電子行業(yè)科創(chuàng)中心系列白皮書 -電子廠房智能保護(hù)和自動控制解決方案

電子廠房智能保護(hù)和自動控制解決方案關(guān)于作者李娟來自施耐德電氣能源自動化，電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士，2年配電SCADA系統(tǒng)研發(fā)、16年電力系統(tǒng)保護(hù)和自動化控制應(yīng)用經(jīng)驗，施耐德電氣全球愛迪生專家。精通電力系統(tǒng)自動化和保護(hù)具有豐富的電力系統(tǒng)運(yùn)行、故障分析和保護(hù)定值計算經(jīng)驗。隨著信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)......這些全新的科技正在為人類生活的方方面面帶來巨大改變，這些新科技的實(shí)現(xiàn)離不開電子產(chǎn)業(yè)的支持。電子產(chǎn)業(yè)是國家安全的基石產(chǎn)業(yè)，是未來國家實(shí)力的體現(xiàn)，我國的“中國制造2025”計劃中明確提出要大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，各地都在大力建設(shè)電子廠房。電子廠房要求每周7天24小時連續(xù)運(yùn)行，對供電的連續(xù)性、可靠性要求非常高，其供電系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，安全可靠的保護(hù)和自動控制系統(tǒng)對保證電子廠房的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了舉足輕重的作用。01一.電子廠供電系統(tǒng)一.電子廠供電系統(tǒng)電子廠房的主要生產(chǎn)過程在封閉的一定溫度、濕度和潔凈的空間中進(jìn)要多種氣體、化學(xué)品、水系統(tǒng)等支持，一旦停電，連續(xù)生產(chǎn)被打亂，需要較長時間才能恢復(fù)，因此供電可靠性要求很高。供電系統(tǒng)的電源通常采用市電+應(yīng)急自啟動柴油發(fā)電機(jī)組+不間斷電源UPS。市電通常采用來自不同220kV/20kV變電站的兩路市電電源，兩路電源互為備用;應(yīng)急自啟動柴油發(fā)電機(jī)組為400V，其發(fā)電機(jī)組經(jīng)變壓器升壓至20kV并機(jī)后分兩路分別向20kV的應(yīng)急母線段供電，在市電失電時為特別重要的廠務(wù)設(shè)備、消防設(shè)備等提供用電;另外還設(shè)置不間斷電源，在電力中斷或倒閘操作時為部分工藝、廠務(wù)設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等不允許停電的設(shè)備提供用電，它經(jīng)市電引入后在20kV母線段并列運(yùn)行，本別向20kV不間斷電源母線供電。20kV配電系統(tǒng)采用單母線分段的接線方式，以放射式電纜線路為廠區(qū)內(nèi)的主廠房、綜合動力站CUB、廢水站、特氣站等配電變電所供電，各配電變電所的降壓變壓器把電壓降到用電設(shè)備所需的不同電壓等級完成電能的消費(fèi)，一般有208V/380V/400(480)V/6kV/10kV。母聯(lián)母聯(lián)主變電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)220kV/20kV400V/20kV變壓器20kV20kV20kV柴發(fā)應(yīng)急母線CB合位CB分位主廠房母聯(lián)20kV/0.218kV20kV/0.4kV20kV/0.218kV20kV/0.4kV20kV/0.218kV20kV/0.4kV220kV/20kV母聯(lián)母聯(lián)20kVIGGGGGG02二.中壓保護(hù)要求和典型配置方案二.中壓保護(hù)要求和典型配置方案間隔名稱保護(hù)功能要求接口要求保護(hù)配置進(jìn)線速斷、過流、單相接地保護(hù)、方向接地功能、同期檢測功能IEC-61850，單線圖顯示，16DI/8DOP3U30饋線速斷、過流、單相接地保護(hù)、方向接地功能IEC-61850，單線圖顯示，12DI/8DOP3U30變壓器饋線速斷、過流、方向過流保護(hù)、單相接地保護(hù)、方向接地功能、非電量(部分變壓器需要差動)IEC-61850，單線圖顯示，12DI/8DOP3U30/P3T32電動機(jī)饋線不平衡保護(hù)、方向接地保護(hù)IEC-61850，單線圖顯示，12DI/8DOP3U30電容器饋線過電壓、不平衡保護(hù)、單相接地保護(hù)、熔斷器熔斷報警IEC-61850，單線圖顯示，12DI/8DOP3U30母聯(lián)速斷、過流、充電保護(hù)、合環(huán)保護(hù)、同期檢測功能、快速備自投IEC-61850，單線圖顯示，16DI/8DOP143柴油發(fā)電機(jī)差動、延時速斷、過流、零序過流、逆功率、低電壓、過電IEC-61850，12DI/8DOP3G32EasergyP系列保護(hù)裝置是施耐德電氣基于最新的數(shù)字技術(shù)和最成置。