乐昌峡水电站厂用电备自投系统设计综述

杨 林

（广东粤海飞来峡水力发电有限公司乐昌峡分公司，广东 乐昌 512200）

0 引言

乐昌峡水利枢纽工程是广东水利建设重点工程，是一座以防涝为主，结合发电，改善下游灌溉、航运、供水等综合利用的水利枢纽，是北江上游关键性防洪控制工程。乐昌峡水电站的发电厂房为地下式厂房，电站内安装有3 台混流立式水轮发电机组，单机容量44MW，总装机132MW，电站采用“无人值班，少人值守”的运行管理模式，安全监控中心设在距地下厂房约1.5km 的值班管理楼内。电站的厂用电系统为枢纽的众多用电单元提供电力，如溢流坝闸门启闭机、调速器油压控制系统、筒阀油压控制系统等，要求厂用电系统能够保证不间断供电，因此，厂用电系统的备用电源能否正确、迅速、可靠的投入，对整个枢纽的安全运行有十分重大的意义。

1 乐昌峡水电站厂用电系统

1.1 乐昌峡水电站厂用电系统结构

乐昌峡水电站的厂用电系统一次接线图如图1 所示，主要由3 段进线电源、2 段厂用电母线和1 段联络母线构成。

（1）进线电源I 段供电来自于10.5kV I 段母线，由#1 厂用变压器41TA 降压至400V，通过401 开关连接至厂用电I段母线。

（2）进线电源II 段供电来自于10.5kV II 段母线，由#2厂用变压器42TA 降压至400V，通过402 开关连接至厂用电II 段母线。

（3）进线电源III 段供电来自于外部电源10kV 保峡线，由#3 厂用变压器43TA 降压至400V，通过403 开关连接至厂用电联络段母线。

（4）厂用电I 段母线和厂用电II 段母线及厂用电联络段母线之间通过母线联络开关400 和440 进行连接，实现3 段进线电源的备用关系。进线电源I 段与进线电源II 段之间互为暗备用，进线电源III 段与进线电源I 段、进线电源II 段互为明备用。

（5）每台厂用变压器的容量均能满足整个厂用电系统的负荷。

图1 乐昌峡水电站厂用电一次接线图

1.2 乐昌峡水电站厂用电运行方式

根据图1 可以看出，正常运行时有以下4 种运行方式。

（1）运行方式1：进线电源I 段带电、进线电源II 段带电，开关401、402 合闸，开关403、400、440 分闸，进线电源I 段和进线电源II 段带厂用电I 段、厂用电II 段分段运行。

（2）运行方式2：进线电源I 段带电、进线电源II 段失电，开关401、400、440 合闸，开关402、403 分闸，由进线电源I 段带厂用电I 段、II 段联络运行。

（3）运行方式3：进线电源II 段带电、进线电源I 段失电，开关402、400、440 合闸，开关401、403 分闸，由进线电源II 段带厂用电I 段、II 段联络运行。

（4）运行方式4：进线电源I 段、II 段失电，进线电源III 段带电，开关403、400、440 合闸，开关401、402 分闸，由进线电源III 段带厂用电I 段、II 段联络运行。

2 厂用电备自投装置设计

在水电站中，为了保证厂用电母线为负载正常供电，通常都采用备用电源自动投入装置（简称备自投装置）来实现厂用电系统主用电源和备用电源之间的自动切换。该节介绍了乐昌峡水电站厂用电备自投装置的设计思路。

2.1 备自投装置动作技术要求

根据国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》，备自投装置的动作技术要求如下：

（1）工作电源断开后，备用电源才能投入。

（2）备自投装置投入备用电源断路器必须经过延时，延时时限应大于最长的外部故障切除时间。

（3）在手动跳开工作电源时，备自投不应动作。

（4）备用电源无电压时，备自投不应动作。

（5）备自投在电压互感器（PT）二次熔断时不应误动作。

（6）备自投只能动作一次，防止系统受到多次冲击而扩大事故。

2.2 厂用电自投自复设计思路

乐昌峡水电站厂用电系统具备自投自复功能，即当主用电源进线失电时，备用电源能够自动投入，当主用电源进线电压恢复时，可自动恢复至主用电源供电，根据三段进线电源的备用关系可知，厂用电系统运行方式的优先级表现为运行方式1>运行方式2 与运行方式3>运行方式4。运行方式的切换过程如图2 所示。

