巨型水电机组动力柜电源切换装置探究与设计
2020-10-09于远航艾远高王本红周立成
于远航，艾远高，王本红，周立成
（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌443133）
双路电源冗余切换是保证持续可靠供电的有效手段，其供电方式为：采用两路独立电源，正常状态下两路电源各自承担部分负荷，当其中任一路电源发生故障时，电源冗余切换装置迅速进行切换，由另一路通过联络开关担负起所有负荷，保证设备的持续正常运行[1]。
目前电源冗余切换装置根据转换开关的不同，主要分为2类，自动转换开关电器（ATSE）和静态转换开关（STS）[2]。ATSE采用继电器或者断路器完成切换，STS则是采用可控硅、IGBT等电力电子器件完成切换，二者各有优劣[3]，分别应用于不同场合。
水电站巨型水电机组动力柜为机组主要设备提供电源及控制，本文对比各类双路电源切换原理，设计一款应用于巨型水电机组动力柜的新型切换装置，并优化装置硬件配置与控制逻辑，提高供电可靠性。
1 设计原理探究
研究对比常见的电源切换原理，根据逻辑执行元件的差异主要有如下几种：
（1）电源监视器与电磁继电器的组合回路
切换原理示意图如图1所示，电源监视器监视双路电源状态，通过电源监视器与中间继电器接点的逻辑配合动作电源进线断路器与母联断路器，实现电源冗余切换。
图1 电源监视器与继电器双路电源切换示意图
（2）逻辑控制器与继电器组合回路
采用小型PLC与电源监视继电器、中间继电器的组合回路完成控制功能[4]：
原理示意图如图2所示，由电源监视继电器检测双路电源状态，PLC进行逻辑判断并通过开出接点分合电源进线断路器与母联断路器，实现电源切换。
（3）单片机与继电器的组合回路
单片机与继电器的组合回路可实现智能型双路电源切换[5]，单片机体积小巧便于封装且可开发程度高，但单片机抗干扰能力及驱动能力较弱，需要较多外围设备配合。
图2 PLC与继电器组合双路电源切换示意图
2 装置设计
2.1 装置特点
（1）装置具有电源监视、开关状态监视、分合闸指令输出、故障报警、可视化显示、手动/自动模式切换等功能。
（2）硬件可靠耐用，控制逻辑能实现双路电源有效快速切换且可避开由进线电源瞬时波动造成的断路器频繁分合闸。
（3）适用性强，无需其他设备配合，只需将装置接入一次回路即可实现上述功能。
2.2 硬件回路设计
逻辑控制器是切换装置的核心元件。综合考虑控制器的尺寸、输入输出通道数量和容量要求等因素，选取西门子LOGO!小型PLC作为装置的逻辑控制器。
切换装置设计如图3所示，电源监视继电器实现电源监视功能，并将信号送至控制器输入点；开关状态监视端子监视各断路器状态；合闸、分闸指令输出和故障报警功能由控制器进行逻辑判断后通过输出接点开出[6]。
图3 装置内部回路图
2.3 切换逻辑设计
（1）电源进线断路器QF01、QF02控制逻辑（以QF01为例）
进线断路器控制逻辑如图4所示：当第1路电源不正常时（欠压、过压或缺相），只要未收到合闸指令，QF01立即分闸。QF02和QF03均处于合闸状态时将闭锁QF01合闸。
当QF02处于合闸状态，第1路电源恢复正常，且母联断路器已分闸，引入延时1s后（防止第1路进线电压瞬时波动造成断路器频繁分合闸）QF01合闸。
当第2路进线开关QF02分闸时，无论母联断路器处于何种状态，一旦第1路电源恢复正常，立即合QF01，保证有一路供电。
图4 电源进线断路器QF01、QF02控制逻辑
（2）母联断路器QF03控制逻辑
母联断路器QF03的分合闸逻辑如图5所示，当进线电源一路正常，另一路故障，且故障线路进线断路器已分闸，引入延时1s（防止故障线路电压瞬时波动造成断路器频繁分合），合QF03，将所有负荷转移至正常路电源。
2路进线开关QF01、QF02同时处于合闸状态可闭锁QF03合闸。
当两路进线电源同时恢复正常或同时发生故障时，QF03分闸。
图5 母联断路器QF03控制逻辑
（3）故障报警逻辑
装置在以下2种情况下开出故障报警信号：
1）电源监视继电器检测到进线电源故障。
2）进线电源正常，但该路进线断路器始终不合闸（可能为断路器脱扣、损坏或装置内部故障导致）。
通过逻辑设计可减少1对断路器故障反馈接点接入装置，简化了硬件回路，同时可较为全面地反映电源与回路的故障情况。
2.4 操作显示界面
装置操作显示功能采用小型触摸屏实现，通过以太网接口与LOGO! PLC进行通信，显示电源及开关状态，同时可切换装置的操作模式，通过触摸屏操作控制开关分合闸。
3 结语
本文以某水电站巨型水电机组动力柜双路电源切换回路为例设计一种双路电源冗余切换控制装置，该装置硬件上注重通用性和可靠性，逻辑上注重可靠性与时序配合，具有适用性广，便于根据应用场合自主设计与制造的特点。保证了设备的安全可靠供电，同时对装置本身的维修维护也带来了较大便利与可行性。
