（电力系统及其自动化专业论文）智能备用电源自动投入装置的研究.pdf

t i t l e ：s t u d yo ni n t e l l i g e n t a u t o m a t i ct r a n s f e r s w i t c h i n g m a j o r ：p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n n a m e ：b ox i a o s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f d e y iw a n g s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h ea u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n gc o u l ds h u ts t a n d - b yp o w e r o n t ot h ew o r k m gl i n el n t i m ew h e nt h er u n n i n gp o w e rw a se x s c i n d e db yr e l a yp r o t e c te q u i p 。m e n tw h e n i tw a s1 n t r o u b i eo ra b n o 加a 1s i t u a t i o ni n t h ep o w e rp l a n ta n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t l o n a n dt h e n g u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e r t h ea u t o m a t i c t r a n s f e rs w i t c h i n gc o u l de n h a n c e t h er e l i a b i l i t vo fp o w e rs u p p l ye f f i c i e n t l y ，b e s i d e st h a t ，i t sc h a r g ew a s l i t t l ea n di t sp r i n c i p l e 曷a se a s vt oi m p l e m e n t ， s oi tw a sp o p u l a ri np o w e rp l a n ta n dt r a n s f o r m e is u b s a t l o na n d p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i si s o n eo ft h ei m p o r t a n te c o n o m i c a le f f i c i e n tt e c h n l q u e m e a s u r ef o re n h a n c i n gt h ep o w e rr e l i a b i l i t y f o c u so nt h ee x i s t e n tp r o b l 锄a n dd e v e l o p d i r e c t i o no fa u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n g ，t h ec r i t e r i o ni nt h ec o u r s eo f s w i t c h i n go fb a c k u p p o w e rs u p p l yb ya u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n ga n d i t sa d a p t a b i l i t yw e r er e s e a r c h e d1 nt h l s p a p e r ，a n dg o taf e w p r o d u c t i o n sa n d c o n c l u s i o n sa sb e l o w ： a u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n gw h i c h b a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rm l c r o c o n t r o u e r w a sd e s i g n e d ，a n di t w a sd e s i g n e di nb l o c k i n g t a k i n ga d v a n t a g eo fd 埘gt a l s l g n a i p r o c e s s o r sf a s t r c a l - t i m ec o n t r o l l i n ga b i l