《施耐德電氣：2023電子廠房智能保護和自動控制解決方案白皮書（15頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《施耐德電氣：2023電子廠房智能保護和自動控制解決方案白皮書（15頁）.pdf（15頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 2025”計劃中明確提出要大力發展半導體產業，各地都在大力建設電子廠房。電子廠房要求每周 7 天 24 小時連續運行，對供電的連續性、可靠性要求非常高，其供電系統的規模越來越大，結構也越來越復雜，安全可靠的保護和自動控制系統對保證電子廠房的安全穩定運行起到了舉足輕重的作用。引言02圖 1 電子廠房供電系統圖電子廠房的主要生產過程在封閉的一定溫度、濕度和潔凈的空間中進行，每周工作 7 天，每天 24 小時連續生產，自動化程度高，維持生產需要多種氣體、化學品、水系統等支持，一旦停電，連續生產被打亂，需要較長時間才能恢復，因此供電可靠性要求很高。供電系統的電源通常采用市電+應急自啟動柴油發電機組+

2、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;應急自啟動柴油發電機組為 400V，其發電機組經變壓器升壓至 20kV 并機后分兩路分別向 20kV 的應急母線段供電，在市電失電時為特別重要的廠務設備、消防設備等提供用電;另外還設置不間斷電源，在電力中斷或倒閘操作時為部分工藝、廠務設備、控制設備、網絡設備等不允許停電的設備提供用電，它經市電引入后在 20kV 母線段并列運行，本別向 20kV 不間斷電源母線供電。20kV 配電系統采用單母線分段的接線方式，以放射式電纜線路為廠區內的主廠房、綜合動力站 CUB、廢水站、特氣站等配電變電所供電

3、，各配電變電所的降壓變壓器把電壓降到用電設備所需的不同電壓等級完成電能的消費，一般有 208V/380V/400(480)V/6kV/10kV。一.電子廠供電系統主變電站主廠房220kV/20kVCB合位CB分位220kV/20kV400V/20kV變壓器20kV柴發應急母線母聯母聯母聯母聯應急柴油發電機20kV20kV I20kV II20kV II20kV 應急母線20kV/0.218kV20kV/0.4kV20kV/0.218kV20kV/0.4kV20kV/0.218kV20kV/0.4kV應急母線20kVGGGGGG03Easergy P系列保護裝置是施耐德電氣基于最新的數字技術和最

4、成熟的保護算法，采用統一的硬件平臺和模塊化設計的綜合微機保護裝置。它具有以下特點:二.中壓保護要求和典型配置方案間隔名稱進線P3U30保護功能要求接口要求保護配置速斷、過流、單相接地保護、方向接地功能、同期檢測功能IEC-61850，單線圖顯示，16DI/8DO饋線P3U30速斷、過流、單相接地保護、方向接地功能IEC-61850，單 線 圖 顯 示，12DI/8DO變壓器饋線P3U30/P3T32速斷、過流、方向過流保護、單相接地保護、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/8DO電動機饋線P3U30速斷、過流、過負荷、低電壓、不平衡保護、

5、方向接地保護IEC-61850，單 線 圖 顯 示，12DI/8DO電容器饋線P3U30速斷、過流、過負荷、低電壓、過電壓、不平衡保護、單相接地保護、熔斷器熔斷報警IEC-61850，單 線 圖 顯 示，12DI/8DO母聯P143速斷、過流、充電保護、合環保護、同期檢測功能、快速備自投IEC-61850，單 線 圖 顯 示，16DI/8DO柴油發電機P3G32差動、延時速斷、過流、零序過流、逆功率、低電壓、過電壓、負序過流IEC-61850，單線圖顯 示，12DI/8DO04電壓、電流、功率、頻率、熱過負荷等保護專門的電機保護可集成弧光保護8段自定義保護靈活的電壓通道檢同期功能靈活的串口和以

6、太網口通訊接口全面的通訊規約 IEC-61850 Ed.1&Ed.2，DNP3.0,DNP3 以太網,ModbusTCP/IP,Modbus RTU,IEC60870-5-101/103，Ether-net IP,DeviceNet,Profibus,SPA-bus不同規約可通過菜單進行靈活切換冗余 RSTP,PRP電壓、電流、功率、電度諧波測量電壓驟升驟降向量圖監視12個月的電量統計值事件記錄、故障記錄和故障錄波大液晶，可顯示主接線圖簡單直觀的維護軟件，綠色免安裝智能APPWeb訪問虛擬模擬測試儀，提高調試維護效率可集成到各種監控系統全面的保護功能強大的通訊功能完善的測量記錄功能友好的用戶接

