發電廠10 kV 廠用電系統三分段備自投設計

羅金嵩，武麗麗，吳禮貴，李 琛

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

發電廠廠用電系統是保障電力系統電源正常運行的重要設備，系統對其可靠性要求極高，其備自投裝置是廠用電系統安全運行的保證。廠用電備自投模型多為標準典型接線形式，備自投功能采取獨立配置方式，集成于裝置中，用來應對廠用電系統失電恢復，實現自動倒閘操作等。

本論文結合某發電廠的10 kV 廠用電保護系統自主可控改造過程，分析了廠用電系統備自投邏輯的設計和優化方式。

1 廠用電系統配置情況及運行方式

1.1 廠用電系統結構及備自投動作模式

某發電廠10 kV 廠用電系統由于投產初期運行方式較為薄弱，為保證可靠性，10 kV 廠用電一次系統設計為三分段接線形式，同時引入廠內、廠外電源作為備用電源。圖1 為廠用電備自投一次接線圖，以ⅠM 為例，1B 為母線的主供電源，2B 為廠內備用電源，進線2 為廠外備用電源。以ⅡM 為例，2B 為母線的主供電源，1B，3B 為廠內備用電源，進線2、3為廠外備用電源。可總結為五電源三分段接線形式。

圖1 備自投一次接線圖

在豐水期模式下，若ⅠM 主供電源消失，優先投3DL；在枯水期模式下，若ⅠM 主供電源消失，優先投2DL；在2DL 帶ⅠM 的情況下，若ⅠM 無故障失壓，則投3DL；在3DL 帶ⅠM 的情況下，若ⅠM無故障失壓，則投2DL。

1.2 原廠用電備自投模式存在問題分析

原廠用電系統使用ABB 公司的REF-542 裝置，可靈活編程，非專用備自投裝置，備自投邏輯分布于備自投相關的7 個開關保護設備中，其配合存在一定的時序與邏輯問題，存在拒動的風險。主要問題有如下幾點：

（1）可靠性降低：采用靈活邏輯，不固定動作行為，邏輯較為復雜，采樣點多，導致動作可靠性降低，曾出現備自投動作非同期合閘。

（2）時序配合難度大：分布式邏輯構成，一處供電點的7 個參與備自投裝置均包含備自投程序，且互相不能替換，分布式的程序設計模式導致各裝置的時間配合容易出現問題，導致動作失敗。

（3）廠用電運行方式優化后程序不匹配：某發電廠由于加裝GCB 后，廠用電運行方式得到極大優化，現采取主變倒掛運行方式，即使在枯水期機組停運，主變仍舊可以帶廠用電母線運行，原備自投邏輯中枯水期與豐水期的模式設計已經過時。

（4）保護與備自投共用裝置存在安全風險：主進線保護與備自投共用裝置，主進線保護裝置檢修時會影響備自投系統，增加了系統運行的風險。

2 新備自投功能設計

在設計新備自投邏輯時，以可靠性為導向，盡量簡化程序。采用南網220 kV 系統備自投模式。

2.1 新備自投功能改進

（1）動作邏輯固化，程序不可修改。不同接線方式的站域設計不同邏輯的備自投，邏輯固化減少了人為誤整定的概率。

（2）集中式的動作邏輯模式，備自投裝置為邏輯判斷控制單元，其余保護裝置為執行單元，簡化了回路接線。

（3）加裝GCB 后，絕大部分時候母線以主供電源供電，取消枯水期、豐水期方式，僅保留一種動作模式，根據開關及手車的位置，以及電壓模擬量，以查表方式執行備自投動作邏輯；