i t ya n dp o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n ga b i l i t y ，m a n y f u n c t i o n so fa u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n ga n dk i n d so fp r o t e c t i n gf u n c t i o n s c o u l db er e a l i z e d u n d e rt h ep r o 伊a ms e t t i n go fc c sb yp r o g r a ml a n g u a g ec + + ，t h ep r o t e c t i n gf u n c t l o n s i n c l u d eo v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n 、 b u s c h a r g ep r o t e c t i n gf u n c t i o n 、 o v e r 1 0 a dc u t - o f fa n dt h e b r e a k o f fi n s p e c t i n gp r o t e c t i o no f t h es e c o n ds i d eo fp o t e n t i a lt r a n s f o 吼e r a n d t h e a p p l i c a t i o nr a n g ea n d i t sa g i l i t yc a nb eb o o s tu p t h r e ek i n d s0 fs w i t c h i n gc r i t e r i o nw e r ea d v a n c e da tt h et i m eo f b a c k u pp o w e r s o u r c e w a ss w i t c h e do n ， f a s ts w i t c h i n gc r i t e r i o ni st h em a i n o n e ，t h ec o r r e s p o n d i n gp e n o d s w i t c h i n gc r i t e r i o na n dl o wv o l t a g es w i t c h i n g c r i t e r i o na st h eb a c k u pa n df a r f o n hb a c k u p c r i t e r i o nd i f f e r e n c e ，u s i n gt h e s ec r i t e r i o n sc o u l d m a k es u r et h a tt h eb a c k u pp 0 w e rs w l t c n e d o ns w i f t l ya n ds e c u r i t y t h ee q u i p m e n ti ss u i tt om a n i f o l dc o n n e c t i o nf o r m so f e l e c t r i cf i e l da n dt 舢s f o n e r i i i s u b s t a t i o n ，a n dt h e r ea r es e v e r a ls w i t c h i n gs c h e m e so fb a c k u pp o w e r s u p p l yw h i c hc o u l d m e e td i f f e r e n tu e r s d e m a n d s a tt h es a m et i m e ，e x p e r i m e n tw a sd o n ei nt h el a b o r a t o r yt o t h ee q u i p m e n t ， a n di tt u r n so u tt h a ta l lt h ef u n c t i o n sm e n t i o n e da b o v ec o u l db er e a l i z e da n d g o tg o o de f f e c t k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n g ；s t a n d b yp o w e r ；f a s ts w i t c h i n g ；d s p i v 主要符号表 主要符号表 a 衰减直流分量幅值 a 。、分别为直流、基波和各次谐波的正弦项租余弦项的幅值 b z l o 备用电源自动投入装置 c 。滤波电容 c t - 一电流互感器 d 二极管 d l 断路器 d s p 一数字信号处理器 巨光电隔离器 ，三相电流有效值 厶零序电流 i o a z 零序电流保护整定动作值 ，。、o ，。进线三相电流 ，。( i ) 、i 。