新廠區跨廠急電自動備援與復電技術探討

1.前言

於民國110年4月台南科學園區發生台電161kV供電環路停電事件，主因為台電南科超高壓變電所於新設系統加入工程期間，實施單環路供電，同時遭遇園區內工程誤損台電電力管線，致使該環路用戶停電，當下停電廠緊急發電機立即啟動，供應生命安全系統與部分廠務系統，不斷電系統也即時供應部分機台，但是經歷台電長時間停電搶修，仍導致無塵室環境改變、機台停產，造成晶圓報廢及停產損失。

既設廠區跨廠備援可分為市電與急電二種方式，其備援架構係將廠內高壓系統與他廠並聯。當發生台電停電時，廠內急電自動供應緊急負載，但仍需手動執行跨廠備援及復電，如圖1所示。本文將實現跨廠急電自動備援與復電功能，降低人為誤操作風險及縮短復電時程，透過自動加載控制恢復機台生產，提高發電機設備利用率。

圖1：既設跨廠備援架構

2.文獻探討

2.1 市電備援評估

依台電營業規章-第六章第一節第四十九條，不得擅自轉供電流至原供電範圍外^[1]。市電備援存在台電跨環路併聯風險，因無法掌握上游台電特高壓匯流排連絡斷路器狀態，故電力潮流不確定性，可能引發非預期事故，造成台電環路過載跳脫將引起更大範圍的停電風險。

2.2 急電備援評估

根據李尚懿遠距離緊急發電機群併聯研究，跨廠急電備援有助於改善發電機供電期間大型馬達啟動壓降，亦可以支援投入更多負載，於部分發電機故障時也達到互相支援的目的，降低停電對於廠區的衝擊^[2]。根據新廠區製程設備及先進製程需求演進的需求，未來滿載用電量預計179MW及UPS裝置充電耗能約11.9MW，評估新廠區急電高壓盤設計，聯絡盤開關及動力線、匯流排容量為2,500A。故單一廠發生停電事故，採用兩廠區急電備援，可支援停電廠區全廠復電，跨廠急電備援電力潮流分析，如圖2所示。

圖2：跨廠區急電備援電力潮流

3.研究方法

本研究探討既設廠區緊急發電機系統及電力監控系統，運用網路通訊及自動控制等技術進行系統整合。不僅解決假日與夜間停電時，因人力不足無法立即至現場操作問題，也改善支援廠同時停電時，未解除跨廠備援與切離一般性負載，而造成急電系統崩潰風險，避免全廠區停電影響生命安全系統與廠務系統。

3.1 緊急發電機系統整合

既設廠區緊急發電機系統於各控制群組皆配置一套可程式控制器（Programmable Logic Controller, PLC），本研究既設三廠區PLC共計九套。為了提高系統穩定性及降低整合風險，係規劃增設一套Master PLC作為跨廠緊急發電機系統整合，透過此PLC讀取各廠區資訊，進行跨廠區急電備援邏輯運算，統一調度各廠區發電機執行停電廠及支援廠應變，跨廠區緊急發電機PLC架構，如圖3所示。

圖3：跨廠區緊急發電機PLC架構

3.2 電力監控系統整合

既設各廠區電力監控系統係獨立運行，需要將各廠區供電狀態進行整合，根據廠區供電狀態作為自動復電與卸載判斷條件，考量廠區發生停電事故時，變電站大量數據同時上傳至電力監控主機，如採用電力監控主機直接整合，將影響急電備援邏輯運算及控制訊號傳輸速率，經評估系統效能、穩定性以及舊廠區不同廠牌系統整合，故各廠區增設一套急電備援前端處理器，採用國際標準電力監控系統通訊協定IEC 60870-5-104，其功能為跨廠區停電訊號及發電機備援資訊傳輸平台，同時可對於廠內變電站前端處理器進行控制與資料收集，如圖4所示。

圖4：急電備援前端處理機架構

3.3 急電備援情境

跨廠急電備援架構係採用三廠區作為研究方案，故依序以一廠、二廠及三廠進行停電事故模擬，透過執行各廠區市電停電及市電回併，急電備援系統自動判斷各廠發電機為停電廠或支援廠，經由自動控制備援開關投入或啟斷，改變發電機電力潮流供應方向，執行急電自救與急電備援。同時電力監控系統根據廠區供電狀況與急電備援條件，執行一般性負載自動復電及卸載，急電備援情境演練時序，如圖5所示。

圖5：急電備援情境演練時序圖

3.4 自動備援與復電邏輯

根據急電備援情境，各廠區需要同時具有停電、支援以及支援期間停電等功能，其功能執行係透過條件成立與邏輯運算組成，故針對各項功能需分別制訂自動備援與復電邏輯。邏輯執行條件係由發生停電開始，以單一廠停電二廠支援情境條件，三廠區發電機同時啟動並自動同步併聯，停電廠區發電機將優先自救急電負載，待支援廠與停電廠發電機併聯，停電廠重新計算併聯容量，分段進行一般性負載復電，如急電備援過程中支援廠區停電，將通知停電廠區切離一般性負載，以維持停電廠急電負載供應。當停電廠區完成市電回併，其發電機可立即加入支援，供應其他廠區復電，直至所有廠區皆為市電供電後，將跨廠備援開關啟斷並停止發電機，自動邏輯條件結束，如圖6所示。

圖6：自動備援與復電邏輯

3.5 測試程序與標準

為確保全黑測試成功導入跨廠急電自動備援與復電，於跨廠區動力線、通訊線與控制線拉設，Master PLC及前端處理器等硬體設備建置後，依序進行階段性功能測試，根據制訂之測試標準驗證其正確性和完整性，其中包含網路通訊連線、軟體訊號測試及程式邏輯模擬等，如表1所示。

4.結果分析

新廠區全黑測試將NH-100~400迴路執行市電停電時，停電廠及支援廠立即啟動發電機，45秒內停電廠區發電機自救緊急負載，90秒內急電備援開關投入，支援廠發電機供應一般性負載復電，同時依序模擬支援廠無預警停電，於一廠停電、二廠停電及三廠停電情境，驗證急電備援發電機於停電廠及支援廠轉換，電力監控自動復電及卸載控制，由跨廠急電備援調度總覽、急電供應及負載趨勢圖結果分析，如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7：跨廠急電備援調度總覽圖

圖8：停電廠急電供應及負載趨勢圖

圖9：支援廠1急電供應趨勢圖

圖10：支援廠2急電供應趨勢圖

5.結論

本文探討之跨廠急電自動備援與復電技術，於民國111年7月台南科學園區台電管線挖損事故，成功驗證一廠區支援兩廠區供電，當下跨廠急電備援80秒內併聯完成，其自動備援與復電符合預期成效，大幅縮短廠區復電時間。未來新廠區在建廠階段即可導入建置及測試，同時亦作為既設廠區參考範本，將緊急發電機有效率的運用與極大化配置，減少停電對生產線造成之衝擊、降低廠務人員應變負荷及強化急電供電穩定度。