設置專用備自投裝置，根據邏輯設計與維護的難易程，每條母線配置一臺備自投裝置，增加了可靠性，維護更為方便。

2.2 新備自投功能要求

（1）高廠變作為母線主供電源，當母線因發電機停機、開關正常操作分閘或低電壓跳閘時，將投入備一電源；若其備自投條件不滿足，則投入備二電源。

（2）備自投設置全自動、半自動、退出3 個運行模式。全自動模式下對備自投與自恢復邏輯起控制作用，半自動模式下僅對備自投邏輯起控制作用，退出模式則閉鎖備自投；備自投邏輯不受全自動、半自動運行方式限制。

（3）自恢復僅考慮由備一或備二電源向主供電源恢復的過程。

（4）正常情況備自投只能動作一次，增加控制字，用于實現一備失敗后投二備。

（5）在全自動模式下，每操作一次全自動模式，自恢復邏輯僅只能動作一次。

（6）任意一個備自投方式動作失敗后，所有備自投方式均應立刻放電。

（7）備自投動作結束或異常自動消失后，無需手動復歸，即可重新進入充電邏輯。

3 備自投動作邏輯

備自投邏輯考慮大部分情況下，3 段母線分列運行，各自由廠內廠高變帶；在母線段廠變上端主變檢修或停運時，該母線優先由廠內相鄰母線帶，即廠內一帶二；其次由廠外母線帶，即廠外帶廠內運行；最罕見的方式即為廠外電源帶廠內2 段母線運行，即廠外一帶二。其余運行方式不予考慮。

若一備電源不滿足條件，則備投優先順序順延至二備；若一備動作失敗，可以選擇投二備，也可以選擇直接結束流程；若二備電源不滿足要求，則無論一備動作是否成功，均結束流程。

備自投程序動作順序核心原則總結如下，無論何種運行方式，均遵從：動作后，廠內一帶二優先廠外帶一段；廠外一帶二優先廠內一帶三的總體原則。

3.1 ⅠM 備自投邏輯

ⅠM 與ⅢM 由于在結構上為鏡像對稱，故其邏輯完全相同，只是程序中對于開關的編號定義不同。下面以ⅠM 備自投為例說明ⅠM/ⅢM 的5 種備自投邏輯以及2 種自恢復邏輯，開關編號如圖2 所示。

（1）正常運行時，三段母線分段運行，分別由主供電源供電。當ⅠM 主供電源發生故障時，有ⅠM-ⅡM 母聯及廠外電源2 路備用電源，此時若ⅡM 與ⅢM 分列運行，則一備為母聯3DL，二備為廠外電源2DL；若ⅡM 與ⅢM 聯絡運行，則一備為廠外電源2DL，二備為母聯3DL。上述情況下，二備動作成功后會出現一帶三，應及時進行方式倒換。

以ⅠM 備自投邏輯方式一為例，其合與跳3DL斷路器邏輯框圖如圖3～圖5 所示。

圖3 合3DL 開關邏輯

圖4 跳3DL 開關邏輯

圖5 ⅠM 廠用電備自投方式二初始運行狀態

圖6 ⅠM 廠用電備自投方式三初始運行狀態

圖7 ⅠM 廠用電備自投方式四初始運行狀態

圖8 ⅠM 廠用電備自投方式五初始運行狀態

（2）當ⅠM 由主供電源供電，且ⅠM 帶ⅡM 運行時，有廠外電源2DL 及母聯4DL 共2 路備用電源，一備為廠外電源2DL，二備為母聯4DL，在二備動作成功后會出現一帶三，該運行方式需及時進行倒換。

（3）當ⅠM 主進線停運，ⅠM 由廠外電源2DL供電且ⅠM 與ⅡM 分列運行時，僅有母聯2DL 作為備用電源。

（4）當ⅠM 主進線停運，ⅠM 由廠外電源2DL供電且ⅠM 與ⅡM 合母運行時（此種方式比較罕見），僅有母聯4DL 作為備用電源，動作后ⅢM 一帶三，動作后需及時進行方式倒換。