它具有以下特點(diǎn):03全面的保護(hù)功能專門的電機(jī)保護(hù)可集成弧光保護(hù)8段自定義保護(hù)靈活的電壓通道檢同期功能強(qiáng)大的通訊功能靈活的串口和以太網(wǎng)口通訊接口全面的通訊規(guī)約IEC-61850Ed.1&Ed.2，DNP3.0,DNP3以太網(wǎng),ModbusTCP/IP,ModbusRTU,IEC60870-5-101/103，Ether-netIP,DeviceNet,Profibus,SPA-bus不同規(guī)約可通過菜單進(jìn)行靈活切換冗余RSTP,PRP完善的測量記錄功能諧波測量向量圖監(jiān)視12個月的電量統(tǒng)計值事件記錄、故障記錄和故障錄波友好的用戶接口大液晶，可顯示主接線圖簡單直觀的維護(hù)軟件，綠色免安裝智能APPWeb訪問虛擬模擬測試儀，提高調(diào)試維護(hù)效率可集成到各種監(jiān)控系統(tǒng)04LifSn圖形化邏輯編程可根據(jù)需求定制保護(hù)和控制邏輯直觀監(jiān)視實(shí)時邏輯圖動態(tài)著色三.保護(hù)系統(tǒng)級差配合設(shè)計三.保護(hù)系統(tǒng)級差配合設(shè)計基于電子廠房的系統(tǒng)特點(diǎn)，遵循下述設(shè)計原則提供電子廠房保護(hù)方案的設(shè)計:保護(hù)的可靠性保護(hù)的選擇性保護(hù)的靈敏性保護(hù)的快速性性，級差配合的原則是過流保護(hù)的設(shè)定需要確保距離故障點(diǎn)最近的保護(hù)最先動作，其他的保護(hù)設(shè)有充足的延時防止誤動作，如果距離故障點(diǎn)最近的保護(hù)拒動，如果級差配合正確，則由上一級的保護(hù)動作，以此類推直到電源點(diǎn)，從而可以盡可能地減少受影響的廠站。過流保護(hù)通常有三段，無時限電流速斷保護(hù)(I段)按躲開相鄰線路的首端短路電流整定。保護(hù)簡單，能瞬時動作，但不能保護(hù)線路全長，且保護(hù)范圍受運(yùn)行方式影響大，不能單獨(dú)作為線路的主保護(hù)。帶時限電流速斷保護(hù)(II段)按相鄰線路的無時限電流速斷保護(hù)整定，動作時限比相鄰線路的無時限電流速斷速動性較差。定時限過電流保護(hù)(III段)按躲開線路最大負(fù)荷電流整定，護(hù)線路的全長，也能保護(hù)相鄰線路的全長，可起到遠(yuǎn)后備保護(hù)的作用。05LifSn為了保證選擇性，相鄰保護(hù)裝置之間需設(shè)置時間級差，時間級差考慮分四個部分:Δt=TCB+TR1++TR2-+TMTCB:斷路器最大動作時間(從接受到保護(hù)動作信號到滅弧完成);TR1+:后(下)級保護(hù)動作可能的滯后延時誤差;TR2-:前(上)級保護(hù)動作可能的超前延時誤差;TM:裕度。電子廠房由于供電系統(tǒng)復(fù)雜，電壓等級繁多，各種變壓器、電動機(jī)上電時有比較大的沖擊電流，使得系統(tǒng)中保護(hù)定值的配合比較復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)生，對系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行造成了很大影響。ETAP作為電力系統(tǒng)專業(yè)的計算分析軟件，在進(jìn)行多種運(yùn)行工況潮流和短路計算的基礎(chǔ)上，可以對全廠范圍內(nèi)的過流保護(hù)定值進(jìn)行全面精準(zhǔn)的分析評估，并能根據(jù)評估的結(jié)護(hù)的定值和動作特性曲線，保證保護(hù)能夠可靠地躲開沖擊性的電流，實(shí)現(xiàn)故障選擇性隔離。06LifSn眾所周知，傳統(tǒng)的過流保護(hù)存在速動性與選擇性的矛盾，如故障點(diǎn)距主變電所越近，短路電流越大，跳閘時間應(yīng)越短越好，但為了以實(shí)現(xiàn)時間級差配合或過流保護(hù)的動作時間太長的廠站，為了實(shí)現(xiàn)故障快速選擇性隔離，簡化過流保護(hù)的時間級差配合，上下游保護(hù)裝置可以傳保護(hù)裝置檢測到故障電流時保護(hù)元件啟動觸發(fā)的輸出接點(diǎn)來閉鎖上游過流保護(hù)元件動作，因此，上游和下游的過流保護(hù)元件可以采用相同的過流門檻值和延時時間，而利用閉鎖方案自動提供級差配合。