★ 大唐佛山热电有限责任公司 王庭筠

关键词：启备变主供；厂用电系统；运行方式调整；经济性提升；快速切换

对于电厂安全、稳定运行而言，厂用电系统十分重要，内部的供电方式对机组运行的可靠性和整体经济性会造成直接影响 [1]。在常规运行模式下，厂用电通常由机组自发电承担，启备变仅在机组启动或异常工况下投入运行。这种运行方式十分适合在煤电机组中应用。然而，在天然气发电机组的运行场景中，上网电价机制的变化对系统的经济合理性造成了严重制约。

近年来，部分电厂尝试在特定运行阶段采用启备变供电，但多集中于启动或短期运行，缺乏针对长期启备变主供条件下的系统性设计与应用验证。本文结合天然气发电厂实际运行需求，从工程应用角度出发，对以启备变为主供电源的厂用电系统进行设计与实现，并通过实际运行数据对其经济性和运行效果进行分析，旨在为类似电厂运行方式优化提供参考。

1   以启备变为主供电源的厂用电系统硬件设计

为调整厂用电系统运行方式，本研究重新组合与配置厂用电一次、二次及切换相关硬件，构建了一种以启备变为主供电源、机组自发电为备用电源的厂用电系统硬件架构。我们在保持原有安全冗余的前提下，对硬件层面进行优化配置，从而使其能够更好地分析异常工况，在故障发生时可以进行快速切换，满足长期启备变供电的运行需求。系统硬件架构如图1所示。

图1 以启备变为主供电源的厂用电系统硬件架构

1.1   启备变及高压厂用电供电单元配置

启备变采用SFFZ-63000/220型有载调压电力变压器，其高压侧电压等级为220kV，低压侧为10.5kV，具备较强的短时过载能力， 能够覆盖机组启动、停机及稳定运行阶段的厂用电负荷需求。

在一次接线方面，启备变低压侧直接接入10kV厂用电母线， 取消仅用于启动阶段的临时接线方式，转变为长期带负荷运行结构。母线段采用单母线分段接线形式，每段母线分别供给锅炉辅机、电气辅机及公用系统负荷，通过母联断路器实现必要的运行调整。高压断路器选用LW36-252型SF6断路器，满足频繁投退运行工况下的可靠分合闸要求。

为适应启备变长期作为主电源运行的特点，我们在启备变低压侧配置了JDZXW-10电压互感器和LZZBJ9-10电流互感器组合单元，确保了厂用电系统在非传统运行方式下，仍可获得完整、连续的电气信息支持。

1.2   机组自发电备用电源及并联系统硬件构成

本设计将机组自发电系统由“主供电源”转变为“备用电源”，因此它的硬件功能定位随之发生变化，但仍需保持随时可投入运行的能力。机组出口电压等级为10.5kV，通过QF-10型发电机出口断路器接入厂用电系统备用母线，形成与启备变供电母线并列的双电源结构[2]。

在硬件布置上，发电机出口与厂用电母线之间设置独立的备用电源进线柜，柜内集成断路器、隔离开关及测量回路，对功能单元进行模块化设计，便于运行维护及状态检修。发电机出口断路器能够快速合闸，在接收到切换指令后可在较短时间内完成电源投入， 为厂用电系统提供连续供电条件。

考虑到机组自发电长期处于备用状态，为防止设备长期静置导致性能下降，本研究通过备用母线与部分重要负荷之间的硬连接，确保发电机在非紧急状态下也带来的可靠性隐患。

在机组自发电备用电源侧同样配置完整的电压、电流采样装置，与启备变侧保持一致的数据接口标准，保证在电源切换过程中，两侧电源状态信息能够被同步识别和处理。

1.3   快速切换装置及厂用电关键负荷接入单元

为保证在启备变供电异常时厂用电系统能够迅速切换至机组自发电电源，本研究在两路电源之间设置专用快速切换装置。该切换装置选用深圳市国立智能电力科技有限公司生产的SID-8BT-A厂用电快速切换装置，可实时监测双电源状态，并能快速执行切换逻辑，控制断路器输出信息。

在快速切换装置内部分别接入启备变进线柜和机组备用进线柜的电压、电流回路，并通过硬接点方式与两侧断路器控制回路相连。装置本体内部集成高速采样模块和继电输出模块，可减少外部中间环节。切换装置安装于厂用电保护屏内，与原有厂用电保护装置物理隔离，避免相互干扰。

厂用电系统中给水泵、润滑油系统及控制电源等关键负荷对供电连续性要求较高，因此本研究在硬件接入层面采取了“优先切换、优先恢复”的配置方式。这些负荷通过独立馈线柜接入厂用电母线，馈线断路器选用ZN63A(VS1)-12型真空断路器，其可以提高机械寿命和电气寿命，适合在电源切换过程中频繁动作。