( 2 ) 、，。( o ) 口相正序、负序、零序电流 ，。口相电流有效值 ，出母充保护电流整定动作值 气电流速断整定动作值 j f 7 l 出过负荷保护电流整定动作值 p 三相有功功率 p t - 一电压互感器 q 三相无功功率 r 电容器 s s r 固态继电器 k 交流信号周期 瓦固态继电器的导通时间和断路器的合闸时间 z 工作电源断路器跳开时间 u p s 不间断电源 u 。，扩。母线三相电压 u 。( 1 ) 、u 。( 2 ) 、u 。( o ) 口相正序、负序、零序电压 u 6 ( 1 ) 、( 2 ) 、玑( o ) 6 相正序、负序、零序电压 u 。( 1 ) 、u 。( 2 ) 、u 。( o ) c 相正序、负序、零序电压 u 三相电压有效值 u ，负序电压 西安理工大学硕士学位论文 u 。6 、u k 母线口6 、6 c 线电压 u d 母线残压 【厂西低压整定动作值 u 出负序电压整定动作值 u m 电动机承受的电压 【，电压额定值 u 。备用电源电压 u 吡检p t 三相断线电压整定动作值 a u 备用电源电压与母线残压之间的差拍电压 x o ) 周期信号 妒电压电流相角差 事同期捕捉切换所允许的误差值 基波角频率 独创性声明 一秉承祖国优良道德传统和字校的严谨字风郑更甲明：卒人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 ， 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：三_ 态壅。，i 凶艿年；月。6 日 学位论文使用授权声明 ) 本人叠塑二在导师的指导下创作完成毕业论文j 本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。， 。本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作砉签名：酉趣二导师签名：巫堑垄些砧乡月多么日 第一章绪论 1 绪论 有关电气规程和国家标准规定，一类高层建筑应按一级负荷供电。一级负荷，要 求供电系统无论是正常运行还是发生事故时，都能保证其连续供电。因此对级负荷， 应由两个独立的电源供电，并按生产的需要和允许停电的时间，采用双电源自动或手 动切换，或采用双电源分组同时供电的接线，一般情况下，还应有u p s 应急电源作备 用。如果一级负荷不大，则可采用蓄电池、自备发电机等设备，或者从邻近的单位取 得第二个独立电源。这里所说的两个“独立电源”，是指其中任一个电源发生故障或 停电检修时，而不致影响另一个电源继续供电n 1 。备用电源自动投入装置就是当工作 电源因故障断开以后，能自动而迅速地将备用电源投入工作或将用户切换到备用电源 上去，使用户不至于被停电影响的一种自动装置，简称备自投( b z t ) 12 1 。 1 1 备用电源自动投入装置的作用与任务 变电站综合自动化系统通过采集比较齐全的数据信息，然后利用微机的高速计算 能力和逻辑判断能力，可以方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。而继 电保护是变电站综合自动化系统的主要功能，它在保证系统安全、稳定和经济运行等 方面都起着积极的作用。由于自然条件、设备质量、运行维护等方面的因素，电力系 统中的各种设备，如发电机、变压器、电容器、输电线路等，可能会发生短路故障或 异常运行状况。因此，继电保护装置通过判断目前设备的运行状态，有选择性地将故 障元件从系统中快速、自动地切除，使危害范围减至最小，并保证快速恢复无故障部 分的正常运行。电力系统要求继电保护具有选择性、速动性、灵敏性和可靠性。其中 可靠性是指在规定的保护范围内发生属于其应该动作的故障时，不应该拒动，而在不 属于其应该动作的情况下，不应该误动。在设计和研制继电保护装置的时候，应充分 考虑到提高可靠性的各种措施t 3 - 4 1 。 随着社会经济和科学技术的迅速发展，电力系统的规模在不断扩大，系统的运行 方式也越来越复杂。而且各个行业对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，特别是 一些重要的用电单位具有用电容量大、工艺要求严格及自动化水平高等特点。只要突 然停电，即使停电时间只有几分钟，都可能使整个生产线停产，而重新恢复生产要经 过很长时间而且操作复杂。一次突然停电还会给企业带来很大的经济损失，给人民生 活造成极大的困难，从而使国民经济蒙受巨大损失。例如，2 0 0 3 年8 月1 4 日北美东部 发生有史以来最大的停电事故，1 0 0 多个发电厂和几十条高压输电线停运，波及2 4 0 0 0 k m 2 ，损失负荷6 1 8 g w ，停电时间长达2 9 h ，受停电影响的人口约5 0 0 0 万，经济损失 达3 0 0 亿美元。所以，在电力系统发生故障时采取有效的措施，对于提高供电可靠性 来说，具有重要的意义1 。 综上所述，为了保证重要设施和场合用电的可靠性，备用电源自动投入装置得到 西安理工大学硕士学位论文 广泛的应用。当工作电源因为故障或不正常情况而导致继电保护装置启动跳丌工作断 路器后，备自投装置将立即投入正常的备用电源，从而保证了供电的可靠性。 