下圖3中對于保護(hù)裝置C處的故障，C的過流保護(hù)啟動輸出接點(diǎn)將閉鎖保護(hù)裝置B的過流保護(hù)動作，而B的過流保護(hù)啟動輸出接點(diǎn)也將閉鎖保護(hù)裝置A的過流保護(hù)動作。這三個保護(hù)裝置可以采用相同的過流保護(hù)門檻值和延時整定，通過閉鎖信號選擇最靠近故障的保護(hù)裝置跳閘出通訊網(wǎng)絡(luò)上的IEC-61850GOOSE服務(wù)。208V/380V/440V(480)回路的速斷、過流、過載和接地保護(hù)。其保護(hù)07LifSn的電流增大，銜鐵吸合;過載時，熱過載脫扣器的雙金屬片受熱膨脹后，彎曲加大。上述的電磁力和熱力作用都將帶動斷路器連桿向上移動，使搭扣與鎖鉤脫開，從而使斷路器的觸點(diǎn)在反力彈簧的作用下斷開，切斷故障電路，起到保護(hù)的目的。所以低壓脫扣器的過流保護(hù)的機(jī)理并不同于微機(jī)型過流保護(hù)，其電流時間動作特性曲線并不是一條線，而是帶狀區(qū)域，如上圖1可以直觀看出二者的差異。因此，在保護(hù)可靠高，過流保護(hù)級差配合復(fù)雜的應(yīng)用場合，采用微機(jī)型過流保護(hù)EasergyP1，動作精度高，易于實(shí)現(xiàn)級差配合。另外由于微機(jī)型過流保護(hù)和一次斷路器獨(dú)立，調(diào)試維護(hù)都十分靈活方便，尤其適用于對安全可靠性和連續(xù)性運(yùn)行要求高的領(lǐng)域。最后，ETAP的仿真功能會仿真系統(tǒng)各種故障，并根據(jù)最終確定的過流保護(hù)配合方案確定的保護(hù)定值列出保護(hù)動作的時序，從而對各種預(yù)想事故下保護(hù)的級差配合進(jìn)行充分驗證，保證故障的真正選擇性隔離。通過從全廠系統(tǒng)的角度合理的設(shè)計和仿真驗證，使中低壓系統(tǒng)的過流保護(hù)能夠最大限度地滿足快速性、選擇性、可靠性和靈敏性的要求，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。08LifSn為了保證供電的可靠性，電子廠房供電系統(tǒng)設(shè)計采用兩路來自不同變電站220kV/20kV的市電按單母線分段的結(jié)構(gòu)供電，兩路電源同時工作、互為備用。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)輸出兩路電源在20kV應(yīng)急母線和市電并入。正常情況下由兩路20kV市電電源分別向兩段母線包括應(yīng)急母線同時供電，當(dāng)兩路市電均失電時，由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)向兩段應(yīng)急母線供電。在以上各種不同的運(yùn)行工況下，不同供電電源之間的切換需要采用自動控制的方式完成，市電恢復(fù)時，進(jìn)入合環(huán)倒閘環(huán)節(jié)，應(yīng)急母線段切換回由市電供電，從而從每個環(huán)節(jié)保證供電的安全可靠性。如何設(shè)計好20kV側(cè)的自動控制系統(tǒng)成為電子廠房供電系統(tǒng)的重要部分。1.自動控制的要求具備手動/自動功能控制場景>一路市電失電>單路市電帶兩段母線負(fù)荷，另一路市電電源恢復(fù)情況>二路市電失電>市電恢復(fù)>母線故障控制應(yīng)具備通訊接口，與電力監(jiān)控通信市電電源向備用電源的切換時間小于100ms由于電子廠房自動控制的控制場景復(fù)雜，控制要求高，有時為了防止突加負(fù)載導(dǎo)致電網(wǎng)沖擊或應(yīng)急柴發(fā)宕機(jī)，需具備負(fù)載順序加載的功能，自動控制器需要采集的信號比較多，如果采用傳統(tǒng)的硬接線則二次回路的接線復(fù)雜，需要大量的電纜，系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)很不方便，而且如果變更方案需要重新更改接線，不利于系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行。隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化和智能化的發(fā)展，可以通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信號的快速傳輸。