7、口05電子廠房采用常規定時限級差配合的過電流保護實現保護的選擇性，級差配合的原則是過流保護的設定需要確保距離故障點最近的保護最先動作，其他的保護設有充足的延時防止誤動作，如果距離故障點最近的保護拒動，如果級差配合正確，則由上一級的保護動作，以此類推直到電源點，從而可以盡可能地減少受影響的廠站。過流保護通常有三段，無時限電流速斷保護(I 段)按躲開相鄰線路的首端短路電流整定。保護簡單，能瞬時動作，但不能保護線路全長，且保護范圍受運行方式影響大，不能單獨作為線路的主保護。帶時限電流速斷保護(II 段)按相鄰線路的無時限電流速斷保護整定，動作時限比相鄰線路的無時限電流速斷保護的固有時間大一個時間級差

8、。它能保護線路的全長，靈敏性較好，但速動性較差。定時限過電流保護(III 段)按躲開線路最大負荷電流整定，時限比相鄰線路中過流保護中的最大動作時間大一個時限級差。它能保護線路的全長，也能保護相鄰線路的全長，可起到遠后備保護的作用?；陔娮訌S房的系統特點，遵循下述設計原則提供電子廠房保護方案的設計:三.保護系統級差配合設計可根據需求定制保護和控制邏輯直觀監視實時邏輯圖動態著色圖形化邏輯編程保護的可靠性保護的選擇性保護的靈敏性保護的快速性06為了保證選擇性，相鄰保護裝置之間需設置時間級差，時間級差考慮分四個部分:t=TCB+TR1+TR2-+TM TCB:斷 路 器 最 大 動 作 時 間(從 接

9、 受 到 保 護 動 作 信號 到 滅 弧 完 成);TR1+:后(下)級保護動作可能的滯后延時誤差;TR2-:前(上)級保護動作可能的超前延時誤差;TM:裕度。實際工程中一般按 0.3 秒級差。隨著斷路器和保護裝置的動作時間越來越快，也可按 0.2 秒進行級差。電子廠房由于供電系統復雜，電壓等級繁多，各種變壓器、電動機上電時有比較大的沖擊電流，使得系統中保護定值的配合比較復雜，實際運行過程中由于定值失配發生越級跳閘導致停電范圍擴大的事故時有發生，對系統的連續穩定運行造成了很大影響。ETAP 作為電力系統專業的計算分析軟件，在進行多種運行工況潮流和短路計算的基礎上，可以對全廠范圍內的過流保護定

10、值進行全面精準的分析評估，并能根據評估的結果給出合理的配合方案。通過電流時間曲線圖直觀地展示出各級過流保護的定值和動作特性曲線，保證保護能夠可靠地躲開沖擊性的電流，實現故障選擇性隔離。圖 2 過流保護級差配合曲線圖07眾所周知，傳統的過流保護存在速動性與選擇性的矛盾，如故障點距主變電所越近，短路電流越大，跳閘時間應越短越好，但為了保證選擇性，過流保護動作時限反而越長，為滿足選擇性，需犧牲速動性。對于難以實現時間級差配合或過流保護的動作時間太長的廠站，為了實現故障快速選擇性隔離，簡化過流保護的時間級差配合，上下游保護裝置可以傳輸過流保護的動作信號，應用閉鎖邏輯方案。閉鎖邏輯方案是利用下游保護裝置

11、檢測到故障電流時保護元件啟動觸發的輸出接點來閉鎖上游過流保護元件動作，因此，上游和下游的過流保護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 中對于保護裝置 C 處的故障，C 的過流保護啟動輸出接點將閉鎖保護裝置 B 的過流保護動作，而 B 的過流保護啟動輸出接點也將閉鎖保護裝置 A 的過流保護動作。這三個保護裝置可以采用相同的過流保護門檻值和延時整定，通過閉鎖信號選擇最靠近故障的保護裝置跳閘出口。上下游之間保護裝置信號的傳輸可以采用硬接線或者架構于以太網通訊 網絡上的 IEC-61850 GOOSE 服務。低 壓 系 統 通 常 采 用 集 成 在 框 架