在发电厂中，各自投用于厂用电备用变压器、备用线路及重要机械的电动机的自 动投入。在变电站中，变电站的分段母线上可以由彼此互无联系的线路或变压器供电， 在主电源跳闸后，利用备自投，可以转由备用电源供电，使用户重新得到供电。 备自投可以有效地提高供电的可靠性，而且本身的实现原理简单，费用较低，所 以在发电厂和变电站及配电网络中得到了广泛的应用。这是一种提高对用户不间断供 电的经济而又有效的重要技术措施之一。 根据电网运行经验，备自投只有满足下列基本要求，才能更好地发挥作用1 6 - 8 1 。 ( 1 ) 备自投必须在具有备用电源的工作母线因任何原因失去电压时动作。 ( 2 ) 备自投应该保证停电的时间最短，使电动机启动得容易一些。 ( 3 ) 各自投只应动作一次，以免当在母线或引出线上发生持续性故障时，备用电源 被多次投入到故障元件上去，造成更严重的事故。 ( 4 ) 各自投动作于永久性故障的设备上应加速跳闸。 ( 5 ) 当电压互感器的熔断器熔断时，备自投不应动作。 ( 6 ) 当备用电源无电压时，备自投不应动作，因为动作时没有效果。 ( 7 ) 各自投应在确定工作电源已断开后，再将备用电源投入。其目的在于，在工作 电源发生故障的情况下，不致在备用电源投入后，由备用电源经过母线来供给故障点 电流，以及其它一些电网所禁止的特殊运行方式。 1 2 备用电源自动投入装置的发展概况 备自投作为电力系统中常用的一种安全自动装置，其发展与继电保护装置一样经 过了电磁( 整流) 型晶体型一一集成电路型一一微机型等四个主要阶段。究其本 质，各阶段的主要技术区别在于对采集量( 电流量、电压量、开关量) 的运算方式和 逻辑功能的实现方式上。目前以微机型备用电源自投装置为应用主流，它将电流量、 电压量等模拟量通过v f c ( 压频变换器) 元件或d 元件转换为开关量进行综合逻辑 分析，并根据分析结果作用于相关断路器，从而实现自动切换功能p 1 。 随着综合自动化变电站的建设和电网构架的逐步完善，备自投装置的设计和应用 也日益增加。目前国内的各自投装置，主要有电磁型继电器组屏、微机型装置和软件 编程各自投3 种类型。 电磁型备自投装置是早期产品，曾经在电网运行中发挥了很大的作用。但从电网 发展和技术进步的角度来看，电磁型备自投装置将逐步淘汰更新。与继电器组屏的各 自投装置相比，微机型备自投装置有许多优点。目前国内生产微机型备自投装置的厂 家比较多。比如南瑞继电保护公司生产的l e p 9 6 5 a b 型、北京四方公司生产的 c s b 2 1 a 型和南京中德公司生产的n s p 4 0 型基本上代表了国内3 种主流类型。 2 第一章绪论 南瑞继电保护公司l e p 9 6 5 系列产品的特点是人机界面良好，技术说明书使用说 明书资料较为齐全，运行操作和维护检修简便，整定计算工作量小，备自投运行方式 可以自动识别，装置技术指标基本能够满足系统要求，应该说总体设计是较好的。但 是该型装置也有以下3 大缺陷，限制了其应用范围的扩大： ( 1 ) 由于从结构设计的简化考虑，没有多余的备用继电器和接点输入、输出，对于 老变电站( 尤其是有旁路母线的变电站) 无法实现在旁路代线路( 作为工作电源或是备用 电源) 情况下工作的备自投功能。 ( 2 ) l e p 一9 6 s b 装置设计中没有考虑过负荷联切功能，在地区电网逐步扩展的情况 下，工作电源和备用电源线路的导线载流量有差别，或是一条线路同时作为几个变电 站备用电源的情况下，矛盾十分突出，从而制约其应用和电网运行方式。而上述情况 往往是经常出现的。 ( 3 ) 由于在轻负荷情况下，装置设计的电流闭锁无法实现，而装置设计中仅接入单 一等级母线电压，在交流电压回路自动空气开关误分或短路跳开时，往往无法避免备 自投误动作，十分不利。应考虑增加装置交流电压模拟量输入，接入多侧、多组不同 等级电压( 如三线圈变压器考虑接入中、低压侧电压) ，以解决上述问题。对于这一点 己经与厂家合作按照上述思路生产特定装置和软件投入运行。 相对来讲，北京四方公司的产品c s b 2 1 a ，设计思想上是十分灵活的，也是最开 放的。但是厂家早期的产品在设计出发点上过于偏颇，使得装置的整定计算工作极为 烦琐，所有的输入输出模拟量、开关量定义、动作逻辑、出口序列等等均需一一整定， 工作量很大，相当于进行p l c 编程，且整定过程和整定值也均非常不直观。技术资料 中关于整定计算的说明不够明了，不易理解，容易出错，往往造成备自投拒动。在后 来的软件升级改版中，根据各地用户的意见和运行经验的总结，四方公司进行了较大 的改动，主要在各自投程序预置了多种各自投运行方式整定值，供用户选择。但是仍 然存在几个问题有待进一步改进。 ( 1 ) 虽然c s b 2 1 a 装置中提供了多种预置定值，但是由于各个变电站一二次设备接 线方式的不同和用户的习惯不一致，用户往往仍选择自行整定。前述的整定计算和整 定值问题就比较棘手。而且相比于l e p 系列产品，c s b 2 1 a 的人机界面实在不能算良 好，运行操作和维护也不简便直观。 ( 2 ) 根据对于备自投的技术要求，c s b 2 1 a 标准型号的4 u 4 i 模式并不很适合内桥 接线或三圈变接线方式，现在已经改用特定的6 u 2 i 模式，初步解决了问题。 ( 3 ) 由于程序软件编程的限制，各自投逻辑中限定了每一个动作序列的启动量、闭 锁量、检查量的总数不得超过7 个( 其中必须有一个检查量) ，往往造成对于一些工作 方式需要进行取舍，相对而言降低了装置的灵活性优点。 南京中德公司的n s p 4 0 备自投装置则完全采用西门子的p l c 技术，对已经讨论确 定的具体备自投逻辑流程图，由厂家负责用西门子专用软件s t - 2 0 0 编程实现并下载入 3 西安理工大学硕士学位论文 装置。相比于四方公司产品，应该说由于编程整定导致备自投出错的几率大大减少， 而且由于有具体的各自投逻辑流程图，对于运行维护、调试检修人员都非常直观、明 确，对于用户和厂家之间的沟通也十分方便。但是这类装置的缺点也十分明显。 ( 1 ) 由于目前必须依赖于厂家专人采用专用软件编程，用户自己无法修改装置整定 值和动作逻辑，受限制较大。对于逐步扩建或改建的变电站，尤其受影响。 ( 2 ) 装置人机界面一般，前面板没有液晶显示和操作键盘，仅有几组发光二极管指 示灯，用于正常的运行监视。日常情况下运行、检修人员如果想查对装置整定值，或 是校验交流采样值精度均无法实现。 ( 3 ) 装置虽有完备的通讯接口，但是没有必要的备自投动作过程记录功能和装置故 障、告警功能。这对于必要的事故调查和动作分析非常不利。因此n s p 4 0 装置在功能 完善前，也仅能在特定的一些综合自动化系统中应用，应用范围有一定局限性。 综上所述，目前还没有一种或一家的备自投产品是十分完善的，相对于各地用户 的不同需求和运行习惯，有值得发展和改进之处 1 0 - 2 5 1 。 1 3 备用电源快速切换技术的发展概况 备用电源自动投入装置的关键在于备用电源投入时的快切技术，各自投装置发展 至今从最初的低压切换，经过同期捕捉切换，到目前的快速切换。究其本质区别，主 要在于切换判据的不同。 目前比较常用的有两种切换方式，即快速切换和同期捕捉切换。快速切换要求电 压投入时的相角差越小越好，一般在3 0 。以内。这种方法虽在较大残压时投入，但冲 击电流很小，对电动机启动很有利，但对切换速度要求很高，成功率低。另外同期捕 捉切换方式是在备用电源与残压之间的相角差为零或接近零时进行切换。主要应用于 备用电源的正常并联切换，即切换时先对备用线路上断路器两侧的电压进行同期操作， 合上备用线路断路器后，再切除原供电线路2 6 1 。 1 3 1 快速切换方式分析 快速切换在母线残压与备用电源电压相角差较小( k 一i 绍疋延州到 i 图3 1 5 母充保护逻辑框图 f i 9 3 1 5 t h el o g i c a lc h a r to fb u s c h a r g ep r o t e c t i o n 在合闸之前，母线充电保护投入，合闸后5 秒时间退出此保护功能。 3 3 5p t 断线检测 口跳闸 闸信号 备用电源的线路p t 断线或保险熔断将使得检有压条件为假，造成备自投启动后自 投失败。因此，备用电源线路p t 断线监视功能十分重要。 各自投装置应具有检出三相p t 断线的功能，否则会误动。此外，各自投还应对单 相p t 断线检测，以提醒值班人员。由于微机型各自投采集量较全面，不但可对单个电 压进行检测，还可综合开关量和模拟量信息，进行比较判别。 本装置在没有启动时投入p t 断线功能，其判据如下：p t 断线= 1 ；负序电压u ，大 于整定值u 由时，经一定延时后，报单相p t 断线；三相电压均小于整定值u 他且至少 有一相电流大于整定值，如，当以上条件均满足，经一定延时后，可判为母线三相p t 断线。电流量及开关量判据的引入，使备自投检测电压p t 断线的判据更加可靠。 西安理工大学硕士学位论文 3 3 6 监测功能 图3 1 6p t 断线检测逻辑框图 f i 9 3 1 6 t h el o g i c a lc h a r to fp t b r e a k - o f fc h e c k 报p t 断线 装置采集电压、电流，运用全波傅氏算法提取基波分量计算各电压、电流有效值，有 功功率、无功功率及功率因数，并将这些数据通过c a n 总线上传至通讯管理单元。 调度端通过以下计算方法将接收到的数值转换成实际量： 测量电流2 磊彘墨l 其中x ，监测数据中发送的电流值： 。电流额定值； k ，一一电流采样值的变换系数。 电压2 彘u 其中墨，监测据中发送的电压值； u 。电压额定值： 墨，电压采样值的变换系数。 功率2 磊嘉玩巧l 历 功率因数= 二1 4 0 9 6 其中x 为监测数据中发送的功率因数值； 3 3 7 故障录波功能 装置记录保护动作开始之后的5 0 个周波( 每周波3 2 点) 交流信号的采样数据， 一般录取电压、电流离散数据标幺值，保护跳闸后上送变电站自动化主站，或者由独 立的故障分析软件，分析故障和装置的跳闸行为。 3 3 8 位置检测 如图3 。