发电厂10 kV 厂用电系统三分段备自投设计

罗金嵩，武丽丽，吴礼贵，李 琛

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

发电厂厂用电系统是保障电力系统电源正常运行的重要设备，系统对其可靠性要求极高，其备自投装置是厂用电系统安全运行的保证。厂用电备自投模型多为标准典型接线形式，备自投功能采取独立配置方式，集成于装置中，用来应对厂用电系统失电恢复，实现自动倒闸操作等。

本论文结合某发电厂的10 kV 厂用电保护系统自主可控改造过程，分析了厂用电系统备自投逻辑的设计和优化方式。

1 厂用电系统配置情况及运行方式

1.1 厂用电系统结构及备自投动作模式

某发电厂10 kV 厂用电系统由于投产初期运行方式较为薄弱，为保证可靠性，10 kV 厂用电一次系统设计为三分段接线形式，同时引入厂内、厂外电源作为备用电源。图1 为厂用电备自投一次接线图，以ⅠM 为例，1B 为母线的主供电源，2B 为厂内备用电源，进线2 为厂外备用电源。以ⅡM 为例，2B 为母线的主供电源，1B，3B 为厂内备用电源，进线2、3为厂外备用电源。可总结为五电源三分段接线形式。

图1 备自投一次接线图

在丰水期模式下，若ⅠM 主供电源消失，优先投3DL；在枯水期模式下，若ⅠM 主供电源消失，优先投2DL；在2DL 带ⅠM 的情况下，若ⅠM 无故障失压，则投3DL；在3DL 带ⅠM 的情况下，若ⅠM无故障失压，则投2DL。

1.2 原厂用电备自投模式存在问题分析

原厂用电系统使用ABB 公司的REF-542 装置，可灵活编程，非专用备自投装置，备自投逻辑分布于备自投相关的7 个开关保护设备中，其配合存在一定的时序与逻辑问题，存在拒动的风险。主要问题有如下几点：

（1）可靠性降低：采用灵活逻辑，不固定动作行为，逻辑较为复杂，采样点多，导致动作可靠性降低，曾出现备自投动作非同期合闸。

（2）时序配合难度大：分布式逻辑构成，一处供电点的7 个参与备自投装置均包含备自投程序，且互相不能替换，分布式的程序设计模式导致各装置的时间配合容易出现问题，导致动作失败。

（3）厂用电运行方式优化后程序不匹配：某发电厂由于加装GCB 后，厂用电运行方式得到极大优化，现采取主变倒挂运行方式，即使在枯水期机组停运，主变仍旧可以带厂用电母线运行，原备自投逻辑中枯水期与丰水期的模式设计已经过时。

（4）保护与备自投共用装置存在安全风险：主进线保护与备自投共用装置，主进线保护装置检修时会影响备自投系统，增加了系统运行的风险。

2 新备自投功能设计

在设计新备自投逻辑时，以可靠性为导向，尽量简化程序。采用南网220 kV 系统备自投模式。

2.1 新备自投功能改进

（1）动作逻辑固化，程序不可修改。不同接线方式的站域设计不同逻辑的备自投，逻辑固化减少了人为误整定的概率。

（2）集中式的动作逻辑模式，备自投装置为逻辑判断控制单元，其余保护装置为执行单元，简化了回路接线。

（3）加装GCB 后，绝大部分时候母线以主供电源供电，取消枯水期、丰水期方式，仅保留一种动作模式，根据开关及手车的位置，以及电压模拟量，以查表方式执行备自投动作逻辑；

设置专用备自投装置，根据逻辑设计与维护的难易程，每条母线配置一台备自投装置，增加了可靠性，维护更为方便。

2.2 新备自投功能要求

（1）高厂变作为母线主供电源，当母线因发电机停机、开关正常操作分闸或低电压跳闸时，将投入备一电源；若其备自投条件不满足，则投入备二电源。

（2）备自投设置全自动、半自动、退出3 个运行模式。全自动模式下对备自投与自恢复逻辑起控制作用，半自动模式下仅对备自投逻辑起控制作用，退出模式则闭锁备自投；备自投逻辑不受全自动、半自动运行方式限制。

（3）自恢复仅考虑由备一或备二电源向主供电源恢复的过程。

（4）正常情况备自投只能动作一次，增加控制字，用于实现一备失败后投二备。

（5）在全自动模式下，每操作一次全自动模式，自恢复逻辑仅只能动作一次。

（6）任意一个备自投方式动作失败后，所有备自投方式均应立刻放电。

（7）备自投动作结束或异常自动消失后，无需手动复归，即可重新进入充电逻辑。

3 备自投动作逻辑

备自投逻辑考虑大部分情况下，3 段母线分列运行，各自由厂内厂高变带；在母线段厂变上端主变检修或停运时，该母线优先由厂内相邻母线带，即厂内一带二；其次由厂外母线带，即厂外带厂内运行；最罕见的方式即为厂外电源带厂内2 段母线运行，即厂外一带二。其余运行方式不予考虑。

