适应厂用电运行方式改变的电源快速切换系统研究

彭 荣

（广州发展电力科技有限公司，广州 511458）

某电厂为20世纪90年代典型4×300 MW火力发电厂，采用发电机——变压器组单元接线送220 kV双母双分段母线，配220 kV启动备变，关口电能计量点设在220 kV线路。启动备变低压侧6 kV公用段为燃料系统、供水系统、灰渣系统和产业园区等公用系统供电，并作为机组6 kV厂用段备用电源。在机组6 kV厂用工作电源与启备变6 kV公用备用电源间配置MFC2000-2型快切装置。2020年，为适应电力现货交易，电厂关口电能计量点由线路改为主变及启备变计量，关口电能计量点后移，启备变公用系统电量由厂用电电量转变为用网电量，需向电网缴纳启备变电量电费、增加用电成本。为减少启备变用网电量、提高电厂经济效益，进行厂用电运行方式调整，启备变高压侧开关合闸、低压侧开关分闸变压器空载运行，公用段负荷由机组厂用段供电，该运行方式下厂用电源故障时无备用电源自投功能，影响6 kV厂用、公用系统运行的可靠性。需在机组6 kV厂用电系统加装第二套快切装置。鉴于原有快切装置运行12 a，步入电子产品故障高发期和寿命末年，从控制回路简洁性、经济性角度，研究应用一种适应厂用电运行方式改变的电源快速切换系统：可同时满足厂用段带公用段运行和厂用段与公用段独立运行的2种运行方式的快切装置。

1 切换方案

1.1 技改前快切方式

以该电厂1号机6 kV厂用IA段快切为例，如图1所示，原厂用电运行方式为6 kV厂用段与公用段独立分段运行，即1号机高厂变A分支601a带厂用IA段运行、1号机启备变A分支605a带公用IA段运行、厂用IA段与公用IA段的联络电源610a断开运行作为快切备用自投电源。原快切装置仅是厂用段的电源快速切换装置，只能实现工作电源1DL 601a与联络电源3DL 610a之间的切换：手动并联——双向自动切换、不正常及事故切换——工作电源1DL 601a向联络电源3DL 610a自动单向串联切换——即跳1DL合3DL。

图1 改进前1号机6 kV厂用IA段快切原理接线图（厂用段与公用段独立运行方式）

1.2 技改后快切方案

当根据厂用电经济性要求改变厂用电运行方式，减少使用电网电量切换至厂用段带公用段运行方式，启备变高压侧开关合闸、低压侧A分支605a分闸变压器空载运行，6 kV公用IA段负荷通过联络电源610a由机组厂用IA段供电，该运行方式下除具备原旧装置功能外，新增切换功能：联络电源3DL 610a与备用电源2DL 605a之间的切换，手动并联——双向自动切换，在切换至厂用段带公用段运行方式下“工作电源1DL 601a合闸态和联络电源3DL 610a合闸态、备用电源2DL 605a分闸态”时，不正常及事故切换——工作电源1DL 601a向备用电源2DL 605a自动单向串联切换——即跳1DL合2DL。研究的新快切装置需增加输入输出电气量，其原理接线图如图2所示。

图2 改进后1号机6 kV厂用IA段快切原理接线图

需增加的输入输出电气量仅为：①启备变低侧PT二次线电压；②启备变低侧后加速保护；③6 kV公用IA段母线三相电压；④启备变低侧2DL 605a位置信号及快切装置到2DL 605a断路器的跳合闸开出量。

快切装置按照选定模式操作工作电源和备用电源断路器。装置按手动切换、事故切换、非正常工况有并联、串联和同时切换方式。按照预定的切换方式跳工作开关和合备用开关。

2 新型快速切换装置研制原则

①确保安全。实时监测开关两侧电源的电压、频率和相位，需提供多种可靠的起动、切换方式，能快速安全地投入备用电源，且不会对电动机造成大的冲击。②厂用电接线有单母分段方式、单母方式。能灵活适应新的接线方式，仅需更改部分定值即可满足备用电源自投要求。③装置硬件需使用最新的DSP+ARM+CPLD硬件平台、高精度芯片，确保数据的实时性及切换的快速性。④需采取抗干扰措施，有完善的自检、闭锁逻辑。⑤总要求是模块化设计、丰富的切换逻辑、灵活的设置及高速的运算能力。

