汪華強，楊春霞，周 強

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院，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)保障著所有輔助設備的安全穩(wěn)定。對于配置發(fā)電機組出口斷路器（GCB）的電站，廠用電系統(tǒng)倒換簡單，優(yōu)勢明顯。但是在無GCB的情況下，要實現(xiàn)不同區(qū)域的地下廠房、開關站、大壩和尾水的廠用電系統(tǒng)一體化倒換，如通過增加更多的備自投裝置來實現(xiàn)，造價高且實施難度大。

文章介紹了南美洲某新建電站，項目技術協(xié)議由歐洲咨詢設計公司撰寫，其中一項技術要求即為在無GCB情況下用計算機監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）集成廠用電備自投倒換功能。筆者經過現(xiàn)場詳細聯(lián)調測試，設計的備自投程序運行穩(wěn)定可靠，利用SCADA實現(xiàn)整個廠用電系統(tǒng)的自動倒換，既經濟又方便，值得總結借鑒。

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臺發(fā)電機端或來自附近的22 kV地方電網，地下廠房、開關站應急電源來自布置在開關站的1 000 kVA的柴油發(fā)電機，進水口、大壩應急電源來自布置在大壩變電所的700 kVA柴油發(fā)電機，尾水、管橋應急電源來自布置在尾水變電所的100 kVA柴油發(fā)電機。

地下廠房0.48 kV廠用電源系統(tǒng)經布置在地下廠房的2臺22 kV聯(lián)絡變壓器(TSA3/4)、22 kV聯(lián)絡電纜線路與地面開關站的22 kV廠用電源系統(tǒng)連接，開關站22 kV廠用電源系統(tǒng)經布置在開關站的1臺22 kV聯(lián)絡變壓器（TSASE1）與開關站1 000 kVA的柴油發(fā)電機（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)、開關站22 kV(CCM1)及開關站0.48 kV(CCMSE)電源系統(tǒng)。備自投倒換設置3種模式：雨季模式、旱季模式和手動模式。不同模式下，各母線失電自動倒換應及時無擾動。

雨季模式主、備電源選擇順序為：發(fā)電機端TSA→22 kV地方電源→開關站柴油機組。

旱季模式主、備電源選擇順序為：22 kV地方電源→發(fā)電機端TSA→開關站柴油機組。

手動模式時自動倒換退出運行，斷路器處于手動控制模式。

3 備自投倒換策略

3.1 地下廠房13.8 kV系統(tǒng)（CCM2）

該電站設置2臺13.8 kV高壓廠用變壓器(TSA1/2)，每臺高廠變高壓側經2臺13.8 kV斷路器（Q1/Q2/Q3/Q4）分別接至2臺發(fā)電機機端。正常運行時，其中1臺斷路器合閘另1臺斷路器分閘，13.8 kV廠用電源取自其中1臺發(fā)電機。若該機組停機或其他原因造成該 13.8 kV廠用電源消失，且另1臺發(fā)電機正常運行，由備自投程序自動合上另外1臺斷路器，否則自動跳開高廠變低壓側0.48 kV開關（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)電機端(經高廠變)或經聯(lián)絡變壓器(TSA3/4)聯(lián)絡線取自地面開關站地方外來電源，或者由開關站1 000 kVA柴油發(fā)電機作為應急電源。

3.3 開關站22 kV系統(tǒng)（CCM1）

開關站22 kV系統(tǒng)采用單母分段接線。主供電源來自地下廠房發(fā)電機端電源或地方外來電源，開關站1 000 kVA柴油發(fā)電機作為應急電源，容量僅供開關站及地下廠房負荷。尾水管橋、大壩進水口由各自柴油機提供應急電源。正常運行時，22 kV系統(tǒng)由主供電源供電；當主供電源消失后, 備自投程序檢測備用電源是否正常。若正常，自動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跳開地方外來電源進線開關及至尾水管橋、大壩進水口饋線開關，自動發(fā)令啟動開關站柴油發(fā)電機。