若一备电源不满足条件，则备投优先顺序顺延至二备；若一备动作失败，可以选择投二备，也可以选择直接结束流程；若二备电源不满足要求，则无论一备动作是否成功，均结束流程。

备自投程序动作顺序核心原则总结如下，无论何种运行方式，均遵从：动作后，厂内一带二优先厂外带一段；厂外一带二优先厂内一带三的总体原则。

3.1 ⅠM 备自投逻辑

ⅠM 与ⅢM 由于在结构上为镜像对称，故其逻辑完全相同，只是程序中对于开关的编号定义不同。下面以ⅠM 备自投为例说明ⅠM/ⅢM 的5 种备自投逻辑以及2 种自恢复逻辑，开关编号如图2 所示。

（1）正常运行时，三段母线分段运行，分别由主供电源供电。当ⅠM 主供电源发生故障时，有ⅠM-ⅡM 母联及厂外电源2 路备用电源，此时若ⅡM 与ⅢM 分列运行，则一备为母联3DL，二备为厂外电源2DL；若ⅡM 与ⅢM 联络运行，则一备为厂外电源2DL，二备为母联3DL。上述情况下，二备动作成功后会出现一带三，应及时进行方式倒换。

以ⅠM 备自投逻辑方式一为例，其合与跳3DL断路器逻辑框图如图3～图5 所示。

图3 合3DL 开关逻辑

图4 跳3DL 开关逻辑

图5 ⅠM 厂用电备自投方式二初始运行状态

图6 ⅠM 厂用电备自投方式三初始运行状态

图7 ⅠM 厂用电备自投方式四初始运行状态

图8 ⅠM 厂用电备自投方式五初始运行状态

（2）当ⅠM 由主供电源供电，且ⅠM 带ⅡM 运行时，有厂外电源2DL 及母联4DL 共2 路备用电源，一备为厂外电源2DL，二备为母联4DL，在二备动作成功后会出现一带三，该运行方式需及时进行倒换。

（3）当ⅠM 主进线停运，ⅠM 由厂外电源2DL供电且ⅠM 与ⅡM 分列运行时，仅有母联2DL 作为备用电源。

（4）当ⅠM 主进线停运，ⅠM 由厂外电源2DL供电且ⅠM 与ⅡM 合母运行时（此种方式比较罕见），仅有母联4DL 作为备用电源，动作后ⅢM 一带三，动作后需及时进行方式倒换。

（5）当ⅠM 主进线停运，ⅠM 由ⅡM 供电且ⅡM 由主供电源供电时，有厂外电源2DL 作为备用电源，此时ⅠM 的失压需分情况讨论。若是ⅡM主供电源失压导致ⅠM 失压，则由ⅡM 备自投动作；若是母联开关3DL 偷跳，则ⅠM 备自投动作投厂外电源2DL；若是母联开关保护动作，因可能为ⅠM故障，故闭锁备自投。

3.2 ⅡM 备自投逻辑

下面说明ⅡM 的5 种备自投逻辑以及2 种自恢复逻辑，开关编号如图9 所示。

图9 ⅡM 厂用电备自投方式一初始运行状态

图10 ⅡM 厂用电备自投方式二初始运行状态

图11 ⅡM 厂用电备自投方式三初始运行状态

图12 ⅡM 厂用电备自投方式四初始运行状态

图13 ⅡM 厂用电备自投方式五初始运行状态

（1）当ⅡM 由主供电源供电，且ⅡM 分列运行时，有母联3DL 及母联4DL 共2 路备用电源，一备为母联3DL，二备为母联4DL。

（2）当ⅡM 由主供电源供电，且ⅡM 带ⅠM 运行时，有ⅠM 厂外电源2DL 及母联4DL 共2 路备用电源，一备为ⅠM 厂外电源2DL，二备为母联4DL，在二备动作成功后会出现一带三，该运行方式需及时进行倒换。

（3）当ⅡM 由主供电源供电，且ⅡM 带ⅢM 运行时，有ⅢM 厂外电源5DL 及母联3DL 共2 路备用电源，一备为ⅢM 厂外电源5DL，二备为母联3DL，在二备动作成功后会出现一带三，该运行方式需及时进行倒换。

（4）当ⅡM 主进线停运，ⅡM 由ⅠM 供电，ⅠM由主供电源或厂外电源供电时（灰色开关仅投入一个），有母联4DL 作为备用电源，此时ⅡM 的失压需分情况讨论。若是ⅠM 进线电源失压，则由ⅠM 备自投动作；若是母联开关3DL 偷跳，则ⅡM 备自投动作投母联4DL；若是母联开关保护动作，因可能为ⅡM 故障，故闭锁备自投。

