樂昌峽水電站廠用電備自投系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

楊 林

（廣東粵海飛來峽水力發(fā)電有限公司樂昌峽分公司，廣東 樂昌 512200）

0 引言

樂昌峽水利樞紐工程是廣東水利建設(shè)重點(diǎn)工程，是一座以防澇為主，結(jié)合發(fā)電，改善下游灌溉、航運(yùn)、供水等綜合利用的水利樞紐，是北江上游關(guān)鍵性防洪控制工程。樂昌峽水電站的發(fā)電廠房為地下式廠房，電站內(nèi)安裝有3 臺(tái)混流立式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量44MW，總裝機(jī)132MW，電站采用“無人值班，少人值守”的運(yùn)行管理模式，安全監(jiān)控中心設(shè)在距地下廠房約1.5km 的值班管理樓內(nèi)。電站的廠用電系統(tǒng)為樞紐的眾多用電單元提供電力，如溢流壩閘門啟閉機(jī)、調(diào)速器油壓控制系統(tǒng)、筒閥油壓控制系統(tǒng)等，要求廠用電系統(tǒng)能夠保證不間斷供電，因此，廠用電系統(tǒng)的備用電源能否正確、迅速、可靠的投入，對(duì)整個(gè)樞紐的安全運(yùn)行有十分重大的意義。

1 樂昌峽水電站廠用電系統(tǒng)

1.1 樂昌峽水電站廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

樂昌峽水電站的廠用電系統(tǒng)一次接線圖如圖1 所示，主要由3 段進(jìn)線電源、2 段廠用電母線和1 段聯(lián)絡(luò)母線構(gòu)成。

（1）進(jìn)線電源I 段供電來自于10.5kV I 段母線，由#1 廠用變壓器41TA 降壓至400V，通過401 開關(guān)連接至廠用電I段母線。

（2）進(jìn)線電源II 段供電來自于10.5kV II 段母線，由#2廠用變壓器42TA 降壓至400V，通過402 開關(guān)連接至廠用電II 段母線。

（3）進(jìn)線電源III 段供電來自于外部電源10kV 保峽線，由#3 廠用變壓器43TA 降壓至400V，通過403 開關(guān)連接至廠用電聯(lián)絡(luò)段母線。

（4）廠用電I 段母線和廠用電II 段母線及廠用電聯(lián)絡(luò)段母線之間通過母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)400 和440 進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)3 段進(jìn)線電源的備用關(guān)系。進(jìn)線電源I 段與進(jìn)線電源II 段之間互為暗備用，進(jìn)線電源III 段與進(jìn)線電源I 段、進(jìn)線電源II 段互為明備用。

（5）每臺(tái)廠用變壓器的容量均能滿足整個(gè)廠用電系統(tǒng)的負(fù)荷。

圖1 樂昌峽水電站廠用電一次接線圖

1.2 樂昌峽水電站廠用電運(yùn)行方式

根據(jù)圖1 可以看出，正常運(yùn)行時(shí)有以下4 種運(yùn)行方式。

（1）運(yùn)行方式1：進(jìn)線電源I 段帶電、進(jìn)線電源II 段帶電，開關(guān)401、402 合閘，開關(guān)403、400、440 分閘，進(jìn)線電源I 段和進(jìn)線電源II 段帶廠用電I 段、廠用電II 段分段運(yùn)行。

（2）運(yùn)行方式2：進(jìn)線電源I 段帶電、進(jìn)線電源II 段失電，開關(guān)401、400、440 合閘，開關(guān)402、403 分閘，由進(jìn)線電源I 段帶廠用電I 段、II 段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。

（3）運(yùn)行方式3：進(jìn)線電源II 段帶電、進(jìn)線電源I 段失電，開關(guān)402、400、440 合閘，開關(guān)401、403 分閘，由進(jìn)線電源II 段帶廠用電I 段、II 段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。

（4）運(yùn)行方式4：進(jìn)線電源I 段、II 段失電，進(jìn)線電源III 段帶電，開關(guān)403、400、440 合閘，開關(guān)401、402 分閘，由進(jìn)線電源III 段帶廠用電I 段、II 段聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。

2 廠用電備自投裝置設(shè)計(jì)

在水電站中，為了保證廠用電母線為負(fù)載正常供電，通常都采用備用電源自動(dòng)投入裝置（簡稱備自投裝置）來實(shí)現(xiàn)廠用電系統(tǒng)主用電源和備用電源之間的自動(dòng)切換。該節(jié)介紹了樂昌峽水電站廠用電備自投裝置的設(shè)計(jì)思路。

