电子行业科创中心系列白皮书 -电子厂房智能保护和自动控制解决方案

电子厂房智能保护和自动控制解决方案关于作者李娟来自施耐德电气能源自动化，电力系统及其自动化专业硕士，2年配电SCADA系统研发、16年电力系统保护和自动化控制应用经验，施耐德电气全球爱迪生专家。精通电力系统自动化和保护具有丰富的电力系统运行、故障分析和保护定值计算经验。随着信息、网络技术的迅速发展，物联网、人工智能、自动驾驶、虚拟现实......这些全新的科技正在为人类生活的方方面面带来巨大改变，这些新科技的实现离不开电子产业的支持。电子产业是国家安全的基石产业，是未来国家实力的体现，我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展半导体产业，各地都在大力建设电子厂房。电子厂房要求每周7天24小时连续运行，对供电的连续性、可靠性要求非常高，其供电系统的规模越来越大，结构也越来越复杂，安全可靠的保护和自动控制系统对保证电子厂房的安全稳定运行起到了举足轻重的作用。01一.电子厂供电系统一.电子厂供电系统电子厂房的主要生产过程在封闭的一定温度、湿度和洁净的空间中进要多种气体、化学品、水系统等支持，一旦停电，连续生产被打乱，需要较长时间才能恢复，因此供电可靠性要求很高。供电系统的电源通常采用市电+应急自启动柴油发电机组+不间断电源UPS。市电通常采用来自不同220kV/20kV变电站的两路市电电源，两路电源互为备用;应急自启动柴油发电机组为400V，其发电机组经变压器升压至20kV并机后分两路分别向20kV的应急母线段供电，在市电失电时为特别重要的厂务设备、消防设备等提供用电;另外还设置不间断电源，在电力中断或倒闸操作时为部分工艺、厂务设备、控制设备、网络设备等不允许停电的设备提供用电，它经市电引入后在20kV母线段并列运行，本别向20kV不间断电源母线供电。20kV配电系统采用单母线分段的接线方式，以放射式电缆线路为厂区内的主厂房、综合动力站CUB、废水站、特气站等配电变电所供电，各配电变电所的降压变压器把电压降到用电设备所需的不同电压等级完成电能的消费，一般有208V/380V/400(480)V/6kV/10kV。母联母联主变电站应急柴油发电机220kV/20kV400V/20kV变压器20kV20kV20kV柴发应急母线CB合位CB分位主厂房母联20kV/0.218kV20kV/0.4kV20kV/0.218kV20kV/0.4kV20kV/0.218kV20kV/0.4kV220kV/20kV母联母联20kVIGGGGGG02二.中压保护要求和典型配置方案二.中压保护要求和典型配置方案间隔名称保护功能要求接口要求保护配置进线速断、过流、单相接地保护、方向接地功能、同期检测功能IEC-61850，单线图显示，16DI/8DOP3U30馈线速断、过流、单相接地保护、方向接地功能IEC-61850，单线图显示，12DI/8DOP3U30变压器馈线速断、过流、方向过流保护、单相接地保护、方向接地功能、非电量(部分变压器需要差动)IEC-61850，单线图显示，12DI/8DOP3U30/P3T32电动机馈线不平衡保护、方向接地保护IEC-61850，单线图显示，12DI/8DOP3U30电容器馈线过电压、不平衡保护、单相接地保护、熔断器熔断报警IEC-61850，单线图显示，12DI/8DOP3U30母联速断、过流、充电保护、合环保护、同期检测功能、快速备自投IEC-61850，单线图显示，16DI/8DOP143柴油发电机差动、延时速断、过流、零序过流、逆功率、低电压、过电IEC-61850，12DI/8DOP3G32EasergyP系列保护装置是施耐德电气基于最新的数字技术和最成置。它具有以下特点:03全面的保护功能专门的电机保护可集成弧光保护8段自定义保护灵活的电压通道检同期功能强大的通讯功能灵活的串口和以太网口通讯接口全面的通讯规约IEC-61850Ed.1&Ed.2，DNP3.0,DNP3以太网,ModbusTCP/IP,ModbusRTU,IEC60870-5-101/103，Ether-netIP,DeviceNet,Profibus,SPA-bus不同规约可通过菜单进行灵活切换冗余RSTP,PRP完善的测量记录功能谐波测量向量图监视12个月的电量统计值事件记录、故障记录和故障录波友好的用户接口大液晶，可显示主接线图简单直观的维护软件，绿色免安装智能APPWeb访问虚拟模拟测试仪，提高调试维护效率可集成到各种监控系统04LifSn图形化逻辑编程可根据需求定制保护和控制逻辑直观监视实时逻辑图动态着色三.