2 所示接线图，检测断路器位置信号，正常工作时检测位置信号，当断路 器误跳时启动备自投， 3 0 第三章备用电源自动投入装置软件设计 ( 1 ) 进线1 有流且断路器d l l 跳位，持续3 s 后报进线1 断路器位置异常；当各自 投跳d l l 时，3 秒后d l l 跳位仍不出现，报进线1 跳位异常。 ( 2 ) 进线2 有流且断路器d l 2 跳位，持续3 s 后报进线2 断路器位置异常；当备自 投跳d l 2 时，3 秒后d l 2 跳位仍不出现，报进线2 跳位异常。 ( 3 ) 装置采集3 d l 断路器的跳位和合位，当控制电源j f 常、断路器位置辅助接点正 常时，必有且只有一个跳位或合位，否则，经3 s 延时报控制回路异常告警信号；桥有 流或各自投动作后有3 d l 跳位，持续3 s 后报3 d l 跳位异常。 ( 4 ) 装置设有断路器压力异常开入，装置收到开入后延时1 s 报压力异常，发告警信 号，闭锁跳合闸； ( 5 ) 装置设有弹簧未储能开入，装置收到开入后延时2 5 s 报弹簧未储能，发告警信 号； 以上检测告警后，条件消失0 5 s 返回。 3 4 本章小结 本章首先在软件总体编程上采用模块化设计，分为三个模块：系统主程序、中断 处理子程序和各自投切换子程序。在变电站综合自动化系统中，继电保护装置的差别 只是具体保护功能不同，所以开发软件的时候采用模块化的设计方法，便于以后开发 其它继电保护装置的软件。 在模拟量的处理算法上，利用每周期采集到的3 2 个离散值，采用了全波傅氏算法 与差分算法相结合的离散算法，准确而快速地计算出基波有效值。在此基础上，利用 计算所得电压、电流有效值实现备自投装置的主要功能。 3 1 第四章备自投切换判据及备投方式分析 4 备自投装置运行方式及切换判据分析 在本章中，主要讨论备自投装置在不同接线形式下的工作方式，它们各自对应有 不同的备自投逻辑条件，通过采集的模拟量及开关量检测判断满足逻辑条件后，备用 电源才能安全可靠地投入。在备用电源投入时刻的选择上，本章介绍了三种优先级不 同的切换方式，它们在软件算法上保证了供电的可靠性。 4 1 备自投的切换原理 由于厂用母线上连接有大量电动机，对于厂用母线上的电动机由于其惯性及存储 的磁场能量，在一定时间内还会继续保持旋转，并将磁场能量转换成电能。因各个电 动机的参数、特性不一样，此时就会有部分电动机转入异步发电机运行状态，造成母 线上继续保持有电压，成为“母线残压 。卣于这些“异步发电机不存在原动力和励 磁，残压的幅值和频率将会不断衰减，使其与备用电源的相角、幅值产生差值。随着 残压的快速变化，母线电压与备用电源电压的相角差逐渐增大。因此要求必须在快速 变化中找出恰当的时刻进行合闸，以满足备用电源电压与母线残压的差拍电压最小和 母线上重要电动机的自启动。 4 1 1 厂用电备自投接线分析 假设厂用电系统的主接线如图4 - 1 所示，工作电源由发电机端经厂用高压工作变 压器引入，备用电源由电厂高压母线经备用变压器引入。在进线备自投工作模式下， 断路器d l l 与d l 3 闭合，断路器d l 2 断开。正常运行时，厂用母线电源由工作电源 提供，当工作电源侧发生故障时，断路器d l l 被跳开。此时，如果合上备用电源断路 器d l 2 ，将不可避免地对厂用母线上的电动机造成冲击，严重威胁厂用旋转负荷的安 全运行。 图4 2 所示为合上备用电源时的系统接线的等值电路图和向量图，图中u 。为母线 残压，u ，为备用电源电压，a u 为备用电源电压与母线残压之间的差拍电压，x m 为母 线上电动机和低压负荷折算到高压厂用电后的等值电抗，x 。为电源的等值电抗。从图 中可以看出，不同的6 角( 备用电源电压与母线残压之间的夹角) ，对应不同的u 值。 如果合上备用电源开关，电动机承受的电压u 肼为： 2 薏鲫 心j 躯2 薏棚惰 u j i ，一k a u ( 4 2 ) 3 3 西安理工大学硕士学位论文 为确保电压切换时设备的安全性， 倍额定电压u 嘲1 。因此有： k a u 1 1 u j v 厂用电低 一般应使合闸时电动机承受的电压不超过1 1 p t 图4 1 厂用电备白投接线图 f i 9 4 - 1 t h ew i r i n gd i a g r a mo fa u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n gi np o w e rp l a n t ( 4 3 ) ( a ) 等值电路图( b ) 向量图 图4 2 备用电源投入时的等值电路图和向量图 f i 9 4 2 e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dv e c t o rd i a g r a mo fs t a n d b yp o w e rs o u i c gs w i t c h o v e r 所以 u f ) 坐 ( 4 4 ) 、 k 对于式( 4 4 ) 中的k 值，它和机组实际运行时的负荷大小有关，为了严格保证厂 用电源的切换安全，取其极值k 。，= 1 。 假设正常工作时工作电源与备用电源同相，以m 点为圆心，1 1 为半径画弧线 m m ”，则m m ”的右侧为备用电源投入的安全范围，左侧为不安全范围。