（5）当ⅡM 主进线停运，ⅡM 由ⅢM 供电，ⅢM由主供电源或厂外电源供电时（灰色开关仅投入一个），有母联3DL 作为备用电源，此时ⅡM 的失压需分情况讨论。若是ⅢM 进线电源失压，则由ⅢM备自投动作；若是母开关4DL 偷跳，则动作投母联2DL；若是母联开关保护动作，因可能为ⅡM 故障，故闭锁备自投。

3.3 各逻辑细节分析

（1）备自投失压启动条件：必须同时满足2 个条件，备自投装置采集的母线电压模拟量满足无压定值（判别取最大线电压值）；由ABB REU615 装置判断的母线失压接点动作闭合。

（2）母线PT 断线：本母线1 相与2 相断线，不影响备自投，本母线3 相PT 断线，备自投放电；其他母线1 相断线，不影响备自投；其他母线2 相及3 相断线，该母线不再作为备用电源。

（3）主进线PT 断线仅影响自恢复逻辑，不影响备自投；其他进线PT 采集线电压出现断线，该进线不再作为备用电源。

（4）厂外电源PT 断线逻辑中判断厂外电源开关的工作位置，试验位置不报警。

（5）母线备用电源消失：该逻辑为所有相关联的备用母线、厂外电源均PT 断线或失压时，才会报“母线备用电源消失”。

（6）开关位置异常：开关手车处于工作位置时，运行中出现开关分位且有流的情况，装置延时确认报“开关位置异常”。

（7）加速备投跳闸：本母线的供电电源处于分位时，备自投加速跳供电电源，即下表中T8＜T1，使得在运行倒闸操作过程中，备自投动作时间更短。

4 备自投闭锁逻辑

绝大多数情况下为分母运行，故据此设置备自投闭锁条件。厂变差动不闭锁备自投：判为母线区外故障。进线速断保护动作闭锁本母线备自投：判为母线故障，为防止备自投合于故障，闭锁备自投。

合母运行情况下，仅偷跳逻辑启动备自投。母联速断保护闭锁两侧母线备自投：在合母运行情况下，仅有母联偷跳逻辑启动备自投，其余情况均闭锁两侧母线备自投，防止备自投合于故障。如图14、图15 所示，f2 与f3 处故障时，故障母线失压，且母联保护动作闭锁故障母线备自投，正常母线不失压；f1 与f4 处故障时，故障母线失压，且进线保护动作闭锁故障母线备自投，母联开关未跳开，正常母线也失压。

图14 厂用电f1、f2 处故障示意

图15 厂用电f3、f4 处故障示意

合于故障加速段动作不闭锁备自投，因备自投延时充电。

5 结语

某发电厂中由于发电系统一次设备的改造，对10 kV 供电点的厂用电备自投逻辑进行重新构建，对备自投动作模式进行设计研究，解决了旧模式存在的问题，使之适应新的系统运行方式。新备自投能够较好适应现有运行方式，且新逻辑相对旧逻辑简洁明了。重点解决了旧备自投逻辑的如下问题：

（1）逻辑适应性更好：针对非典型的三分段五进线电源厂用电接线形式，进行了备自投逻辑设计，解决了加装GCB 后程序的适应性问题，相关成果可应用到类似多进线电源三分段接线的厂用电系统；

（2）动作可靠性提高：为了避免程序出现竞争，提高备自投动作的成功率，采用查策略表的动作模式。于常规的运行方式，均有唯一对应的备自投动作模式；取消丰水期、枯水期逻辑设计，逻辑简单可靠，运行人员操作简单方便；

（3）时间整定更容易：采用集中式的控制策略，备自投中心单元进线时间整定，其余开关作为执行元件，使得系统整体的时间配合更加容易，解决了母线电压衰减慢等极端情况可能导致的时间失配问题；

（4）各逻辑细节更加完善：分析旧备自投逻辑及其它电站备自投动作失败的案例，进行了针对性的优化，如：①备自投启动后，要延时跳开原进线开关，确定断路器跳开后，执行后续逻辑，若开关位置未返回，备自投动作结束，防止出现非同期合闸情况。②采取中心单元的思路，并设计了偷跳动作逻辑，解决了合母运行时可能存在的程序竞争问题。③合理分配使用开关位置接点，以及手车位置接点将位置接点错误对备自投动作的影响降至最低。

（5）系统维护更容易：采用专用装置使得备自投装置的维护变得更容易，备自投装置集中在3 个主进线单元，不涉及其他盘柜，进线开关保护停运不影响备自投运行，程序固化维护中无需对程序进行修改。

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