图2 乐昌峡厂用电系统运行方式切换过程

2.2.1 备用电源自动投入设计思路

（1）厂用电系统工作于运行方式1 时，若仅进线电源II段失电，备自投装置跳开402 开关，确认402 开关分闸后，合上母线联络开关400 和440，切换至运行方式2。

（2）厂用电系统工作于运行方式1 时，若仅进线电源I段失电，备自投装置跳开401 开关，确认401 开关分闸后，合上母线联络开关400 和440，切换至运行方式3。

（3）厂用电系统工作于运行方式1 时，若进线电源I 段、II 段同时失电，备自投装置跳开401 和402 开关，确认401和402 开关分闸后，合上403、400、440 开关，切换至运行方式4。

（4）厂用电工作于运行方式2 时，若进线电源I 段失电，备自投装置跳开401 开关，确认401 开关分闸后，合上403开关，切换至运行方式4。

（5）厂用电工作于运行方式3 时，若进线电源II 段失电，备自投装置跳开402 开关，确认402 开关分闸后，合上403 开关，切换至运行方式4。

2.2.2 主用电源来电自复设计思路

（1）厂用电工作在运行方式4 时，若仅进线电源I 段复电，备自投装置跳开403 开关，确认403 开关分闸后，合上401 开关，切换至运行方式2。

（2）厂用电工作在运行方式4 时，若仅进线电源II 段复电，备自投装置跳开403 开关，确认403 开关分闸后，合上402 开关，切换至运行方式3。

（3）厂用电工作在运行方式4 时，若进线电源I 段、II段同时复电，备自投装置跳开403、400 和440 开关，确认403、400 和440 开关分闸后，合上401 和402 开关，切换至运行方式1。

（4）厂用电工作在运行方式3 时，若进线电源I 段复电，备自投装置跳开母线联络开关400 和440，确认400 和440开关分闸后，合上401 开关，切换至运行方式1。

（5）厂用电工作在运行方式2 时，若进线电源II 段复电，备自投装置跳开母线联络开关400 和440，确认400 和440 开关分闸后，合上402 开关，切换至运行方式1。

3 应用PLC 实现备自投功能

备自投装置作为电力系统中常用的一类安全自动装置，其发展经过了电磁型—整流型—晶体管型—集成电路型和微机控制型几个重要阶段，传统的备自投一般是靠继电器的逻辑控制来完成，存在切换时间长、冲击电流大、可能扩大事故等缺点。随着社会经济的发展，电力系统对电力设备性能要求也越来越高。传统的备自投装置难以满足现代电力系统的需求。PLC 可靠性高、抗干扰性强、适应性好的特点受到了工业领域的青睐，越来越多的备自投装置采用PLC 来实现。

乐昌峡水利枢纽的厂用电备自投系统采用了施耐德的TSXRKY8 系列PLC，CPU 模块为TSXP57104M，备自投装置安装于401 开关柜底部。

3.1 PLC 备自投装置电源回路

图3 进线电源I 段失电备自投装置动作流程

PLC 备自投装置的电源模块选型为TSXPSY5500M，其供电电流为AC220V，考虑到厂用电系统本身就不可靠，交流电源可能全部消失，为确保厂用电备自投装置能正确可靠的动作，PLC 电源由厂内220V 直流UPS 电源经逆变器逆变为220V 交流后提供，厂用电电源消失时，PLC 备自投装置仍能够正常的运行，为厂用电系统投入备用电源。

3.2 PLC 的IO 点配置

PLC 备自投装置的开关量输入模块选型为TSXDEY32D2K，开关量输出模块选用TSXDSY16T2，根据厂用电系统的运行方式和备自投设计思路，PLC 的IO 点位配置如下。

图4 进线电源I 段复电备自投装置动作流程

（1）开关输入量D：厂用电进线I 段带电、厂用电进线II 段带电、厂用电进线III 段带电、厂用电I 段母线带电、厂用电II 段母线带电、401 开关状态、401 开关控制方式、402开关状态、402 开关控制方式、403 开关状态、403 开关控制方式、400 开关状态、400 开关控制方式、440 开关状态、440 开关控制方式。

（2）开关输出量D：401 开关合闸、401 开关分闸、402开关合闸、402 开关分闸、403 开关合闸、403 开关分闸、400开关合闸、400 开关分闸、440 开关合闸、440 开关分闸。