3.4 開關站0.48 kV電源系統(tǒng)（CCMSE）

開關站0.48 kV電源系統(tǒng)采用單母線接線。1回開關站聯(lián)絡變壓器（TSASE1）進線和1回柴油機進線，變壓器TSASE1進線為工作電源，柴油發(fā)電機為應急電源。正常運行時，變壓器進線開關Q27合閘，開關站0.48 kV系統(tǒng)由變壓器進線供電；當?shù)叵聫S房電源、地方外來電源全部消失時，由備自投程序發(fā)令啟動柴油發(fā)電機、合柴油發(fā)電機進線開關，由柴油發(fā)動機提供開關站0.48kV廠用電，并通過開關站聯(lián)絡變壓器、22 kV聯(lián)絡線、地下廠房22 kV聯(lián)絡變壓器給地下廠房倒送廠用電；當?shù)叵聫S房電源或地方外來電源未失電，而由于設備故障，造成開關站0.48 kV母線失電，也由備自投程序發(fā)令啟動柴油發(fā)電機，恢復開關站0.48 kV廠用電。備自投程序向柴油發(fā)電機發(fā)出啟動命令后，應等待柴油發(fā)電機啟動完畢，電壓、頻率等正常且收到柴油發(fā)電機允許帶負荷信號后，再發(fā)令合上柴油發(fā)電機進線開關（Q34）；若柴油發(fā)電機啟動失敗(在設定時間內未收到柴油發(fā)電機允許帶負荷信號，時間可靈活設定)，備自投程序將發(fā)出柴油機啟動失敗報警信息。

3.5 電源恢復

電源恢復采用半自動恢復方式。例如雨季模式主、備電源選擇順序為：發(fā)電機端TSA→22 kV地方電源→開關站柴油機組，那么將發(fā)電機端TSA稱之為22 kV地方電源的上一級電源，而22 kV地方電源又是開關站柴油機組的上一級電源。如果當前模式上一級電源恢復后，由運行人員根據需要手動切除當前工作的備用電源，備自投程序將自動恢復至上一級電源供電。

4 備自投倒換功能實現(xiàn)及關鍵因素

備自投倒換功能主要由公用LCU負責執(zhí)行，備自投程序包含22 kV（CCM1）、13.8 kV（CCM2）、地下廠房480 V（CCM3）及開關站480 V（CCMSE）母線之間的失電倒換流程。根據不同模式下主、備電源選擇順序，劃分各段母線的取電優(yōu)先級以及時間梯度，如圖2所示。當某段母線發(fā)生失電時，快速識別該母線的相鄰母線，并根據相鄰母線的優(yōu)先級，選擇倒換次序和路徑。

圖2 供電恢復優(yōu)先級

以母線CCM3-1為例，闡述如何制定該段母線的倒換流程。當CCM3-1母線失電后，識別出其相鄰母線（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倒換流程如圖3所示，依此類推做出其他母線的7個倒換流程。實現(xiàn)倒換流程之間嚴密有序的梯級協(xié)同操作，編程時還需要考慮以下關鍵點，任何一點誤判都將導致備自投倒換失敗。

圖3 母線CCM3-1倒換流程圖

4.1 斷路器分合閘等待時間和必要的延時時間

該電站不同電壓等級母線斷路器的分合閘時間如表1所示：

表1 不同電壓等級母級斷路器分合閘時間單位：ms

某段母線失電倒換流程觸發(fā)啟動后，將發(fā)令操作相應斷路器，循環(huán)等待斷路器位置反饋信號。每個倒換流程將根據本流程實際操作斷路器的數(shù)量自動計算出總等待時間，再加上必要的延時時間（可靈活調整），作為下一級母線倒換流程循環(huán)等待的啟動時間，依此類推逐級遞增。

4.2 電壓監(jiān)視繼電器防抖動

判斷母線或進線是否有電壓，一般采用配電柜內電壓監(jiān)視繼電器的輸出接點，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)機械式繼電器，在斷路器分合閘過程中，有壓、無壓繼電器的輸出接點抖動現(xiàn)象嚴重，導致備自投倒換流程紊亂。雖在倒換流程中對其進行了濾波處理效果依然不佳，在換成無抖動的靜態(tài)電壓繼電器后，效果顯著改善。

4.3 變壓器并列運行

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

4.4 變壓器和母線檢修

考慮變壓器，母線例行檢修維護工作，在SCADA備自投界面可為每段母線和變壓器設置檢修模式投退軟壓板，備自投倒換程序將依此自動做出相應的調整，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，允許進行1次重合閘操作。運行人員在SCADA備自投界面對某一斷路器投退重合閘軟壓板，備自投程序將自動增加1次合閘操作。該電站尾水管橋和大壩進水口的供電斷路器Q28、Q31均投入了重合閘操作。

5 結語

該電站由于沒有發(fā)電機出口斷路器GCB，廠用電來源復雜，導致廠用電系統(tǒng)備自投倒換復雜。尤其在雨季模式下，伴隨發(fā)電機組開停機，需要頻繁地倒換廠用電系統(tǒng)，倒換過程及時無擾動至關重要。通過業(yè)主和監(jiān)理的嚴格測試驗證，SCADA系統(tǒng)集成備自投倒換運行可靠，為類似電站的廠用電倒換設計和實現(xiàn)提供了借鑒。