保护系统级差配合设计三.保护系统级差配合设计基于电子厂房的系统特点，遵循下述设计原则提供电子厂房保护方案的设计:保护的可靠性保护的选择性保护的灵敏性保护的快速性性，级差配合的原则是过流保护的设定需要确保距离故障点最近的保护最先动作，其他的保护设有充足的延时防止误动作，如果距离故障点最近的保护拒动，如果级差配合正确，则由上一级的保护动作，以此类推直到电源点，从而可以尽可能地减少受影响的厂站。过流保护通常有三段，无时限电流速断保护(I段)按躲开相邻线路的首端短路电流整定。保护简单，能瞬时动作，但不能保护线路全长，且保护范围受运行方式影响大，不能单独作为线路的主保护。带时限电流速断保护(II段)按相邻线路的无时限电流速断保护整定，动作时限比相邻线路的无时限电流速断速动性较差。定时限过电流保护(III段)按躲开线路最大负荷电流整定，护线路的全长，也能保护相邻线路的全长，可起到远后备保护的作用。05LifSn为了保证选择性，相邻保护装置之间需设置时间级差，时间级差考虑分四个部分:Δt=TCB+TR1++TR2-+TMTCB:断路器最大动作时间(从接受到保护动作信号到灭弧完成);TR1+:后(下)级保护动作可能的滞后延时误差;TR2-:前(上)级保护动作可能的超前延时误差;TM:裕度。电子厂房由于供电系统复杂，电压等级繁多，各种变压器、电动机上电时有比较大的冲击电流，使得系统中保护定值的配合比较复杂，实际运生，对系统的连续稳定运行造成了很大影响。ETAP作为电力系统专业的计算分析软件，在进行多种运行工况潮流和短路计算的基础上，可以对全厂范围内的过流保护定值进行全面精准的分析评估，并能根据评估的结护的定值和动作特性曲线，保证保护能够可靠地躲开冲击性的电流，实现故障选择性隔离。06LifSn众所周知，传统的过流保护存在速动性与选择性的矛盾，如故障点距主变电所越近，短路电流越大，跳闸时间应越短越好，但为了以实现时间级差配合或过流保护的动作时间太长的厂站，为了实现故障快速选择性隔离，简化过流保护的时间级差配合，上下游保护装置可以传保护装置检测到故障电流时保护元件启动触发的输出接点来闭锁上游过流保护元件动作，因此，上游和下游的过流保护元件可以采用相同的过流门槛值和延时时间，而利用闭锁方案自动提供级差配合。下图3中对于保护装置C处的故障，C的过流保护启动输出接点将闭锁保护装置B的过流保护动作，而B的过流保护启动输出接点也将闭锁保护装置A的过流保护动作。这三个保护装置可以采用相同的过流保护门槛值和延时整定，通过闭锁信号选择最靠近故障的保护装置跳闸出通讯网络上的IEC-61850GOOSE服务。208V/380V/440V(480)回路的速断、过流、过载和接地保护。其保护07LifSn的电流增大，衔铁吸合;过载时，热过载脱扣器的双金属片受热膨胀后，弯曲加大。上述的电磁力和热力作用都将带动断路器连杆向上移动，使搭扣与锁钩脱开，从而使断路器的触点在反力弹簧的作用下断开，切断故障电路，起到保护的目的。所以低压脱扣器的过流保护的机理并不同于微机型过流保护，其电流时间动作特性曲线并不是一条线，而是带状区域，如上图1可以直观看出二者的差异。因此，在保护可靠高，过流保护级差配合复杂的应用场合，采用微机型过流保护EasergyP1，动作精度高，易于实现级差配合。另外由于微机型过流保护和一次断路器独立，调试维护都十分灵活方便，尤其适用于对安全可靠性和连续性运行要求高的领域。最后，ETAP的仿真功能会仿真系统各种故障，并根据最终确定的过流保护配合方案确定的保护定值列出保护动作的时序，从而对各种预想事故下保护的级差配合进行充分验证，保证故障的真正选择性隔离。通过从全厂系统的角度合理的设计和仿真验证，使中低压系统的过流保护能够最大限度地满足快速性、选择性、可靠性和灵敏性的要求，为电力系统的安全稳定运行保驾护航。08LifSn为了保证供电的可靠性，电子厂房供电系统设计采用两路来自不同变电站220kV/20kV的市电按单母线分段的结构供电，两路电源同时工作、互为备用。