樂昌峽水電站廠用電備自投系統設計綜述

楊 林

（廣東粵海飛來峽水力發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重點工程，是一座以防澇為主，結合發電，改善下游灌溉、航運、供水等綜合利用的水利樞紐，是北江上游關鍵性防洪控制工程。樂昌峽水電站的發電廠房為地下式廠房，電站內安裝有3 臺混流立式水輪發電機組，單機容量44MW，總裝機132MW，電站采用“無人值班，少人值守”的運行管理模式，安全監控中心設在距地下廠房約1.5km 的值班管理樓內。電站的廠用電系統為樞紐的眾多用電單元提供電力，如溢流壩閘門啟閉機、調速器油壓控制系統、筒閥油壓控制系統等，要求廠用電系統能夠保證不間斷供電，因此，廠用電系統的備用電源能否正確、迅速、可靠的投入，對整個樞紐的安全運行有十分重大的意義。

1 樂昌峽水電站廠用電系統

1.1 樂昌峽水電站廠用電系統結構

樂昌峽水電站的廠用電系統一次接線圖如圖1 所示，主要由3 段進線電源、2 段廠用電母線和1 段聯絡母線構成。

（1）進線電源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 開關連接至廠用電I段母線。

（2）進線電源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 開關連接至廠用電II 段母線。

（3）進線電源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 開關連接至廠用電聯絡段母線。

（4）廠用電I 段母線和廠用電II 段母線及廠用電聯絡段母線之間通過母線聯絡開關400 和440 進行連接，實現3 段進線電源的備用關系。進線電源I 段與進線電源II 段之間互為暗備用，進線電源III 段與進線電源I 段、進線電源II 段互為明備用。

（5）每臺廠用變壓器的容量均能滿足整個廠用電系統的負荷。

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行方式

根據圖1 可以看出，正常運行時有以下4 種運行方式。

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

（2）運行方式2：進線電源I 段帶電、進線電源II 段失電，開關401、400、440 合閘，開關402、403 分閘，由進線電源I 段帶廠用電I 段、II 段聯絡運行。

（3）運行方式3：進線電源II 段帶電、進線電源I 段失電，開關402、400、440 合閘，開關401、403 分閘，由進線電源II 段帶廠用電I 段、II 段聯絡運行。

（4）運行方式4：進線電源I 段、II 段失電，進線電源III 段帶電，開關403、400、440 合閘，開關401、402 分閘，由進線電源III 段帶廠用電I 段、II 段聯絡運行。

2 廠用電備自投裝置設計

在水電站中，為了保證廠用電母線為負載正常供電，通常都采用備用電源自動投入裝置（簡稱備自投裝置）來實現廠用電系統主用電源和備用電源之間的自動切換。該節介紹了樂昌峽水電站廠用電備自投裝置的設計思路。

2.1 備自投裝置動作技術要求

根據國家標準《繼電保護和安全自動裝置技術規程》，備自投裝置的動作技術要求如下：

（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過延時，延時時限應大于最長的外部故障切除時間。

（3）在手動跳開工作電源時，備自投不應動作。

（4）備用電源無電壓時，備自投不應動作。

（5）備自投在電壓互感器（PT）二次熔斷時不應誤動作。

（6）備自投只能動作一次，防止系統受到多次沖擊而擴大事故。

2.2 廠用電自投自復設計思路

樂昌峽水電站廠用電系統具備自投自復功能，即當主用電源進線失電時，備用電源能夠自動投入，當主用電源進線電壓恢復時，可自動恢復至主用電源供電，根據三段進線電源的備用關系可知，廠用電系統運行方式的優先級表現為運行方式1>運行方式2 與運行方式3>運行方式4。運行方式的切換過程如圖2 所示。

圖2 樂昌峽廠用電系統運行方式切換過程

2.2.1 備用電源自動投入設計思路

（1）廠用電系統工作于運行方式1 時，若僅進線電源II段失電，備自投裝置跳開402 開關，確認402 開關分閘后，合上母線聯絡開關400 和440，切換至運行方式2。

（2）廠用電系統工作于運行方式1 時，若僅進線電源I段失電，備自投裝置跳開401 開關，確認401 開關分閘后，合上母線聯絡開關400 和440，切換至運行方式3。

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

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

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

2.2.2 主用電源來電自復設計思路

（1）廠用電工作在運行方式4 時，若僅進線電源I 段復電，備自投裝置跳開403 開關，確認403 開關分閘后，合上401 開關，切換至運行方式2。

（2）廠用電工作在運行方式4 時，若僅進線電源II 段復電，備自投裝置跳開403 開關，確認403 開關分閘后，合上402 開關，切換至運行方式3。

（3）廠用電工作在運行方式4 時，若進線電源I 段、II段同時復電，備自投裝置跳開403、400 和440 開關，確認403、400 和440 開關分閘后，合上401 和402 開關，切換至運行方式1。

（4）廠用電工作在運行方式3 時，若進線電源I 段復電，備自投裝置跳開母線聯絡開關400 和440，確認400 和440開關分閘后，合上401 開關，切換至運行方式1。

（5）廠用電工作在運行方式2 時，若進線電源II 段復電，備自投裝置跳開母線聯絡開關400 和440，確認400 和440 開關分閘后，合上402 開關，切換至運行方式1。