12、 斷 路 器 中 的 脫 扣 器 實 現 低 壓 208V/380V/440V(480)回路的速斷、過流、過載和接地保護。其保護原理是通過斷路器的電流超出脫扣器規定的電流值時，過流脫扣器繞組圖 3 閉鎖邏輯方案08最后，ETAP 的仿真功能會仿真系統各種故障，并根據最終確定的過流保護配合方案確定的保護定值列出保護動作的時序，從而對各種預想事故下保護的級差配合進行充分驗證，保證故障的真正選擇性隔離。圖 4 過流保護級差配合仿真驗證通過從全廠系統的角度合理的設計和仿真驗證，使中低壓系統的過流保護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，為電力系統的安全穩定運行保駕護航。的電流增大，銜

13、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在反力彈簧的作用下斷開，切斷故障電路，起到保護的目的。所以低壓脫扣器的過流保護的機理并不同于微機型過流保護，其電流時間動作特性曲線并不是一條線，而是帶狀區域，如上圖 1 可以直觀看出二者的差異。因此，在保護可靠性和靈敏度要求高，過流保護級差配合復雜的應用場合，采用微機型過流保護 Easergy P1，動作精度高，易于實現級差配合。另外由于微機型過流保護和一次斷路器獨立，調試維護都十分靈活方便，尤其適用于對安全可靠性和連續性運行要求高的領域。09為了

14、保證供電的可靠性，電子廠房供電系統設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構供電，兩路電源同時工作、互為備用。應急柴油發電機輸出兩路電源在 20kV 應急母線和市電并入。正常情況下由兩路 20 kV 市電電源分別向兩段母線包括應急母線同時供電，當兩路市電均失電時，由應急柴油發電機向兩段應急母線供電。在以上各種不同的運行工況下，不同供電電源之間的切換需要采用自動控制的方式完成，市電恢復時，進入合環倒閘環節，應急母線段切換回由市電供電，從而從每個環節保證供電的安全可靠性。如何設計好 20kV 側的自動控制系統成為電子廠房供電系統的重要部分。由于電子廠房自動控制的控制

15、場景復雜，控制要求高，有時為了防止突加負載導致電網沖擊或應急柴發宕機，需具備負載順序加載的功能，自動控制器需要采集的信號比較多，如果采用傳統的硬接線則二次回路的接線復雜，需要大量的電纜，系統的調試和維護很不方便，而且如果變更方案需要重新更改接線，不利于系統的連續可靠運行。隨著電力系統數字化和智能化的發展，可以通過以太網實現信號的快速傳輸。建立在以太網通信鏈路基礎上的 IEC-61850 設備就是采用以太網通信，所有的設備共四.基于IEC-61850 GOOSE的自動控制解決方案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荷，另一路市電電源恢復情況 二路市電失電市

16、電恢復母線故障控制應具備通訊接口，與電力監控通信市電電源向備用電源的切換時間小于 100ms10享網絡，各間隔設備只需監視本間隔開關位置和保護跳閘等信號的變化，并通過基于優先快速傳輸的 GOOSE 服務告知同一網絡的其他設備自身信號的變化，從而替代了傳統變電站通過空接點和開入硬接線的方式進行信號的傳輸，不但節約了大量的電纜，簡化二次回來的接線，方便系統的調試和維護，而且可以靈活變更方案而不需要重新更改接線，保證系統的連續可靠運行。為了保證基于 GOOSE 的自動控制方案的可靠性，確保沒有數據丟失，一方面 IEC-61850 規約采用快速重復發送機理避免信息丟失;另一方面 IEC-61850 使

17、用網絡冗余，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 的 HSR/PRP，它完全兼容 IEC-61850 的要求，可以達到 0 秒的網絡自愈時間，保證無數據丟失。HSR 通常用在環形冗余網路拓撲架構中，PRP 通常用在雙星型冗余網絡拓撲架構中。在冗余網絡架構下，即使一個網絡出現故障，仍有另一套網絡及設備的冗余端口是正常工作的，0 秒切換，網絡可無延時自愈?；谌哂嘁蕴W HSR/PRP 的 IEC-61850 GOOSE 是電子廠房自動控制方案的理想選擇。系統需要監視的市電進線、柴發進線、母聯的開關位置和保

18、護動作情況，各進線和各母線電壓有無等大量的信號和控制命令通過 IEC-61850 GOOSE 傳輸簡單、可靠、智 能、靈活、高效。自動控制系統配置如下圖 5 所示:每段市電進線和柴發進線和饋線各配置一臺綜合保護 P3U30 作為各自間隔的保護，母聯配置 P143 兼做母聯保護和自動控制器，每組電源的所有裝置通過冗余光纖環網相連，利用 IEC-61850 的 GOOSE 服務實現組內各間隔開關位置、進線/母線有壓無壓、保護跳閘等信息的高速共享。下面以不帶負載順序加載的方案為例來說明自動控制方案各種控制場景的控制時序。2.自動控制方案配置11圖 5 20kV 自動控制方案配置圖3.自動控制說明正常