应急柴油发电机输出两路电源在20kV应急母线和市电并入。正常情况下由两路20kV市电电源分别向两段母线包括应急母线同时供电，当两路市电均失电时，由应急柴油发电机向两段应急母线供电。在以上各种不同的运行工况下，不同供电电源之间的切换需要采用自动控制的方式完成，市电恢复时，进入合环倒闸环节，应急母线段切换回由市电供电，从而从每个环节保证供电的安全可靠性。如何设计好20kV侧的自动控制系统成为电子厂房供电系统的重要部分。1.自动控制的要求具备手动/自动功能控制场景>一路市电失电>单路市电带两段母线负荷，另一路市电电源恢复情况>二路市电失电>市电恢复>母线故障控制应具备通讯接口，与电力监控通信市电电源向备用电源的切换时间小于100ms由于电子厂房自动控制的控制场景复杂，控制要求高，有时为了防止突加负载导致电网冲击或应急柴发宕机，需具备负载顺序加载的功能，自动控制器需要采集的信号比较多，如果采用传统的硬接线则二次回路的接线复杂，需要大量的电缆，系统的调试和维护很不方便，而且如果变更方案需要重新更改接线，不利于系统的连续可靠运行。随着电力系统数字化和智能化的发展，可以通过以太网实现信号的快速传输。建立在以太网通信链路基础上的IEC-61850设备就是采用以太网通信，所有的设备共09LifSn享网络，各间隔设备只需监视本间隔开关位置和保护跳闸等信号的变化，并通过基于优先快速传输的GOOSE服务告知同一网络的其他设备自身信号的变化，从而替代了传统变电站通过空接点和开入硬接线的方式进行信号的传输，不但节约了大量的电缆，简化二次回来的接线，方便系统的调试和维护，而且可以灵活变更方案而不需要重新更改接线，保证系统的连续可靠运行。为了保证基于GOOSE的自动控制方案的可靠性，确保没有数据丢失，一方面IEC-61850规约采用快速重复发送机理避免信息丢失;另一方面IEC-61850使用网络冗余，特别在可靠性要求高的高端电力用户。目前IEC-61850引入了IEC-62439中定义的基于主动冗余技术的HSR/PRP，它完全兼容IEC-61850的要求，可以达到0秒的网络自愈时间，保证无数据丢失。HSR通常用在环形冗余网路拓扑架构中，PRP通常现故障，仍有另一套网络及设备的冗余端口是正常工作的，0秒切换，网络可无延时自愈。基于冗余以太网HSR/PRP的IEC-61850GOOSE是电子厂房自动位置和保护动作情况，各进线和各母线电压有无等大量的信号和控制命2.自动控制方案配置自动控制系统配置如下图5所示:每段市电进线和柴发进线和馈线各配置一台综合保护P3U30作为各自间隔的保护，母联配置P143兼做母联保护和自动控制器，每组电源的所有装置通过冗余光纤环网相连，利用IEC-61850的GOOSE服务实现组内各间隔开关位置、进线/母线有例来说明自动控制方案各种控制场景的控制时序。10LifSn主厂房 综保兼做自动控制器 20KVI应急母线20KVI应急母线20VII应急母线3.自动控制说明正常运行模式正常情况下，互为备用的两路20kV市电电源同时工作，母联断路器处于分位，市电进线断路器和母联断路器间设电气联锁，正常运行时只能有两个断路器处于合闸状态(该联锁可手动解除)。20kV应急母线段和市电母线段间设母联断路器，应急进线断路器和母联断路器间设电气联锁，正常运行时只能有两个断路器处于合闸状态(该联锁可手动解除)，应急柴油发电机处于停机状态，柴油发电机进线断路器断开，市电断路器和母联断路器闭合，由市电向应急母线供电。一路市电失电场景正常运行方式下(两路市电正常，两路市电进线断路器合位，两路市电之间的母联断路器分位;两路柴发进线断路器分位，市电母线和应急母线之间的母联断路器合位)，控制器进行充电，充电完成后，控制器准备就绪。当一路市电失电时(失电段母线无压，失电进线无流)，跳开失单路市电带两段母线负荷，另一路市电电源恢复情况单路市电带两段母线运行方式下(一路市电进线断路器合位、两路市电间母联断路器合位，另一路市电进线断路器分位)，当另一路市电进线恢复供电(另一路市电进线有压)，延时跳开母联断路器，确认母联断11LifSn两路市电均失电场景当检测到两路市电均失电(母线无压，进线无流)，跳开两路市电进线断路器和母联断路器，延时5s向柴油发电机系统发送开机信号，柴油电母线段间的母联断路器，确认柴发进线断路器分