建立在以太網(wǎng)通信鏈路基礎(chǔ)上的IEC-61850設(shè)備就是采用以太網(wǎng)通信，所有的設(shè)備共09LifSn享網(wǎng)絡(luò)，各間隔設(shè)備只需監(jiān)視本間隔開關(guān)位置和保護(hù)跳閘等信號的變化，并通過基于優(yōu)先快速傳輸?shù)腉OOSE服務(wù)告知同一網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備自身信號的變化，從而替代了傳統(tǒng)變電站通過空接點(diǎn)和開入硬接線的方式進(jìn)行信號的傳輸，不但節(jié)約了大量的電纜，簡化二次回來的接線，方便系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，而且可以靈活變更方案而不需要重新更改接線，保證系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行。為了保證基于GOOSE的自動控制方案的可靠性，確保沒有數(shù)據(jù)丟失，一方面IEC-61850規(guī)約采用快速重復(fù)發(fā)送機(jī)理避免信息丟失;另一方面IEC-61850使用網(wǎng)絡(luò)冗余，特別在可靠性要求高的高端電力用戶。目前IEC-61850引入了IEC-62439中定義的基于主動冗余技術(shù)的HSR/PRP，它完全兼容IEC-61850的要求，可以達(dá)到0秒的網(wǎng)絡(luò)自愈時間，保證無數(shù)據(jù)丟失。HSR通常用在環(huán)形冗余網(wǎng)路拓?fù)浼軜?gòu)中，PRP通?，F(xiàn)故障，仍有另一套網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的冗余端口是正常工作的，0秒切換，網(wǎng)絡(luò)可無延時自愈?；谌哂嘁蕴W(wǎng)HSR/PRP的IEC-61850GOOSE是電子廠房自動位置和保護(hù)動作情況，各進(jìn)線和各母線電壓有無等大量的信號和控制命2.自動控制方案配置自動控制系統(tǒng)配置如下圖5所示:每段市電進(jìn)線和柴發(fā)進(jìn)線和饋線各配置一臺綜合保護(hù)P3U30作為各自間隔的保護(hù)，母聯(lián)配置P143兼做母聯(lián)保護(hù)和自動控制器，每組電源的所有裝置通過冗余光纖環(huán)網(wǎng)相連，利用IEC-61850的GOOSE服務(wù)實(shí)現(xiàn)組內(nèi)各間隔開關(guān)位置、進(jìn)線/母線有例來說明自動控制方案各種控制場景的控制時序。10LifSn主廠房 綜保兼做自動控制器 20KVI應(yīng)急母線20KVI應(yīng)急母線20VII應(yīng)急母線3.自動控制說明正常運(yùn)行模式正常情況下，互為備用的兩路20kV市電電源同時工作，母聯(lián)斷路器處于分位，市電進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器間設(shè)電氣聯(lián)鎖，正常運(yùn)行時只能有兩個斷路器處于合閘狀態(tài)(該聯(lián)鎖可手動解除)。20kV應(yīng)急母線段和市電母線段間設(shè)母聯(lián)斷路器，應(yīng)急進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器間設(shè)電氣聯(lián)鎖，正常運(yùn)行時只能有兩個斷路器處于合閘狀態(tài)(該聯(lián)鎖可手動解除)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線斷路器斷開，市電斷路器和母聯(lián)斷路器閉合，由市電向應(yīng)急母線供電。一路市電失電場景正常運(yùn)行方式下(兩路市電正常，兩路市電進(jìn)線斷路器合位，兩路市電之間的母聯(lián)斷路器分位;兩路柴發(fā)進(jìn)線斷路器分位，市電母線和應(yīng)急母線之間的母聯(lián)斷路器合位)，控制器進(jìn)行充電，充電完成后，控制器準(zhǔn)備就緒。當(dāng)一路市電失電時(失電段母線無壓，失電進(jìn)線無流)，跳開失單路市電帶兩段母線負(fù)荷，另一路市電電源恢復(fù)情況單路市電帶兩段母線運(yùn)行方式下(一路市電進(jìn)線斷路器合位、兩路市電間母聯(lián)斷路器合位，另一路市電進(jìn)線斷路器分位)，當(dāng)另一路市電進(jìn)線恢復(fù)供電(另一路市電進(jìn)線有壓)，延時跳開母聯(lián)斷路器，確認(rèn)母聯(lián)斷11LifSn兩路市電均失電場景當(dāng)檢測到兩路市電均失電(母線無壓，進(jìn)線無流)，跳開兩路市電進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器，延時5s向柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)送開機(jī)信號，柴油電母線段間的母聯(lián)斷路器，確認(rèn)柴發(fā)進(jìn)線斷路器分