19、運行模式正常情況下，互為備用的兩路 20kV 市電電源同時工作，母聯斷路器處于分位，市電進線斷路器和母聯斷路器間設電氣聯鎖，正常運行時只能有兩個斷路器處于合閘狀態(該聯鎖可手動解除)。20kV 應急母線段和市電母線段間設母聯斷路器，應急進線斷路器和母聯斷路器間設電氣聯鎖，正常運行時只能有兩個斷路器處于合閘狀態(該聯鎖可手動解除)，應急柴油發電機處于停機狀態，柴油發電機進線斷路器斷開，市電斷路器和母聯斷路器閉合，由市電向應急母線供電。一路市電失電場景正常運行方式下(兩路市電正常，兩路市電進線斷路器合位，兩路市電之間的母聯斷路器分位;兩路柴發進線斷路器分位，市電母線和應急母線之間的母聯斷路器合位)

20、，控制器進行充電，充電完成后，控制器準備就緒。當一路市電失電時(失電段母線無壓，失電進線無流)，跳開失電進線斷路器，確認失電段母線進線斷路器分位后，合母聯斷路器。單路市電帶兩段母線負荷，另一路市電電源恢復情況單路市電帶兩段母線運行方式下(一路市電進線斷路器合位、兩路市電間母聯斷路器合位，另一路市電進線斷路器分位)，當另一路市電進線恢復供電(另一路市電進線有壓)，延時跳開母聯斷路器，確認母聯斷路器分位后，合另一路市電進線斷路器。12兩路市電均失電場景當檢測到兩路市電均失電(母線無壓，進線無流)，跳開兩路市電進線斷路器和母聯斷路器，延時 5s 向柴油發電機系統發送開機信號，柴油發電機啟動，并機成功

21、后，當檢測到柴發進線有壓，斷開應急母線段和市電母線段間的母聯斷路器，確認柴發進線斷路器分位、應急母線段和市電母線段間的母聯斷路器分位，合柴發進線斷路器，由柴油發電機向各配電所的應急母線供電?；謴褪须姽╇娫趹辈裼桶l電機供電模式下，當檢測到市電恢復時(市電進線有壓)，經檢同期后，手動解除兩進線斷路器和母聯斷路器的聯鎖，先閉合母聯斷路器，此時，市電和柴油發電機處于并列運行狀態，然后延時 5s，斷開應急母線柴油發電機電源進線斷路器，配電所內的應急母線切換為市電供電，同時手動向柴油發電機系統發送停機信號，柴油發電機延時10s 自動停機。母線故障情況當系統處于正常運行狀況下，若母線發生故障，則相應的進線

22、保護裝置會動作，并發出進線保護動作信號，控制器收到該信號后，跳開故障母線上的所有斷路器。然后由值班人員按預設方案手動完成檢修。合環倒閘操作當一條母線檢修維護時，為了保證供電連續性，需要進行合環倒閘操作。合環倒閘需 要進行同期檢測，倒閘操作的順序是手動解除兩路進線斷路器和母聯斷路器間的電氣聯鎖，手動閉合母聯斷路器，手動斷開檢修維護側電源進線斷路器;恢復操作順序相反，手動閉合檢修維護側電源進線斷路器，手動斷開母聯斷路器，手動恢復兩路進線斷路器和母聯斷路器間的電氣聯鎖。13電子廠房對供電的連續性、可靠性要求非常高，基于 ETAP 保護級差配合分析和仿真 驗 證的全廠過流保護設計和基于智能綜合保護裝置

23、 IEC-61850 光纖冗余環網的自動控制 系統為電子廠房的安全可靠連續運行提供了有力的保障。五.結論本手冊采用生態紙印刷客戶關愛中心熱線：400 810 1315施耐德電氣（中國）有限公司Schneider Electric(China)Co.,Ltd北京朝陽區望京東路6號施耐德電氣大廈郵編：100102電話：(010)8434 6699傳真：(010)8450 1130Schneider Electric Building,No.6,East Wangjing Rd.,Chaoyang DistrictBeijing 100102 P.R.C.Tel:(010)8434 6699Fax：(010)8450 1130www.schneider-由于標準和材料的變更，文中所屬性和本資料中的圖像只有經過我們的業務部門確認以后，才對我們有約束ECATA10682019 11