3.3 失压检测回路

厂用电备自投装置共采用5 个电压继电器分别对3 段电源进线和2 段厂用电母线的电压进行监测，电压继电器并接在每条线路开关的AC 相之间。从电压继电器的常开触点引线至PLC 的D输入模块，当某线路的线电压高于160V（可根据实际条件整定）时，其电压继电器线圈吸合，常开触点闭合，PLC 对应开关量输入点位得到一个高电平信号，备自投装置判定该线路带电。当某线路线电压低于160V 时，其电压继电器线圈释放，闭合触点断开，PLC 对应开关量输入点位高电平信号消失，备自投装置判定该线路失电。

3.4 备自投程序设计

根据厂用电的几种运行方式和备自投装置的自投自复设计思路可推出，备自投装置动作的条件主要分为以下几种情况：

（1）进线电源I 段失电、厂用电I 段母线失压、厂用电II 段母线有压。

（2）进线电源II 段失电、厂用电II 段母线失压、厂用电I 段母线有压。

（3）进线电源I 段失电、厂用电I 段母线失压、进线电源II 段失电、厂用电II 段母线失压、进线电源III 段带电。

（4）进线电源I 段带电、401 开关分闸。

（5）进线电源II 段带电、402 开关分闸。

厂用电系统所有开关的控制方式都切换到“自动”方式时，备自投装置进入投入状态，运行过程中，备自投装置会不断对厂用电系统的运行工况进行扫描，当出现满足备自投装置动作条件的工况时，备自投装置会执行相应的程序片段，例如进线电源I 段失电导致厂用电I 段母线失压时，及时切换至进线电源II 段供电（图3），进线电源I 段电压恢复正常时，又切换回进线I 段电源供电（图4），各个程序段之间形成了一个闭环的逻辑关系，实现对厂用电系统不同运行方式的自动切换，保障厂用电系统安全稳定运行。

3.5 硬件闭锁防误合

由PLC 软件设计的备自投装置在对开关进行操作控制时，可能会因为软件自身的逻辑错误或者备自投装置故障造成开关误合，同样的，运行人员进行手动操作时，也有可能产生错误操作。比如工作电源正常运行时，误将备用电源开关也进行合闸，此类错误操作，可能造成开关的非同期合闸，产生极大的冲击电流，造成严重的生产事故，危机人身设备安全。因此，除了在软件设计中制定正确的动作逻辑以外，还可以通过布线的形式对开关的合闸线圈进行硬件闭锁，进一步提升开关合闸的准确性和安全性，降低开关误合闸的可能。以401 开关为例，401 开关合闸时不能与进线电源II 段、III 段并列运行，其合闸的前提条件是403 开关在分闸位置、400 和440 开关在分闸位置（合上开关401 后进线电源I 段带厂用电I 段母线运行）或403 开关在分闸位置、402 开关在分闸位置（合上401 后，进线电源I 段带厂用电I 段母线运行或带厂用电I 段与II 段母线联络运行），其闭锁电路如图5 所示。同理，可分析出其他开关的合闸条件。通过对所有开关进行硬件闭锁，消除了备自投装置出现异常时导致误动作的隐患，也降低了运行人员手动误操作的可能性。

图5 401 开关合闸闭锁电路

4 结语

该文以乐昌峡水利枢纽为例，介绍了一种厂用电备自投系统的动作逻辑和实现方法，经过深入思考，以上设计实现的备自投装置虽已满足厂用电系统自投自复的基本需求，但仍存在一定的缺陷，其一是每段线路的失压检测回路仅采用一个电压继电器，以AC 两相之间的线电压作为线路是否带电的判定依据，如发生B 相缺相运行时，失压检测回路不能进行有效判定，备自投装置亦不能进行相应的动作；其二是未对上级开关的保护装置跳闸进行备自投闭锁，可能导致某段线路短路过流时，备自投动作造成事故范围扩大。以上缺陷可通过改造升级消除，进一步提升厂用电备自投装置的可靠性和安全性。

乐昌峡水利枢纽的厂用电备自投装置已投入多年，从运行结果来看，备自投装置面对不同的运行工况时可以稳定、正确的动作，为厂内的各个用电负荷提供不间断电源，方便了技术人员的运行维护，有效提升了厂用电系统的稳定性。对电站“无人值班，少人值守”的运行模式具有重要的意义。