2   以启备变为主供电源的厂用电系统软件设计

2.1   电源运行状态判别与主备关系固化逻辑

对启备变供电状态进行持续判别，以保证其在长期主供运行条件下的稳定性[3]。设启备变低压侧母线电压的瞬时有效值为ub(t)，其额定电压为un，则电压偏差系数定义为式（1）：

其中，通过衡量启备变供电质量的偏离程度。对参数进行周期性计算，与预先设定的允许阈值b  max进行比较。当时，系统判定启备变供电状态满足厂用电运行要求，主供电源属性保持不变，机组自发电系统维持备用待命状态。

启备变主供不需要通过人工强制锁定实现，其利用持续的运行状态判别就可以在软件层面加以固化。这种处理方式保证了启备变在电压轻微波动、短时负荷变化等正常运行条件下不会引发不必要的电源切换。

2.2   异常工况识别与切换触发判定机制

当启备变供电状态发生异常时，必须在极短时间内完成异常识别并向快速切换装置发出切换指令。异常识别不仅依赖单一电压参数， 而是结合母线电压、电源可用性及持续时间进行综合判断。设启备变电源可用状态函数为sb (t)，其中sb(t) = 1表示电源可用， sb (t) = 0表示电源不可用。

为避免瞬时扰动引发误动作， 本研究引入持续判别时间窗口Tc，在时间窗口内对启备变状态进行累积判断。定义异常判别量Ab为式（2）：

当Ab  = Tc 时， 表示在整个判别窗口内启备变电源均处于不可用状态，系统确认启备变供电异常成立。当软件系统向快速切换装置输出切换允许信号，进入备用电源投入流程。

2.3   备用电源投入顺序与厂用电负荷恢复控制

在确认启备变供电异常后，软件系统进入备用电源投入与负荷恢复阶段。由于机组自发电系统长期处于备用状态， 其并入厂用电母线前需满足一定的同步与稳定条件[4]。因此通过采集机组发电机出口电压与厂用电母线电压um，计算两者之间的电压匹配程度。

定义电压匹配系数17为式（3）：

其中，n7反映备用电源与厂用电母线之间的电压偏差水平。当n  飞 nmax时，软件系统判定机组自发电电源具备投入条件，并允许快速切换装置执行断路器合闸操作。

在负荷恢复过程中， 系统通过对关键厂用电负荷母线状态的整体监测，确认负荷恢复是否完成。若在备用电源投入后厂用电母线电压um恢复至允许范围内，并保持稳定运行一段预设时间，系统即判定厂用电系统已完成应急供电状态切换，进入备用供电稳定运行阶段。

2.4   主供电源恢复与运行方式回切策略

当启备变供电条件恢复后，软件系统并不立即触发电源回切， 而是通过对启备变状态的重新评估，确认其具备长期主供运行能力。在恢复判别阶段， 系统重新计算电压偏差系数，并对其在连续时间段内的稳定性进行监测。只有当启备变供电状态在设定时间内持续满足运行要求，系统才允许执行回切操作[5]。

回切过程中， 系统要优先保证厂用电负荷的连续性，控制逻辑遵循并联回切的原则。通过这种方式， 厂用电系统在经历异常、切换和恢复全过程后， 最终回归以启备变为主供电源、机组自发电为备用的正常运行结构，实现运行方式的闭环管理。

3   应用效果研究

3.1   应用背景与运行条件

本系统依托大唐佛山热电有限责任公司开展工程化应用。该电厂装机容量为2×400MW，厂用电系统电压等级为10kV，原运行方式为机组自发电承担厂用电负荷， 启备变仅在机组启动及异常工况下投入运行。受天然气发电上网电价较高及厂用电规模较大的影响，厂用电长期由机组自供在经济性方面存在明显制约。

本研究在不改变原有一次系统结构、不新增大容量电气设备的前提下，对厂用电系统运行方式进行调整，将启备变由备用电源调整为长期主供电源， 机组自发电系统转为厂用电备用电源， 并配置相应的软件控制与快速切换逻辑。应用期间机组负荷、运行环境及厂用电负荷结构保持稳定。

