巨型水輪發電機組高可靠性電源冗余控制技術應用與研究

周立成，張 堃，艾遠高，金笑笑，李翰夫

（三峽水力發電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

DC 24V電源是電氣控制中最常用的電源系統，包括電氣元件和控制回路兩部分，電氣元件是構成DC 24V電源冗余控制系統的硬件部分，由AC/DC 220V轉DC 24V電源裝置和DC 24V冗余裝置等元件組成[1]，控制回路實現冗余功能。DC 24V電源系統廣泛應用在水輪發電機組監控系統、保護系統、調速系統等重要電氣控制供電回路中。某巨型水電站巨型水輪機調速器電氣柜DC 24V故障是機組停機的重要參考條件，DC 24V電源的可靠對水輪發電機組的安全、穩定運行至關重要。

水輪發電機組電氣控制回路通常采用多路DC 24V進行冗余布置，該巨型水電站水輪發電機機組的電氣盤柜均采用了DC 24V冗余電源[2]，但DC 24V冗余電源供電方式和控制原理及采用的電氣元件都不相同。本文通過對該巨型水電站水輪發電機組DC 24V電源冗余裝置、供電回路進行深入研究，從供電方式的可靠性、控制原理的簡化性、電氣元件的通用性三方面，研究適用于水輪發電機組的高可靠性DC 24V電源冗余控制設計，并將設計應用于現場控制。

1 電氣元件分析

1.1 AC/DC 220V轉DC 24V電源裝置

該巨型水電站水輪發電機組電氣盤柜在用的AC/DC 220V轉DC 24V電源裝置有WM（明緯）電源、ABB電源、POWER ONE（寶威）電源三種，如圖1所示。

圖1 AC/DC 220V轉DC 24V電源裝置Figure 1 AC/DC 220V to DC 24V power supply device

明緯NES型電源為需風扇降溫型，并且電源裝置的輸入電源必須區分AC 220V或者DC 220V；ABB的SD832（5A）、SD833（10A）、SD834（20A）都有運用，其中，SD834支持AC/DC 220V電源輸入，并且有一組開關量接點可對輸出DC 24V輸出進行監視；POWER ONE電源運用最為廣泛，其中的LXR型有2.5A、5A、10A、20A規格容量可選，均支持 AC/DC 220V電源輸入，LXN型與LXR型的外形相同，但卻有兩路完全隔離獨立的DC 24V輸出，相當于兩塊電源裝置，一路輸出損壞后，另一路仍能正常輸出，在實際運用中非常關鍵。

該電站水輪發電機機組電氣盤柜在用的AC/DC 220V轉DC 24V電源裝置為ABB的SD834型（20A）和POWER ONE的LXN型。

1.2 DC 24V冗余裝置

該巨型水電站為保證水輪發電機組電氣盤柜DC 24V供電的可靠性，盤柜配置有多路AC 220V或者DC 220V電源，即有多個AC/DC 220V轉DC 24V電源裝置，再將這多路DC 24V電源進行冗余輸出給設備供電，即一路（或多路）DC 24V電源故障后，另一路（或多路）DC 24V電源仍能不間斷給設備供電。

冗余裝置是利用具有對直流單向導通性的二極管實現，即將兩路DC 24V電源的負極短接在一起，再將一路DC 24V電源的正極接在一個二極管的正極，另一路DC 24V電源的正極接在另一個二極管的正極，將兩個二極管的負極短接在一起輸出DC 24V的正極，這樣，當一路DC 24V故障時，另一路DC 24V仍能正常輸出[3]。

該巨型水電站水輪發電機組電氣盤柜的三種冗余裝置情況對比如表1中圖片所示。

通過表1的對比，可以得出：

表1 DC 24V電源冗余裝置對比Table 1 DC 24V power supply redundant device comparison

（1）直接采用了標準的橋式整流模塊用做冗余裝置。

（2）菲尼克斯的專用冗余裝置，就是將兩個二極管進行了集成。

（3）ABB的SS832冗余裝置，在兩路二極管的基礎上加入了芯片控制。

2 DC 24V電源系統電氣回路研究

2.1 目前的DC 24V電源冗余系統

該巨型水電站水輪發電機機組的電氣盤柜采用一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入，控制原理如圖2所示。此種電氣回路可實現一路DC 24V電源故障后，另一路DC 24V電源仍能不間斷給設備供電功能。

該巨型水電站機組的水輪機動力柜[4]是用PLC控制兩臺油泵和兩臺排水泵，有著兩路交流電源和一路直流電源，盤柜就配置了4塊電源模塊進行了3次冗余，控制原理如圖3所示，相比圖2的單冗余，4個電源模塊損壞3個，DC 24V電源仍能保持不間斷輸出，可靠性得到了增強。