2.1 備自投裝置動(dòng)作技術(shù)要求

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》，備自投裝置的動(dòng)作技術(shù)要求如下：

（1）工作電源斷開后，備用電源才能投入。

（2）備自投裝置投入備用電源斷路器必須經(jīng)過延時(shí)，延時(shí)時(shí)限應(yīng)大于最長的外部故障切除時(shí)間。

（3）在手動(dòng)跳開工作電源時(shí)，備自投不應(yīng)動(dòng)作。

（4）備用電源無電壓時(shí)，備自投不應(yīng)動(dòng)作。

（5）備自投在電壓互感器（PT）二次熔斷時(shí)不應(yīng)誤動(dòng)作。

（6）備自投只能動(dòng)作一次，防止系統(tǒng)受到多次沖擊而擴(kuò)大事故。

2.2 廠用電自投自復(fù)設(shè)計(jì)思路

樂昌峽水電站廠用電系統(tǒng)具備自投自復(fù)功能，即當(dāng)主用電源進(jìn)線失電時(shí)，備用電源能夠自動(dòng)投入，當(dāng)主用電源進(jìn)線電壓恢復(fù)時(shí)，可自動(dòng)恢復(fù)至主用電源供電，根據(jù)三段進(jìn)線電源的備用關(guān)系可知，廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式的優(yōu)先級(jí)表現(xiàn)為運(yùn)行方式1>運(yùn)行方式2 與運(yùn)行方式3>運(yùn)行方式4。運(yùn)行方式的切換過程如圖2 所示。

圖2 樂昌峽廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式切換過程

2.2.1 備用電源自動(dòng)投入設(shè)計(jì)思路

（1）廠用電系統(tǒng)工作于運(yùn)行方式1 時(shí)，若僅進(jìn)線電源II段失電，備自投裝置跳開402 開關(guān)，確認(rèn)402 開關(guān)分閘后，合上母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)400 和440，切換至運(yùn)行方式2。

（2）廠用電系統(tǒng)工作于運(yùn)行方式1 時(shí)，若僅進(jìn)線電源I段失電，備自投裝置跳開401 開關(guān)，確認(rèn)401 開關(guān)分閘后，合上母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)400 和440，切換至運(yùn)行方式3。

（3）廠用電系統(tǒng)工作于運(yùn)行方式1 時(shí)，若進(jìn)線電源I 段、II 段同時(shí)失電，備自投裝置跳開401 和402 開關(guān)，確認(rèn)401和402 開關(guān)分閘后，合上403、400、440 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式4。

（4）廠用電工作于運(yùn)行方式2 時(shí)，若進(jìn)線電源I 段失電，備自投裝置跳開401 開關(guān)，確認(rèn)401 開關(guān)分閘后，合上403開關(guān)，切換至運(yùn)行方式4。

（5）廠用電工作于運(yùn)行方式3 時(shí)，若進(jìn)線電源II 段失電，備自投裝置跳開402 開關(guān)，確認(rèn)402 開關(guān)分閘后，合上403 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式4。

2.2.2 主用電源來電自復(fù)設(shè)計(jì)思路

（1）廠用電工作在運(yùn)行方式4 時(shí)，若僅進(jìn)線電源I 段復(fù)電，備自投裝置跳開403 開關(guān)，確認(rèn)403 開關(guān)分閘后，合上401 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式2。

（2）廠用電工作在運(yùn)行方式4 時(shí)，若僅進(jìn)線電源II 段復(fù)電，備自投裝置跳開403 開關(guān)，確認(rèn)403 開關(guān)分閘后，合上402 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式3。

（3）廠用電工作在運(yùn)行方式4 時(shí)，若進(jìn)線電源I 段、II段同時(shí)復(fù)電，備自投裝置跳開403、400 和440 開關(guān)，確認(rèn)403、400 和440 開關(guān)分閘后，合上401 和402 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式1。

（4）廠用電工作在運(yùn)行方式3 時(shí)，若進(jìn)線電源I 段復(fù)電，備自投裝置跳開母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)400 和440，確認(rèn)400 和440開關(guān)分閘后，合上401 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式1。

（5）廠用電工作在運(yùn)行方式2 時(shí)，若進(jìn)線電源II 段復(fù)電，備自投裝置跳開母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)400 和440，確認(rèn)400 和440 開關(guān)分閘后，合上402 開關(guān)，切換至運(yùn)行方式1。