如图4 3 所 示，其电压向量端点为m ，则母线失去电压后残压向量端点将沿残压曲线由肘向方 向移动，如果能在m n 段内台上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转 速下降太多，这就实现了快速切换。过点后p 段为不安全切换区，不允许电源切换。 3 4 第四章备自投切换判据及备投方式分析 在p 点后至阳段实现的切换为同期捕捉切换。如果能实现同期捕捉对电动机的自启动 也是比较有利的。当电压衰减到( 2 0 4 0 ) u 后，不考虑是否满足同期条件，只 要残压低于最大允许残压值，就发出合闸指令，将备用电源投入失压母线，此时实现 的切换成为低压切换，这种切换速度较慢，时问较长，和一般的备用电源投切判据己 没有什么区别n 们。 图4 3 残压特性相量图 f i 9 4 3 t h es p e c i f i cp h a s o rd i a g r a mo fr e s i d u a lv o l t a g e 4 1 2 切换判据的理论依据 根据上述分析可知，如果要在尽可能短的时间内在适当时刻投入备用电源，需要 实时跟踪备用电源电压与母线残压之间的相角差，分析其变化趋势。故对连续相角差 进行泰勒公式展开如下1 5 7 1 ： 驴o ) ；驴纯) + 驴乜一) + 伊u ) 堕；z + r ( 4 5 ) 由于泰勒展开式三阶及以上高阶导数值很小，近似可以忽略不计，故上式可以简 化为： 妒o ) 。驴o 。) + 缈t o ，) ( f f ，) 4 。p w t ( f 。) 翌二罢羔 ( 4 6 ) 令f t 。+ r ，t 对应于不同切换阶段和不同切换方式下的不同时间，因此有： t 2 驴o l + 丁) 一驴( f 。) + 驴0 1 ) 丁+ 妒”( f 。) 二= ( 4 7 ) 上式中，驴o ，) 为t = t 。时刻的相角差值；驴o ，) 为t ；t 。时刻相角差的阶导数，可 看作此时的相角差速度；伊”瓴) 为t = t 。时刻相角差的二阶导数，可作为这一时刻的相 角差加速度。 3 5 西安理工大学硕士学位论文 根据式( 4 7 ) 所推出的物理意义，可以预测出应当在什么时刻发出投备用电源指 令实现快速切换、同期捕捉切换和低压切换。 4 1 3 快速切换判据 如前所述，对于厂用电母线因故障或不正常情况下的失压，对备用电源实现快速 切换是为了实现在其投入时刻备用电源电压与母线残压之间的相角差不超过最大允许 合闸相角差。因此，首先求出最大允许合闸相角差如下： 从图4 3 可以得知，a q 9 即对应最大允许合闸相角差，故只需确定a c p 的最小值。 在矢量三角形中， c o s 够= 利用余弦定理可得： 缈；+ 町一a u 2 ) 2 u s u d ( 4 8 ) 式中，u 。备用电源电压，即额定电压u ； u d 母线残压，在快速切换阶段其取值范围为0 1u u ，记为k d u ； u 一一备用电源电压与母线残压之间的差拍电压。 故上式简化为： c o s 够：q 鱼：二! ：! 二2 ( 4 9 ) 。 2 可求出最大允许合闸相角差为： c o s 驴一0 4 8 5 妒一6 1 。 考虑到从d s p 发出合闸指令到断路器成功闭合有一个时间差，这个时间差包括固 态继电器的导通时间和断路器的合闸时间。故在发出合闸脉冲之前需要有一个提前时 间，提前量的大小取决于合闸回路和相位差的变化。 对于各自投装置的手动切换、事故或不正常情况下的串联切换，备用电源必须在 工作电源完全切除以后才能投入，因此z 至少包含固态继电器的导通时间和断路器的 合闸时间五。此时的快速切换判据理论上应为： ，下2 、 c o s l 伊( ) + 驴乜) 五+ 驴( ) 二= l 互，则此时的快切判据理论上为： c o s f 妒n ) + 伊饿) 瓴一z ) + 伊t 饥) 亟 瑾1 o 4 8 5 ( 4 1 1 ) z 理论上，上述判据准确可靠，但在实际中，采用这样的判据可能会耗时较长，从 第四章备自投切换判据及备投方式分析 而错失一些备用电源实现快速切换的时机。因此，实际运用时，可直接将实时计算出 来的备用电源电压与母线残压之问相角差的余弦值与最大允许合闸相角差的余弦值作 比较，只要相角差的余弦值小于最大允许合闸相角差的余弦值，即可发出合闸脉冲。 快速切换判据是以备用电源电压与失压母线残压之间的相对相角差的余弦值为依 据进行判断的，需要检测合闸断路器两侧的电压相角。备用电源电压的幅值及其初相 角可以利用采样值通过全波傅氏算法得到，利用其表达式即可得到合闸时刻的相角。 而母线残压的幅值及频率都在不断减小，对于快速切换，由于时间很短，故没有考虑 频率的下降，通过同样的方法可以得到母线残压相角。 4 1 4 同期捕捉切换判据 当备用电源电压与母线残压之间存在较大的初相角或者断路器的固有特性而使得 备用电源的快速切换不成功时，同期捕捉切换将作为快速切换的后备切换判据控制备 用电源的投入，确保备用电源的安全投入。 同期捕捉切换类似于并网操作，是以备用电源电压与母线残压之间的相位角差为 0 。来作为合闸依据的，故此时将余弦值转化为角度来进行判别。与快速切换一样，此 时发合闸指令也有一个提f j 时间量。