圖2和圖3的冗余方式有一個共同的隱患，即單一的冗余裝置異常就將造成整個盤柜的DC 24V電源故障。如圖2中的冗余裝置UK1故障或者UK1的DC 24V輸出的L+或L-的接線端子松動，圖3中的UK3故障或者UK3的DC 24V輸出的L+或L-的接線端子松動。

2.2 DC 24V電源冗余系統優化

針對圖2的一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的單冗余系統，優化后的電氣圖如圖4所示，在原電路電源裝置U1、U2輸出給UK1的基礎上，增加了一個冗余裝置UK2，同樣由U1、U2輸出給UK2，再將冗余裝置UK1、UK2的輸出并接后給負荷供電。這樣，電路中的電源裝置U1、U2和冗余裝置UK1、UK2中任何一個元件損壞，仍能保證DC 24V電源的不間斷輸出。這種將DC 24V冗余裝置的輸出并接在一起的供電方式同樣適用于圖3的多個（兩個以上）電源模塊的系統，只需取消UK3，直接將余裝置UK1、UK2的輸出并接在一起給負荷供電[5]。

圖2 一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的單冗余系統Figure 2 Single redundant system with one AC 220V and one DC 220V power input

圖3 二路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的多冗余系統Figure 3 Multi-redundant system with two AC 220V and one DC 220V power input

圖4 一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的冗余系統優化Figure 4 Redundant system optimization of AC 220V and DC 220V power input

針對圖3的巨型水電站機組水輪機動力柜的二路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的多冗余系統[6]，因該盤柜是用PLC控制兩臺油泵和兩臺排水泵，負荷較為對稱，優化后的電氣原理圖如圖5所示。將1路AC 220V/DC 24V電源裝置U1與DC 220V/DC 24V電源裝置U2的冗余裝置UK1給1號油泵、1號排水泵控制回路。將2路AC 220V/DC 24V電源裝置U4與DC 220V/DC 24V電源裝置U3的冗余裝置UK2給2號油泵、2號排水泵控制回路。最后再將以上兩路DC 24V電源經冗余裝置UK3給公共部分的PLC、觸摸屏供電。這樣即將DC 24V電源分為了3段共5個開關控制，確保了各DC 24V電源開關的獨立可靠性[7]。

圖5 二路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的多冗余系統優化Figure 5 Multi-redundant system optimization of two AC 220V and one DC 220V power input

3 DC 24V電源冗余系統標準要求

電氣盤柜內DC 24V電源的電氣元件需與強電設備分區域合理布置，與強電回路不使用同一根電纜，電纜成束分開排列[8]。

DC 24V電源系統的電源模塊、冗余裝置等發熱電氣元件的安裝間隙宜為10～15mm，盤柜需合理相應配置散熱裝置。

DC 24V電源冗余系統在現場實際接線需并接的線路較多，所有接線端子最多并接兩根線，并且并接的兩根線必須壓接雙線鼻，而不能各壓接一單線鼻后再并在一起，防止因端子松動造成公共端失電。因導線需壓接雙線鼻，所以盡量不采用單股銅芯線，而采用多股銅芯線。

接線時充分利用電源裝置的DC 24V輸出各有兩個L+和L-接線端，合理有效分配，減少通過雙線鼻短接。以圖4為例，電源裝置U1的DC 24V輸出需同時接至冗余裝置UK1和UK2，如果在電源裝置U1的只各接一個L+、L-，再經雙線鼻分別接至UK1和UK2，當電源裝置U1的L+、L-處端子松動，就將導致U1失去作用。而圖4中是將電源裝置U1的兩個L+、L-分別接至UK1和UK2，供電可靠性得以增強。

DC 24V電源冗余系統在接線上還有個顯著特點，就是所有DC 24V的L-端必須并接在一起，仍以圖4為例，將冗余裝置UK1的L-端采用雙線鼻，一根線接至UK1的L-端，另一個線接至空氣開關QF3的負極，冗余裝置UK2的L-端同樣采用雙線鼻，一根線接至UK1的L-端，另一個線接至空氣開關QF7的負極，最后又將QF3～QF7這5個空氣開關的負極全部再用雙線鼻進行短接，相當于2個冗余裝置與5個空氣開關的負極上全部是雙線鼻，確保回路穩定可靠，減低了因某一端子松動的風險。

4 結束語

巨型水電站水輪發電機機組的穩定運行，對于發電廠和電網的安全至關重要。DC 24V電源冗余系統對水電設備的穩定運行有著重要意義，優化后的DC 24V電源冗余系統不僅適用于本文中分析的水輪發電機機組電氣盤柜，同樣適用于所有需DC 24V電源供電的設備，從而保證設備的正常運行。