3 應(yīng)用PLC 實(shí)現(xiàn)備自投功能

備自投裝置作為電力系統(tǒng)中常用的一類安全自動(dòng)裝置，其發(fā)展經(jīng)過了電磁型—整流型—晶體管型—集成電路型和微機(jī)控制型幾個(gè)重要階段，傳統(tǒng)的備自投一般是靠繼電器的邏輯控制來完成，存在切換時(shí)間長、沖擊電流大、可能擴(kuò)大事故等缺點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的備自投裝置難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需求。PLC 可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、適應(yīng)性好的特點(diǎn)受到了工業(yè)領(lǐng)域的青睞，越來越多的備自投裝置采用PLC 來實(shí)現(xiàn)。

樂昌峽水利樞紐的廠用電備自投系統(tǒng)采用了施耐德的TSXRKY8 系列PLC，CPU 模塊為TSXP57104M，備自投裝置安裝于401 開關(guān)柜底部。

3.1 PLC 備自投裝置電源回路

圖3 進(jìn)線電源I 段失電備自投裝置動(dòng)作流程

PLC 備自投裝置的電源模塊選型為TSXPSY5500M，其供電電流為AC220V，考慮到廠用電系統(tǒng)本身就不可靠，交流電源可能全部消失，為確保廠用電備自投裝置能正確可靠的動(dòng)作，PLC 電源由廠內(nèi)220V 直流UPS 電源經(jīng)逆變器逆變?yōu)?20V 交流后提供，廠用電電源消失時(shí)，PLC 備自投裝置仍能夠正常的運(yùn)行，為廠用電系統(tǒng)投入備用電源。

3.2 PLC 的IO 點(diǎn)配置

PLC 備自投裝置的開關(guān)量輸入模塊選型為TSXDEY32D2K，開關(guān)量輸出模塊選用TSXDSY16T2，根據(jù)廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行方式和備自投設(shè)計(jì)思路，PLC 的IO 點(diǎn)位配置如下。

圖4 進(jìn)線電源I 段復(fù)電備自投裝置動(dòng)作流程

（1）開關(guān)輸入量D：廠用電進(jìn)線I 段帶電、廠用電進(jìn)線II 段帶電、廠用電進(jìn)線III 段帶電、廠用電I 段母線帶電、廠用電II 段母線帶電、401 開關(guān)狀態(tài)、401 開關(guān)控制方式、402開關(guān)狀態(tài)、402 開關(guān)控制方式、403 開關(guān)狀態(tài)、403 開關(guān)控制方式、400 開關(guān)狀態(tài)、400 開關(guān)控制方式、440 開關(guān)狀態(tài)、440 開關(guān)控制方式。

（2）開關(guān)輸出量D：401 開關(guān)合閘、401 開關(guān)分閘、402開關(guān)合閘、402 開關(guān)分閘、403 開關(guān)合閘、403 開關(guān)分閘、400開關(guān)合閘、400 開關(guān)分閘、440 開關(guān)合閘、440 開關(guān)分閘。

3.3 失壓檢測回路

廠用電備自投裝置共采用5 個(gè)電壓繼電器分別對(duì)3 段電源進(jìn)線和2 段廠用電母線的電壓進(jìn)行監(jiān)測，電壓繼電器并接在每條線路開關(guān)的AC 相之間。從電壓繼電器的常開觸點(diǎn)引線至PLC 的D輸入模塊，當(dāng)某線路的線電壓高于160V（可根據(jù)實(shí)際條件整定）時(shí)，其電壓繼電器線圈吸合，常開觸點(diǎn)閉合，PLC 對(duì)應(yīng)開關(guān)量輸入點(diǎn)位得到一個(gè)高電平信號(hào)，備自投裝置判定該線路帶電。當(dāng)某線路線電壓低于160V 時(shí)，其電壓繼電器線圈釋放，閉合觸點(diǎn)斷開，PLC 對(duì)應(yīng)開關(guān)量輸入點(diǎn)位高電平信號(hào)消失，備自投裝置判定該線路失電。

3.4 備自投程序設(shè)計(jì)

