★ 大唐佛山熱電有限責任公司 王庭筠

關鍵詞：啟備變主供；廠用電系統；運行方式調整；經濟性提升；快速切換

對于電廠安全、穩定運行而言，廠用電系統十分重要，內部的供電方式對機組運行的可靠性和整體經濟性會造成直接影響 [1]。在常規運行模式下，廠用電通常由機組自發電承擔，啟備變僅在機組啟動或異常工況下投入運行。這種運行方式十分適合在煤電機組中應用。然而，在天然氣發電機組的運行場景中，上網電價機制的變化對系統的經濟合理性造成了嚴重制約。

近年來，部分電廠嘗試在特定運行階段采用啟備變供電，但多集中于啟動或短期運行，缺乏針對長期啟備變主供條件下的系統性設計與應用驗證。本文結合天然氣發電廠實際運行需求，從工程應用角度出發，對以啟備變為主供電源的廠用電系統進行設計與實現，并通過實際運行數據對其經濟性和運行效果進行分析，旨在為類似電廠運行方式優化提供參考。

1   以啟備變為主供電源的廠用電系統硬件設計

為調整廠用電系統運行方式，本研究重新組合與配置廠用電一次、二次及切換相關硬件，構建了一種以啟備變為主供電源、機組自發電為備用電源的廠用電系統硬件架構。我們在保持原有安全冗余的前提下，對硬件層面進行優化配置，從而使其能夠更好地分析異常工況，在故障發生時可以進行快速切換，滿足長期啟備變供電的運行需求。系統硬件架構如圖1所示。

圖1 以啟備變為主供電源的廠用電系統硬件架構

1.1   啟備變及高壓廠用電供電單元配置

啟備變采用SFFZ-63000/220型有載調壓電力變壓器，其高壓側電壓等級為220kV，低壓側為10.5kV，具備較強的短時過載能力， 能夠覆蓋機組啟動、停機及穩定運行階段的廠用電負荷需求。

在一次接線方面，啟備變低壓側直接接入10kV廠用電母線， 取消僅用于啟動階段的臨時接線方式，轉變為長期帶負荷運行結構。母線段采用單母線分段接線形式，每段母線分別供給鍋爐輔機、電氣輔機及公用系統負荷，通過母聯斷路器實現必要的運行調整。高壓斷路器選用LW36-252型SF6斷路器，滿足頻繁投退運行工況下的可靠分合閘要求。

為適應啟備變長期作為主電源運行的特點，我們在啟備變低壓側配置了JDZXW-10電壓互感器和LZZBJ9-10電流互感器組合單元，確保了廠用電系統在非傳統運行方式下，仍可獲得完整、連續的電氣信息支持。

1.2   機組自發電備用電源及并聯系統硬件構成

本設計將機組自發電系統由“主供電源”轉變為“備用電源”，因此它的硬件功能定位隨之發生變化，但仍需保持隨時可投入運行的能力。機組出口電壓等級為10.5kV，通過QF-10型發電機出口斷路器接入廠用電系統備用母線，形成與啟備變供電母線并列的雙電源結構[2]。

在硬件布置上，發電機出口與廠用電母線之間設置獨立的備用電源進線柜，柜內集成斷路器、隔離開關及測量回路，對功能單元進行模塊化設計，便于運行維護及狀態檢修。發電機出口斷路器能夠快速合閘，在接收到切換指令后可在較短時間內完成電源投入， 為廠用電系統提供連續供電條件。

考慮到機組自發電長期處于備用狀態，為防止設備長期靜置導致性能下降，本研究通過備用母線與部分重要負荷之間的硬連接，確保發電機在非緊急狀態下也帶來的可靠性隱患。

在機組自發電備用電源側同樣配置完整的電壓、電流采樣裝置，與啟備變側保持一致的數據接口標準，保證在電源切換過程中，兩側電源狀態信息能夠被同步識別和處理。

1.3   快速切換裝置及廠用電關鍵負荷接入單元

為保證在啟備變供電異常時廠用電系統能夠迅速切換至機組自發電電源，本研究在兩路電源之間設置專用快速切換裝置。該切換裝置選用深圳市國立智能電力科技有限公司生產的SID-8BT-A廠用電快速切換裝置，可實時監測雙電源狀態，并能快速執行切換邏輯，控制斷路器輸出信息。

在快速切換裝置內部分別接入啟備變進線柜和機組備用進線柜的電壓、電流回路，并通過硬接點方式與兩側斷路器控制回路相連。裝置本體內部集成高速采樣模塊和繼電輸出模塊，可減少外部中間環節。切換裝置安裝于廠用電保護屏內，與原有廠用電保護裝置物理隔離，避免相互干擾。

