ)

該電站由于沒(méi)有發(fā)電機(jī)出口斷路器GCB，廠用電來(lái)源復(fù)雜，導(dǎo)致廠用電系統(tǒng)備自投倒換復(fù)雜。尤其在雨季模式下，伴隨發(fā)電機(jī)組開(kāi)停機(jī)，需要頻繁地倒換廠用電系統(tǒng)，倒換過(guò)程及時(shí)無(wú)擾動(dòng)至關(guān)重要。通過(guò)業(yè)主和監(jiān)理的嚴(yán)格測(cè)試驗(yàn)證，SCADA系統(tǒng)集成備自投倒換運(yùn)行可靠，為類似電站的廠用電倒換設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了借鑒。