3 装置主要起动方式

①手动起动。在装置面板或DCS远方手动操作起动快切装置，实现单母分段运行方式的工作电源1DL 601a开关到联络电源3DL 610a之间的互相切换，也可以实现备用电源2DL 605a和联络电源3DL 610a之间的互相切换。对单母方式，手动起动实现工作电源1DL 601a开关和备用电源2DL 605aL之间的互相切换。②保护起动。工作电源的主保护动作接点接入快切装置，一旦检测到工作电源保护动作，装置立即起动切换，断开故障线路，投入备用电源。③误跳起动。当本处于合位的开关跳开且进线突然无电流，起动快切合上另一侧电源以保证母线供电。

4 装置闭锁及告警

装置硬件RAM、EPROM、出口回路故障、CPLD故障、电源故障，闭锁切换和保护功能。当检测到切换初始状态不满足、失压、进线/母线TV断线或电源开关位置异常，发出报警并闭锁快切。

5 实施与应用

将原快切屏柜内快切装置、元器件及配线全部拆除，保留原外部接线电缆及端子排，安装特殊定制的新快切装置。新敷设电缆增加电气量：启备变低侧分支电压、公用段母线三相电压、605a断路器位置信号及快切装置到605a断路器的跳合闸指令，增加605a断路器后加速保护。

新快切装置结构组成：由电源模件（板5）、测量模件（板1、板2）、开入模件（板5）、信号输出模件（板5、板6）、通信模件（板4）和出口模件（板7）组成。

电源快速切换装置分别采集工作电源进线电压互感器二次电压、厂用段母线电压互感器二次电压、公用段母线电压互感器二次电压（新增）和备用电源进线电压互感器二次电压（新增），工作进线断路器1DL位置状态、联络电源断路器3DL位置状态、备用进线断路器2DL位置状态（新增），发变组保护起动（闭锁）快切指令，以及出口操作工作进线断路器1DL、联络电源断路器3DL、备用进线断路器2DL（新增）的跳合闸。实现原有运行方式——厂用段与公用段独立运行“工作电源1DL合闸态、备用电源2DL合闸态、联络电源3DL分闸态”下，工作电源1DL与联络电源3DL之间的切换：手动并联——双向自动切换、不正常及事故切换——工作电源1DL向联络电源3DL自动单向切换——即跳1DL合3DL；新增切换功能，联络电源3DL与备用电源2DL之间的手动并联双向自动切换、新增运行方式切换——在切换至厂用段带公用段运行方式“工作电源1DL合闸态和联络电源3DL合闸态、备用电源2DL分闸态”下，实现不正常及事故切换——工作电源1DL向备用电源2DL自动单向切换——即跳1DL合2DL。

运行方式切换选择单元，新装置手动快切切换方式转换开关BK——切至“1DL与3DL”侧时进行1DL与3DL间的并联双向自动切换（原有功能，也可在DCS远方操作），切至“3DL与2DL”侧时进行3DL与2DL间的并联双向自动切换（是新增功能，在快切装置面板操作）。当手动起动快切装置切换成“工作电源1DL合闸态、备用电源2DL合闸态、联络电源3DL分闸态”就是原有厂用段与公用段独立运行方式，切换成“工作电源1DL合闸态、联络电源3DL合闸态、备用电源2DL分闸态”就是新的厂用段带公用段运行方式。上述2种运行方式是通过装置并联切换模式来实现。并联切换模式只能以手动起动方式触发。