廠用電系統中給水泵、潤滑油系統及控制電源等關鍵負荷對供電連續性要求較高，因此本研究在硬件接入層面采取了“優先切換、優先恢復”的配置方式。這些負荷通過獨立饋線柜接入廠用電母線，饋線斷路器選用ZN63A(VS1)-12型真空斷路器，其可以提高機械壽命和電氣壽命，適合在電源切換過程中頻繁動作。

2   以啟備變為主供電源的廠用電系統軟件設計

2.1   電源運行狀態判別與主備關系固化邏輯

對啟備變供電狀態進行持續判別，以保證其在長期主供運行條件下的穩定性[3]。設啟備變低壓側母線電壓的瞬時有效值為ub(t)，其額定電壓為un，則電壓偏差系數定義為式（1）：

其中，通過衡量啟備變供電質量的偏離程度。對參數進行周期性計算，與預先設定的允許閾值b  max進行比較。當時，系統判定啟備變供電狀態滿足廠用電運行要求，主供電源屬性保持不變，機組自發電系統維持備用待命狀態。

啟備變主供不需要通過人工強制鎖定實現，其利用持續的運行狀態判別就可以在軟件層面加以固化。這種處理方式保證了啟備變在電壓輕微波動、短時負荷變化等正常運行條件下不會引發不必要的電源切換。

2.2   異常工況識別與切換觸發判定機制

當啟備變供電狀態發生異常時，必須在極短時間內完成異常識別并向快速切換裝置發出切換指令。異常識別不僅依賴單一電壓參數， 而是結合母線電壓、電源可用性及持續時間進行綜合判斷。設啟備變電源可用狀態函數為sb (t)，其中sb(t) = 1表示電源可用， sb (t) = 0表示電源不可用。

為避免瞬時擾動引發誤動作， 本研究引入持續判別時間窗口Tc，在時間窗口內對啟備變狀態進行累積判斷。定義異常判別量Ab為式（2）：

當Ab  = Tc 時， 表示在整個判別窗口內啟備變電源均處于不可用狀態，系統確認啟備變供電異常成立。當軟件系統向快速切換裝置輸出切換允許信號，進入備用電源投入流程。

2.3   備用電源投入順序與廠用電負荷恢復控制

在確認啟備變供電異常后，軟件系統進入備用電源投入與負荷恢復階段。由于機組自發電系統長期處于備用狀態， 其并入廠用電母線前需滿足一定的同步與穩定條件[4]。因此通過采集機組發電機出口電壓與廠用電母線電壓um，計算兩者之間的電壓匹配程度。

定義電壓匹配系數17為式（3）：

其中，n7反映備用電源與廠用電母線之間的電壓偏差水平。當n  飛 nmax時，軟件系統判定機組自發電電源具備投入條件，并允許快速切換裝置執行斷路器合閘操作。

在負荷恢復過程中， 系統通過對關鍵廠用電負荷母線狀態的整體監測，確認負荷恢復是否完成。若在備用電源投入后廠用電母線電壓um恢復至允許范圍內，并保持穩定運行一段預設時間，系統即判定廠用電系統已完成應急供電狀態切換，進入備用供電穩定運行階段。

2.4   主供電源恢復與運行方式回切策略

當啟備變供電條件恢復后，軟件系統并不立即觸發電源回切， 而是通過對啟備變狀態的重新評估，確認其具備長期主供運行能力。在恢復判別階段， 系統重新計算電壓偏差系數，并對其在連續時間段內的穩定性進行監測。只有當啟備變供電狀態在設定時間內持續滿足運行要求，系統才允許執行回切操作[5]。

回切過程中， 系統要優先保證廠用電負荷的連續性，控制邏輯遵循并聯回切的原則。通過這種方式， 廠用電系統在經歷異常、切換和恢復全過程后， 最終回歸以啟備變為主供電源、機組自發電為備用的正常運行結構，實現運行方式的閉環管理。

3   應用效果研究

3.1   應用背景與運行條件

本系統依托大唐佛山熱電有限責任公司開展工程化應用。該電廠裝機容量為2×400MW，廠用電系統電壓等級為10kV，原運行方式為機組自發電承擔廠用電負荷， 啟備變僅在機組啟動及異常工況下投入運行。受天然氣發電上網電價較高及廠用電規模較大的影響，廠用電長期由機組自供在經濟性方面存在明顯制約。