其理论判据为： i丁2i 1 3 6 0 一e ( t 1 ) 一驴“) 瓦一驴u ) 等l r ( 4 1 2 ) l二i 式中，巧同期捕捉切换所允许的误差值。 当装置测得的相角差值满足上式时，发出合闸指令可实现同期捕捉切换。 同期捕捉切换判据是以备用电源电压与失压母线残压之间的相对相角差为依据进 行判断的，也需要检测合闸断路器两侧的电压相角。对于同期捕捉切换，利用异步电 动机的转矩平衡方程可以得出母线残压频率变化表达式，然后根据电压表达式也可求 出合闸时断路器两侧的相角差值。 4 1 5 低压切换判据 由于低压切换判据比较简单，不需要检测备用电源电压与母线残压之间的相角差， 故只需设定最大允许残压定值，当母线残压低于此设定值时，备自投装置即发出合闸 指令。低压切换作为同期捕捉切换的后备，是当快速切换与同期捕捉都不能成功投入 备用电源时的保障。 4 2 备自投的逻辑判据及备自投方式 此试验中各自投装置的主要功能是：分段备用电源自投功能和进线各自投功能。 为了使备自投逻辑更加清晰、编程更加简单，将这两个功能分别分解为若干个动作。 3 7 西安理工大学硕士学位论文 而每个动作分别设置充电条件和动作条件。其中动作条件又分为三个部分：启动条件、 闭锁条件和检查条件。当所有闭锁条件都不满足，充电条件都满足，且持续时间超过 2 0 秒的时候，该动作的充电标志置起，并允许该动作出口。在这种情况下，如果启动 条件全部满足，闭锁条件均不满足，则该动作出口，控制相应的继电器动作。动作出 口后，核对检查条件( 用于判断继电器是否动作成功) 。如果条件满足，则认为动作成功， 否则发出动作失败的告警信号。动作出口条件的逻辑框图如图4 4 所示。 在图3 2 接线方式下，共有3 种可能的运行方式，从而对应有三种各自投方式。 其中1 d l 为1 5 进线断路器，2 d l 为2 撑进线断路器，3 d l 为分段断路器。 ( 1 ) 第一种运行方式是断路器3 d l 断开，i ，i i 段母线分裂运行，分别由进线1 、进 线2 供电，称为分段各自投。在这种运行方式下，如果进线1 故障，导致i 段母线失压， 此时备自投装置应自动断开运行断路器1 d l ，再投入分段断路器3 d l ，使母线i 恢复供 电。如进线2 故障，导致i l 段母线失压，此时备自投装置应自动断开2 d l ，再投入3 d l ， 使母线i i 恢复供电。 在分段各自投的运行方式下断路器的动作逻辑过程如下： a i 段母线失压时跳d l l ： 当工作母线i 段由于进线1 上的单相断线或两相短路接地或两相断线等故障造成 出口动作 图4 4 断路器出口动作的逻辑条件框图 f i 9 4 4 t h el o g i c a lc h a r to fo p e r a t i n gb r e a k e r 失压时，继电保护功能动作启动分段备自投功能，分段各自投功能按照断路器分合逻辑检 查充电条件、闭锁条件与启动条件，当所有条件满足以上动作逻辑时，进线1 的断路器延 时跳开，然后检查条件判断断路器1 是否已跳开。如果已跳开则往下进行分段断路器的合 闸操作。， 3 8 第四章备自投切换判据及备投方式分析 图4 - 5i 母线失压时d l l 跳闸逻辑框图 f i 9 4 - 5 1 1 l el o g i c a lc h a r to f t h ef i r s tb r e a k e rb r e a k o f fw h e nb u sil o s t sv o l t a g e b i i 段母线失压时跳d l 2 ： 与图4 5 一样，图4 - 6 是母线i i 作为工作母线时，进线2 出现故障造成母线失压断路 器跳闸的逻辑框图，只是此时进线1 作为备用电源，与上图相反。 图4 6i i 母线火压时d l 2 跳l i f 0 逻辑框图 f i 9 4 6 t h el o g i c a lc h a r to f t h es e c o n db r e a k e rb r e a k o f fw h e nb u si il o s t sv o l t a g e c d l l 跳位后合d l 3 ： 在图4 5 中，当进线1 上的断路器成功跳闸后，进线2 作为备用电源要立即为母线i 段提供电压，故需立即合上分段断路器，图4 7 即为断路器1 跳闸后分段断路器的合闸逻 辑图。 d d l 2 跳位后合d l 3 ： 下图4 8 为进线1 作为备用电源，进线2 故障导致断路器2 跳闸后分段断路器的合闸 逻辑图。 3 9 西安理工大学硕士学位论文 图4 7d l l 跳i 嗣后分段断路器合闸逻辑框图 f i 9 4 - 7 t h el o g i c a lc h a no fs u b s e c t i o nb r e a k e rc o m b i n e da f t e rt h ef i r s tb r e a k e rb r e a k - o f f ( 2 ) 第二种运行方式是断路器1 d l 和3 d l 合闸，2 d l 断开，由进线1 给两条分段 母线供电，这种方式称为进线各自投。在这种运行方式下，如果进线1 故障，导致两 段母线均失压，此