（5）當ⅠM 主進線停運，ⅠM 由ⅡM 供電且ⅡM 由主供電源供電時，有廠外電源2DL 作為備用電源，此時ⅠM 的失壓需分情況討論。若是ⅡM主供電源失壓導致ⅠM 失壓，則由ⅡM 備自投動作；若是母聯開關3DL 偷跳，則ⅠM 備自投動作投廠外電源2DL；若是母聯開關保護動作，因可能為ⅠM故障，故閉鎖備自投。

3.2 ⅡM 備自投邏輯

下面說明ⅡM 的5 種備自投邏輯以及2 種自恢復邏輯，開關編號如圖9 所示。

圖9 ⅡM 廠用電備自投方式一初始運行狀態

圖10 ⅡM 廠用電備自投方式二初始運行狀態

圖11 ⅡM 廠用電備自投方式三初始運行狀態

圖12 ⅡM 廠用電備自投方式四初始運行狀態

圖13 ⅡM 廠用電備自投方式五初始運行狀態

（1）當ⅡM 由主供電源供電，且ⅡM 分列運行時，有母聯3DL 及母聯4DL 共2 路備用電源，一備為母聯3DL，二備為母聯4DL。

（2）當ⅡM 由主供電源供電，且ⅡM 帶ⅠM 運行時，有ⅠM 廠外電源2DL 及母聯4DL 共2 路備用電源，一備為ⅠM 廠外電源2DL，二備為母聯4DL，在二備動作成功后會出現一帶三，該運行方式需及時進行倒換。

（3）當ⅡM 由主供電源供電，且ⅡM 帶ⅢM 運行時，有ⅢM 廠外電源5DL 及母聯3DL 共2 路備用電源，一備為ⅢM 廠外電源5DL，二備為母聯3DL，在二備動作成功后會出現一帶三，該運行方式需及時進行倒換。

（4）當ⅡM 主進線停運，ⅡM 由ⅠM 供電，ⅠM由主供電源或廠外電源供電時（灰色開關僅投入一個），有母聯4DL 作為備用電源，此時ⅡM 的失壓需分情況討論。若是ⅠM 進線電源失壓，則由ⅠM 備自投動作；若是母聯開關3DL 偷跳，則ⅡM 備自投動作投母聯4DL；若是母聯開關保護動作，因可能為ⅡM 故障，故閉鎖備自投。

（5）當ⅡM 主進線停運，ⅡM 由ⅢM 供電，ⅢM由主供電源或廠外電源供電時（灰色開關僅投入一個），有母聯3DL 作為備用電源，此時ⅡM 的失壓需分情況討論。若是ⅢM 進線電源失壓，則由ⅢM備自投動作；若是母開關4DL 偷跳，則動作投母聯2DL；若是母聯開關保護動作，因可能為ⅡM 故障，故閉鎖備自投。

3.3 各邏輯細節分析

（1）備自投失壓啟動條件：必須同時滿足2 個條件，備自投裝置采集的母線電壓模擬量滿足無壓定值（判別取最大線電壓值）；由ABB REU615 裝置判斷的母線失壓接點動作閉合。

（2）母線PT 斷線：本母線1 相與2 相斷線，不影響備自投，本母線3 相PT 斷線，備自投放電；其他母線1 相斷線，不影響備自投；其他母線2 相及3 相斷線，該母線不再作為備用電源。

（3）主進線PT 斷線僅影響自恢復邏輯，不影響備自投；其他進線PT 采集線電壓出現斷線，該進線不再作為備用電源。

（4）廠外電源PT 斷線邏輯中判斷廠外電源開關的工作位置，試驗位置不報警。

（5）母線備用電源消失：該邏輯為所有相關聯的備用母線、廠外電源均PT 斷線或失壓時，才會報“母線備用電源消失”。

（6）開關位置異常：開關手車處于工作位置時，運行中出現開關分位且有流的情況，裝置延時確認報“開關位置異常”。

（7）加速備投跳閘：本母線的供電電源處于分位時，備自投加速跳供電電源，即下表中T8＜T1，使得在運行倒閘操作過程中，備自投動作時間更短。

4 備自投閉鎖邏輯

絕大多數情況下為分母運行，故據此設置備自投閉鎖條件。廠變差動不閉鎖備自投：判為母線區外故障。進線速斷保護動作閉鎖本母線備自投：判為母線故障，為防止備自投合于故障，閉鎖備自投。