根據(jù)廠用電的幾種運(yùn)行方式和備自投裝置的自投自復(fù)設(shè)計(jì)思路可推出，備自投裝置動(dòng)作的條件主要分為以下幾種情況：

（1）進(jìn)線電源I 段失電、廠用電I 段母線失壓、廠用電II 段母線有壓。

（2）進(jìn)線電源II 段失電、廠用電II 段母線失壓、廠用電I 段母線有壓。

（3）進(jìn)線電源I 段失電、廠用電I 段母線失壓、進(jìn)線電源II 段失電、廠用電II 段母線失壓、進(jìn)線電源III 段帶電。

（4）進(jìn)線電源I 段帶電、401 開關(guān)分閘。

（5）進(jìn)線電源II 段帶電、402 開關(guān)分閘。

廠用電系統(tǒng)所有開關(guān)的控制方式都切換到“自動(dòng)”方式時(shí)，備自投裝置進(jìn)入投入狀態(tài)，運(yùn)行過程中，備自投裝置會(huì)不斷對(duì)廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行掃描，當(dāng)出現(xiàn)滿足備自投裝置動(dòng)作條件的工況時(shí)，備自投裝置會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的程序片段，例如進(jìn)線電源I 段失電導(dǎo)致廠用電I 段母線失壓時(shí)，及時(shí)切換至進(jìn)線電源II 段供電（圖3），進(jìn)線電源I 段電壓恢復(fù)正常時(shí)，又切換回進(jìn)線I 段電源供電（圖4），各個(gè)程序段之間形成了一個(gè)閉環(huán)的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠用電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式的自動(dòng)切換，保障廠用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 硬件閉鎖防誤合

由PLC 軟件設(shè)計(jì)的備自投裝置在對(duì)開關(guān)進(jìn)行操作控制時(shí)，可能會(huì)因?yàn)檐浖陨淼倪壿嬪e(cuò)誤或者備自投裝置故障造成開關(guān)誤合，同樣的，運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，也有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤操作。比如工作電源正常運(yùn)行時(shí)，誤將備用電源開關(guān)也進(jìn)行合閘，此類錯(cuò)誤操作，可能造成開關(guān)的非同期合閘，產(chǎn)生極大的沖擊電流，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，危機(jī)人身設(shè)備安全。因此，除了在軟件設(shè)計(jì)中制定正確的動(dòng)作邏輯以外，還可以通過布線的形式對(duì)開關(guān)的合閘線圈進(jìn)行硬件閉鎖，進(jìn)一步提升開關(guān)合閘的準(zhǔn)確性和安全性，降低開關(guān)誤合閘的可能。以401 開關(guān)為例，401 開關(guān)合閘時(shí)不能與進(jìn)線電源II 段、III 段并列運(yùn)行，其合閘的前提條件是403 開關(guān)在分閘位置、400 和440 開關(guān)在分閘位置（合上開關(guān)401 后進(jìn)線電源I 段帶廠用電I 段母線運(yùn)行）或403 開關(guān)在分閘位置、402 開關(guān)在分閘位置（合上401 后，進(jìn)線電源I 段帶廠用電I 段母線運(yùn)行或帶廠用電I 段與II 段母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行），其閉鎖電路如圖5 所示。同理，可分析出其他開關(guān)的合閘條件。通過對(duì)所有開關(guān)進(jìn)行硬件閉鎖，消除了備自投裝置出現(xiàn)異常時(shí)導(dǎo)致誤動(dòng)作的隱患，也降低了運(yùn)行人員手動(dòng)誤操作的可能性。

圖5 401 開關(guān)合閘閉鎖電路

4 結(jié)語

該文以樂昌峽水利樞紐為例，介紹了一種廠用電備自投系統(tǒng)的動(dòng)作邏輯和實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)過深入思考，以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的備自投裝置雖已滿足廠用電系統(tǒng)自投自復(fù)的基本需求，但仍存在一定的缺陷，其一是每段線路的失壓檢測回路僅采用一個(gè)電壓繼電器，以AC 兩相之間的線電壓作為線路是否帶電的判定依據(jù)，如發(fā)生B 相缺相運(yùn)行時(shí)，失壓檢測回路不能進(jìn)行有效判定，備自投裝置亦不能進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作；其二是未對(duì)上級(jí)開關(guān)的保護(hù)裝置跳閘進(jìn)行備自投閉鎖，可能導(dǎo)致某段線路短路過流時(shí)，備自投動(dòng)作造成事故范圍擴(kuò)大。以上缺陷可通過改造升級(jí)消除，進(jìn)一步提升廠用電備自投裝置的可靠性和安全性。

樂昌峽水利樞紐的廠用電備自投裝置已投入多年，從運(yùn)行結(jié)果來看，備自投裝置面對(duì)不同的運(yùn)行工況時(shí)可以穩(wěn)定、正確的動(dòng)作，為廠內(nèi)的各個(gè)用電負(fù)荷提供不間斷電源，方便了技術(shù)人員的運(yùn)行維護(hù)，有效提升了廠用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)電站“無人值班，少人值守”的運(yùn)行模式具有重要的意義。