SCADA系統在電站廠用電備自投倒換中的應用

汪華強，楊春霞，周 強

（1.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038；2.長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430000）

水電站廠用電系統因主供電源失電會引起備自投倒換頻繁，倒換操作快速平穩保障著所有輔助設備的安全穩定。對于配置發電機組出口斷路器（GCB）的電站，廠用電系統倒換簡單，優勢明顯。但是在無GCB的情況下，要實現不同區域的地下廠房、開關站、大壩和尾水的廠用電系統一體化倒換，如通過增加更多的備自投裝置來實現，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情況下用計算機監控系統（SCADA）集成廠用電備自投倒換功能。筆者經過現場詳細聯調測試，設計的備自投程序運行穩定可靠，利用SCADA實現整個廠用電系統的自動倒換，既經濟又方便，值得總結借鑒。

1 廠用電系統概況

該電站廠用電主供電源按季節分別取自3臺發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柴油發電機。

地下廠房0.48 kV廠用電源系統經布置在地下廠房的2臺22 kV聯絡變壓器(TSA3/4)、22 kV聯絡電纜線路與地面開關站的22 kV廠用電源系統連接，開關站22 kV廠用電源系統經布置在開關站的1臺22 kV聯絡變壓器（TSASE1）與開關站1 000 kVA的柴油發電機（G11）連接，系統接線如圖1所示。

圖1 廠用電系統接線圖

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。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（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（CCM3）

地下廠房0.48 kV廠用系統采用單母分段接線。主供電源分別取自發電機端(經高廠變)或經聯絡變壓器(TSA3/4)聯絡線取自地面開關站地方外來電源，或者由開關站1 000 kVA柴油發電機作為應急電源。

3.3 開關站22 kV系統（CCM1）

開關站22 kV系統采用單母分段接線。主供電源來自地下廠房發電機端電源或地方外來電源，開關站1 000 kVA柴油發電機作為應急電源，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，自動發令啟動開關站柴油發電機。

3.4 開關站0.48 kV電源系統（CCMSE）

開關站0.48 kV電源系統采用單母線接線。1回開關站聯絡變壓器（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系統由變壓器進線供電；當地下廠房電源、地方外來電源全部消失時，由備自投程序發令啟動柴油發電機、合柴油發電機進線開關，由柴油發動機提供開關站0.48kV廠用電，并通過開關站聯絡變壓器、22 kV聯絡線、地下廠房22 kV聯絡變壓器給地下廠房倒送廠用電；當地下廠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，也由備自投程序發令啟動柴油發電機，恢復開關站0.48 kV廠用電。備自投程序向柴油發電機發出啟動命令后，應等待柴油發電機啟動完畢，電壓、頻率等正常且收到柴油發電機允許帶負荷信號后，再發令合上柴油發電機進線開關（Q34）；若柴油發電機啟動失敗(在設定時間內未收到柴油發電機允許帶負荷信號，時間可靈活設定)，備自投程序將發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：發電機端TSA→22 kV地方電源→開關站柴油機組，那么將發電機端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及關鍵因素

備自投倒換功能主要由公用LCU負責執行，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先級以及時間梯度，如圖2所示。當某段母線發生失電時，快速識別該母線的相鄰母線，并根據相鄰母線的優先級，選擇倒換次序和路徑。

圖2 供電恢復優先級

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。實現倒換流程之間嚴密有序的梯級協同操作，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啟動后，將發令操作相應斷路器，循環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等待的啟動時間，依此類推逐級遞增。

4.2 電壓監視繼電器防抖動

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。該電站母聯變壓器禁止并列運行，備自投倒換流程將自動閉鎖環網運行。

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

該電站由于沒有發電機出口斷路器GCB，廠用電來源復雜，導致廠用電系統備自投倒換復雜。尤其在雨季模式下，伴隨發電機組開停機，需要頻繁地倒換廠用電系統，倒換過程及時無擾動至關重要。通過業主和監理的嚴格測試驗證，SCADA系統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提供了借鑒。