5.1 厂用段与公用段独立运行方式下切换逻辑

装置充电条件，厂用段母线、公用段母线三相有压；工作电源1DL合、备用电源2DL合，联络电源3DL分；保护起动、手动起动接点未闭合。经过10 s后充电完成。装置放电条件：①控制字“1→3切换起动”设为退出；②开入“保护闭锁”闭合；③定值“快速合闸”“同捕合闸”“残压合闸”和“长延时合闸”都退出；④开入“闭锁切换”闭合；⑤工作电源1DL、备用电源2DL、联络电源3DL位置异常；⑥联络电源3DL在合位；⑦厂用段、公用段母线均小于“失压起动定值”，延时15 s。起动条件，当工作电源1DL向联络电源3DL切换起动投入、公用段大于等于“有压定值”，下列任一条件满足。①厂用段、公用段母线未断线且开入“保护起动”闭合；②厂用段、公用段母线未断线且工作电源1DL变位起动；③厂用段母线失压起动；④厂用段、公用段母线未断线且开入“手动起动1”闭合。动作过程，起动方式①—③，按定值“故障切换串联”的设定（0表示同时；1表示串联）进行切换；起动方式④按定值“手动切换并联”的设定（0表示串联；1表示并联）进行切换。

原厂用段与公用段独立运行方式（工作电源1DL 601a到联络电源3DL 610a并联切换逻辑）为例，进行并联切换逻辑时序说明，新的厂用段带公用段运行方式（备用电源2DL 605a到联络电源3DL 610a并联切换逻辑）类同。

5.2 厂用段带公用段运行方式下切换逻辑

装置充电条件，厂用段、公用段母线三相有压；检后备电压控制字投入时，U2大于等于“有压定值”；工作电源1DL合、备用电源2DL分、联络电源3DL合；保护起动、手动起动接点未闭合。经过10s后充电完成。装置放电条件：①控制字“1→2切换起动”设为退出；②开入“保护闭锁”闭合；③定值“快速合闸”“同捕合闸”“残压合闸”和“长延时合闸”都退出；④开入“闭锁切换”闭合；⑤工作电源1DL、备用电源2DL跳位异常；⑥备用电源2DL在合位或联络电源3DL在跳位；⑦检后备电压控制字投入时，U2小于“有压定值”，延时15 s。起动条件，当1→2切换起动投入、检后备电压控制字投入时U2有压，下列任一条件满足。①厂用段、公用段母线未断线且开入“保护起动1”闭合；②厂用段、公用段母线未断线且工作电源1DL变位起动；③厂用段母线失压起动。动作过程：按定值“故障切换串联”的设定（0表示同时；1表示串联）进行切换。

自动切换单元，用于在根据信号采集单元获取的电压信号判断母线失压或发变组保护起动信号或工作电源断路器跳闸变位，且备用电源正常时执行自动串联切换操作。以下以新的厂用段带公用段运行方式（工作电源1DL 601a到备用电源2DL 605a串联切换逻辑）为例，进行自动串联切换逻辑时序说明，原有厂用段与公用段独立运行方式（工作电源1DL 601a到联络备用电源3DL 610a自动串联切换逻辑）类同，如图3所示。

图3 工作电源1DL 601a到备用电源2DL 605a串联切换逻辑图（厂用段带公用段运行方式）

6 结束语

按上述原理图接线整定好快切定值、经整组传动试验及实际验证，达到了预期的效果，取得了良好的经济效益，并安全可靠实现快切所有功能，6 kV厂用IA段与公用IA电源开关的手动正常倒换。①1DL 601a与3DL 610a的手动并联双向切换按原方式在DCS操作员站起动快切装置操作；②3DL 610a与2DL 605a的手动并联双向切换在1号机机快切装置屏操作对应的手动切换把手BK。实现2种运行方式下的故障自动切换：厂用段带公用段单母方式①、1号机机组运行，1号机启备变05T低压侧电源作为1号机高厂变01T联锁备用。1DL 601a事故跳闸联合2DL 605a。厂用段不带公用段原有单母分段方式②、1号机机组运行、6 kV公用I段由1号机启备变05T供电，6 kV厂用I段由1号机高厂变01T供电，6 kV公用I段母线电源作为1号机高厂变01T联锁备用。1DL 601a事故跳闸联合3DL 610a。