3.2   经济性应用效果分析

在运行方式调整前，厂用电电量全部由机组自发电承担，对应电价按照机组上网电价折算；调整后，厂用电主要由启备变从电网侧取电供给， 机组自发电电量则全部用于对外上网。

系统应用前后厂用电经济性对比结果如表1所示。

表1 厂用电运行方式调整前后经济性对比

从表中可以看出，在厂用电电量不变的情况下，启备变主供方式显著降低了厂用电单位成本， 年厂用电直接支出减少约1248万元。同时，由于机组自发电不再承担厂用电负荷， 等量电量转化为上网电量，进一步带来了额外收益。综合计算后， 系统投运后年综合经济收益超过1500万元，经济性提升效果明显。

3.3   厂用电运行稳定性对比分析

为了分析系统的运行稳定性，我们选取系统应用前后连续12个月的运行数据， 对10kV厂用电母线电压进行统计。

两种运行方式下厂用电母线电压月平均值变化情况如图2所示。

图2 不同运行方式下厂用电母线电压变化对比

从图2可以看出， 启备变主供方式下厂用电母线电压整体水平与传统运行方式保持一致，平均值分别为10.21kV和10.19kV，差异仅为0.02kV。更重要的是，启备变主供方式下的电压波动幅值明显减小，标准差为0.09kV，相比传统方式的0.15kV降低了40%。

在夏季高负荷月份（7～8月），传统运行方式下电压最低降至9.9kV，而启备变主供方式下最低电压仍维持在10.0kV以上，电压支撑能力提升约1%。在冬季负荷高峰期（12月～次年2月），启备变主供方式的电压稳定性优势更为明显，波动范围控制在±0.1kV以内， 有效降低了因电压波动导致的设备运行风险。这些数据充分验证了启备变主供方式在保持电压水平的同时，显著提高了厂用电系统的运行稳定性。

3.4   电源切换与供电可靠性验证

为了验证系统在异常工况下的供电可靠性，我们在应用期间对启备变侧失压场景进行统计分析。切换过程中厂用电母线电压变化曲线如图3所示。

从图3的电压响应曲线分析可以看出，在启备变供电异常发生后（1.0秒时刻），厂用电母线电压从正常运行值10.3kV迅速下降，经历0.2秒后降至最低值6.0kV， 电压暂降深度为41.7%。随后在备用电源投入前（1.0～1.5秒区间），电压保持在6.0±0.2kV的稳定范围内，未出现持续下跌趋势。

图3 启备变异常工况下厂用电母线电压响应曲线

备用电源成功投入后，电压迅速恢复至10.2kV，恢复速率达到21kV/秒， 整个切换过程总持续时间仅为200ms。统计数据显示，关键负荷的最低耐受电压为5.5kV，本次切换过程中最低电压6.0kV高于此阈值约9.1%，确保了关键设备未发生失电跳闸。此外，电压恢复后的波动幅度控制在±0.1kV以内，远低于设备允许的±0.5kV波动范围，证明了切换逻辑的合理性和备用电源投入的快速性。

4   结束语

本文围绕大唐佛山热电有限责任公司发电机组运行经济性提升的需求，研究并实现了一种以启备变为主供电源的厂用电系统。该系统通过对厂用电一次系统关键设备的合理配置，以及电源状态判别与快速切换控制逻辑的软件设计，实现了启备变长期主供、机组自发电备用的运行方式调整。实际运行结果表明，在厂用电电量保持不变的情况下，启备变主供方式显著降低了厂用电综合成本，同时释放了机组自发电上网电量空间，取得了可观的经济收益。相关研究成果可为天然气发电厂及类似电源结构电厂的厂用电运行优化提供工程实践参考。

作者简介：

王庭筠（1989-），男，河北张家口人，高级技师，学士，现就职于大唐佛山热电有限责任公司，研究方向为电力系统继电保护。

参考文献：

[1] 吕子佥, 胡海涛, 杨凯, 等. 基于背靠背变流器的牵引变电所群供电系统负序集中补偿方案[J]. 电力自动化设备, 2025 (2) : 143 - 149.

[2] 薛劭帅, 蔡宗平, 李庆, 等. 基于超级电容辅能的电动微耕机复合电源系统研究与试验[J]. 西南大学学报: 自然科学版, 2023, 45 (2) : 179 - 191.

[3] 夏于洋, 李青, 张锦涛, 等. 模块化紧凑型高压电源系统的研制[J]. 电力电子技术, 2024, 58 (4) : 5 - 7.

[4] 耿立卓, 郝雪, 贺建明, 等. 基于改进型FPGA的通信电源管理系统设计与仿真[J]. 微型电脑应用, 2023, 39 (3) : 87 - 90.

[5] 田金虎, 汪金刚, 徐郁, 等. 计及互感器融合偏差的变电站站用电剩余电流监测系统研究[J]. 电工电能新技术, 2024, 43 (8) : 69 - 77.

摘自《自动化博览》2026年3月刊