合母運行情況下，僅偷跳邏輯啟動備自投。母聯速斷保護閉鎖兩側母線備自投：在合母運行情況下，僅有母聯偷跳邏輯啟動備自投，其余情況均閉鎖兩側母線備自投，防止備自投合于故障。如圖14、圖15 所示，f2 與f3 處故障時，故障母線失壓，且母聯保護動作閉鎖故障母線備自投，正常母線不失壓；f1 與f4 處故障時，故障母線失壓，且進線保護動作閉鎖故障母線備自投，母聯開關未跳開，正常母線也失壓。

圖14 廠用電f1、f2 處故障示意

圖15 廠用電f3、f4 處故障示意

合于故障加速段動作不閉鎖備自投，因備自投延時充電。

5 結語

某發電廠中由于發電系統一次設備的改造，對10 kV 供電點的廠用電備自投邏輯進行重新構建，對備自投動作模式進行設計研究，解決了舊模式存在的問題，使之適應新的系統運行方式。新備自投能夠較好適應現有運行方式，且新邏輯相對舊邏輯簡潔明了。重點解決了舊備自投邏輯的如下問題：

（1）邏輯適應性更好：針對非典型的三分段五進線電源廠用電接線形式，進行了備自投邏輯設計，解決了加裝GCB 后程序的適應性問題，相關成果可應用到類似多進線電源三分段接線的廠用電系統；

（2）動作可靠性提高：為了避免程序出現競爭，提高備自投動作的成功率，采用查策略表的動作模式。于常規的運行方式，均有唯一對應的備自投動作模式；取消豐水期、枯水期邏輯設計，邏輯簡單可靠，運行人員操作簡單方便；

（3）時間整定更容易：采用集中式的控制策略，備自投中心單元進線時間整定，其余開關作為執行元件，使得系統整體的時間配合更加容易，解決了母線電壓衰減慢等極端情況可能導致的時間失配問題；

（4）各邏輯細節更加完善：分析舊備自投邏輯及其它電站備自投動作失敗的案例，進行了針對性的優化，如：①備自投啟動后，要延時跳開原進線開關，確定斷路器跳開后，執行后續邏輯，若開關位置未返回，備自投動作結束，防止出現非同期合閘情況。②采取中心單元的思路，并設計了偷跳動作邏輯，解決了合母運行時可能存在的程序競爭問題。③合理分配使用開關位置接點，以及手車位置接點將位置接點錯誤對備自投動作的影響降至最低。

（5）系統維護更容易：采用專用裝置使得備自投裝置的維護變得更容易，備自投裝置集中在3 個主進線單元，不涉及其他盤柜，進線開關保護停運不影響備自投運行，程序固化維護中無需對程序進行修改。

參考文獻：

[1] 古樹平，李穎．糯扎渡水電站廠用電備自投系統的分析與設計[J]．水電站機電技術，2016，39（10）：19-21．

[2] 彭軍，易亞文，王鋒．向家壩水電站10kV 廠用電系統備自投設計優化[J]．水力發電，2014， 40（10）：49-51．

[3] 李光耀，龔林平，封孝松，等．水電站10 kV 備自投設計的相關問題及解決方案[J]．四川電力技術，2012，35（6）：40-42，51．

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．繼電保護和安全自動裝置技術規程：GB/T 14285-2006[S] ，2006．

[5] 中國電力企業聯合會．電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范：GB/T 50062-2008[S] ，2008．