本研究在不改變原有一次系統結構、不新增大容量電氣設備的前提下，對廠用電系統運行方式進行調整，將啟備變由備用電源調整為長期主供電源， 機組自發電系統轉為廠用電備用電源， 并配置相應的軟件控制與快速切換邏輯。應用期間機組負荷、運行環境及廠用電負荷結構保持穩定。

3.2   經濟性應用效果分析

在運行方式調整前，廠用電電量全部由機組自發電承擔，對應電價按照機組上網電價折算；調整后，廠用電主要由啟備變從電網側取電供給， 機組自發電電量則全部用于對外上網。

系統應用前后廠用電經濟性對比結果如表1所示。

表1 廠用電運行方式調整前后經濟性對比

從表中可以看出，在廠用電電量不變的情況下，啟備變主供方式顯著降低了廠用電單位成本， 年廠用電直接支出減少約1248萬元。同時，由于機組自發電不再承擔廠用電負荷， 等量電量轉化為上網電量，進一步帶來了額外收益。綜合計算后， 系統投運后年綜合經濟收益超過1500萬元，經濟性提升效果明顯。

3.3   廠用電運行穩定性對比分析

為了分析系統的運行穩定性，我們選取系統應用前后連續12個月的運行數據， 對10kV廠用電母線電壓進行統計。

兩種運行方式下廠用電母線電壓月平均值變化情況如圖2所示。

圖2 不同運行方式下廠用電母線電壓變化對比

從圖2可以看出， 啟備變主供方式下廠用電母線電壓整體水平與傳統運行方式保持一致，平均值分別為10.21kV和10.19kV，差異僅為0.02kV。更重要的是，啟備變主供方式下的電壓波動幅值明顯減小，標準差為0.09kV，相比傳統方式的0.15kV降低了40%。

在夏季高負荷月份（7～8月），傳統運行方式下電壓最低降至9.9kV，而啟備變主供方式下最低電壓仍維持在10.0kV以上，電壓支撐能力提升約1%。在冬季負荷高峰期（12月～次年2月），啟備變主供方式的電壓穩定性優勢更為明顯，波動范圍控制在±0.1kV以內， 有效降低了因電壓波動導致的設備運行風險。這些數據充分驗證了啟備變主供方式在保持電壓水平的同時，顯著提高了廠用電系統的運行穩定性。

3.4   電源切換與供電可靠性驗證

為了驗證系統在異常工況下的供電可靠性，我們在應用期間對啟備變側失壓場景進行統計分析。切換過程中廠用電母線電壓變化曲線如圖3所示。

從圖3的電壓響應曲線分析可以看出，在啟備變供電異常發生后（1.0秒時刻），廠用電母線電壓從正常運行值10.3kV迅速下降，經歷0.2秒后降至最低值6.0kV， 電壓暫降深度為41.7%。隨后在備用電源投入前（1.0～1.5秒區間），電壓保持在6.0±0.2kV的穩定范圍內，未出現持續下跌趨勢。

圖3 啟備變異常工況下廠用電母線電壓響應曲線

備用電源成功投入后，電壓迅速恢復至10.2kV，恢復速率達到21kV/秒， 整個切換過程總持續時間僅為200ms。統計數據顯示，關鍵負荷的最低耐受電壓為5.5kV，本次切換過程中最低電壓6.0kV高于此閾值約9.1%，確保了關鍵設備未發生失電跳閘。此外，電壓恢復后的波動幅度控制在±0.1kV以內，遠低于設備允許的±0.5kV波動范圍，證明了切換邏輯的合理性和備用電源投入的快速性。

4   結束語

本文圍繞大唐佛山熱電有限責任公司發電機組運行經濟性提升的需求，研究并實現了一種以啟備變為主供電源的廠用電系統。該系統通過對廠用電一次系統關鍵設備的合理配置，以及電源狀態判別與快速切換控制邏輯的軟件設計，實現了啟備變長期主供、機組自發電備用的運行方式調整。實際運行結果表明，在廠用電電量保持不變的情況下，啟備變主供方式顯著降低了廠用電綜合成本，同時釋放了機組自發電上網電量空間，取得了可觀的經濟收益。相關研究成果可為天然氣發電廠及類似電源結構電廠的廠用電運行優化提供工程實踐參考。

作者簡介：

王庭筠（1989-），男，河北張家口人，高級技師，學士，現就職于大唐佛山熱電有限責任公司，研究方向為電力系統繼電保護。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2026年3月刊