3 應用PLC 實現備自投功能

備自投裝置作為電力系統中常用的一類安全自動裝置，其發展經過了電磁型—整流型—晶體管型—集成電路型和微機控制型幾個重要階段，傳統的備自投一般是靠繼電器的邏輯控制來完成，存在切換時間長、沖擊電流大、可能擴大事故等缺點。隨著社會經濟的發展，電力系統對電力設備性能要求也越來越高。傳統的備自投裝置難以滿足現代電力系統的需求。PLC 可靠性高、抗干擾性強、適應性好的特點受到了工業領域的青睞，越來越多的備自投裝置采用PLC 來實現。

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

3.1 PLC 備自投裝置電源回路

圖3 進線電源I 段失電備自投裝置動作流程

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作，PLC 電源由廠內220V 直流UPS 電源經逆變器逆變為220V 交流后提供，廠用電電源消失時，PLC 備自投裝置仍能夠正常的運行，為廠用電系統投入備用電源。

3.2 PLC 的IO 點配置

PLC 備自投裝置的開關量輸入模塊選型為TSXDEY32D2K，開關量輸出模塊選用TSXDSY16T2，根據廠用電系統的運行方式和備自投設計思路，PLC 的IO 點位配置如下。

圖4 進線電源I 段復電備自投裝置動作流程

（1）開關輸入量D：廠用電進線I 段帶電、廠用電進線II 段帶電、廠用電進線III 段帶電、廠用電I 段母線帶電、廠用電II 段母線帶電、401 開關狀態、401 開關控制方式、402開關狀態、402 開關控制方式、403 開關狀態、403 開關控制方式、400 開關狀態、400 開關控制方式、440 開關狀態、440 開關控制方式。

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

3.3 失壓檢測回路

廠用電備自投裝置共采用5 個電壓繼電器分別對3 段電源進線和2 段廠用電母線的電壓進行監測，電壓繼電器并接在每條線路開關的AC 相之間。從電壓繼電器的常開觸點引線至PLC 的D輸入模塊，當某線路的線電壓高于160V（可根據實際條件整定）時，其電壓繼電器線圈吸合，常開觸點閉合，PLC 對應開關量輸入點位得到一個高電平信號，備自投裝置判定該線路帶電。當某線路線電壓低于160V 時，其電壓繼電器線圈釋放，閉合觸點斷開，PLC 對應開關量輸入點位高電平信號消失，備自投裝置判定該線路失電。

3.4 備自投程序設計

根據廠用電的幾種運行方式和備自投裝置的自投自復設計思路可推出，備自投裝置動作的條件主要分為以下幾種情況：

（1）進線電源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）進線電源I 段失電、廠用電I 段母線失壓、進線電源II 段失電、廠用電II 段母線失壓、進線電源III 段帶電。

（4）進線電源I 段帶電、401 開關分閘。

（5）進線電源II 段帶電、402 開關分閘。

廠用電系統所有開關的控制方式都切換到“自動”方式時，備自投裝置進入投入狀態，運行過程中，備自投裝置會不斷對廠用電系統的運行工況進行掃描，當出現滿足備自投裝置動作條件的工況時，備自投裝置會執行相應的程序片段，例如進線電源I 段失電導致廠用電I 段母線失壓時，及時切換至進線電源II 段供電（圖3），進線電源I 段電壓恢復正常時，又切換回進線I 段電源供電（圖4），各個程序段之間形成了一個閉環的邏輯關系，實現對廠用電系統不同運行方式的自動切換，保障廠用電系統安全穩定運行。

3.5 硬件閉鎖防誤合

由PLC 軟件設計的備自投裝置在對開關進行操作控制時，可能會因為軟件自身的邏輯錯誤或者備自投裝置故障造成開關誤合，同樣的，運行人員進行手動操作時，也有可能產生錯誤操作。比如工作電源正常運行時，誤將備用電源開關也進行合閘，此類錯誤操作，可能造成開關的非同期合閘，產生極大的沖擊電流，造成嚴重的生產事故，危機人身設備安全。因此，除了在軟件設計中制定正確的動作邏輯以外，還可以通過布線的形式對開關的合閘線圈進行硬件閉鎖，進一步提升開關合閘的準確性和安全性，降低開關誤合閘的可能。以401 開關為例，401 開關合閘時不能與進線電源II 段、III 段并列運行，其合閘的前提條件是403 開關在分閘位置、400 和440 開關在分閘位置（合上開關401 后進線電源I 段帶廠用電I 段母線運行）或403 開關在分閘位置、402 開關在分閘位置（合上401 后，進線電源I 段帶廠用電I 段母線運行或帶廠用電I 段與II 段母線聯絡運行），其閉鎖電路如圖5 所示。同理，可分析出其他開關的合閘條件。通過對所有開關進行硬件閉鎖，消除了備自投裝置出現異常時導致誤動作的隱患，也降低了運行人員手動誤操作的可能性。

圖5 401 開關合閘閉鎖電路

4 結語

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的動作邏輯和實現方法，經過深入思考，以上設計實現的備自投裝置雖已滿足廠用電系統自投自復的基本需求，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，如發生B 相缺相運行時，失壓檢測回路不能進行有效判定，備自投裝置亦不能進行相應的動作；其二是未對上級開關的保護裝置跳閘進行備自投閉鎖，可能導致某段線路短路過流時，備自投動作造成事故范圍擴大。以上缺陷可通過改造升級消除，進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，從運行結果來看，備自投裝置面對不同的運行工況時可以穩定、正確的動作，為廠內的各個用電負荷提供不間斷電源，方便了技術人員的運行維護，有效提升了廠用電系統的穩定性。對電站“無人值班，少人值守”的運行模式具有重要的意義。