变电站备用电源自动投入装置

1.概述1.1概念为保证供电的可靠性，电力系统经常采用两个或两个以上的电源进行 供电，并考虑相互之间采取适当的备用方式。当工作电源失去电压时，备 用电源由自动装置立即投入，从而保证供电的连续性，这种自动装置称为 备用电源自动投入装置，简称AAT。备用电源自动投入是保证电力系统连 续可靠供电的重要措施。备用电源自动投入装置遵循的基本原则如下： 当工作母线上的电压低于检无压定值，并且持续时间大于时间定值 时，备自投装置方可起动。备自投的时间定值应与相关的保护及重合闸的 时间定值相配合。 备用电源的电压应工作于正常围，或备用设备应处于正常的准备状 态，备自投装置方可动作，否则应予以闭锁。 必须在断开工作电源的断路器之后，备自投装置方可动作。工作电源消失后，不管其进线断路器是否已被断开，备自投装置在起 动延时到了以后总是先跳该断路器，确认该断路器在跳位后，方能合备用电源的断路器。按照上述逻辑动作，可以避免工作电源在别处被断开，备 自投动作后合于故障或备用电源倒送电的情况发生。 人工切除工作电源时，备自投装置不应动作。装置引入进线断路器的手跳信号作为闭锁量，一旦采到手跳信号，立 即使备自投放电，实现闭锁。 避免备用电源合于永久性故障在考虑运行方式和保护配置时，应避免备自投装置动作使备用电源合 于永久性故障的情况发生，一般通过引入闭锁量或检开关位置使备自投发 电。例如，就主变低压侧分段开关备自投而言，变压器差动保护动作跳主 变各侧时，一般表明主变本体发生故障，此时无需闭锁主变低压侧分段开 关备自投；而变压器后备保护动作时，可能是低压侧母线或其出线上发生 了故障，此时一般应闭锁低压侧分段开关备自投。 备自投装置只允许动作一次。以往常规的备用电源自动投入装置通过装置部电容器的充放电过程 来保证只动作一次。为了便于理解，微机装置仍然引用充放电这一概念， 只不过微机备自投装置由软件通过逻辑判断实现备自投充放电。当备自投充电条件满足时，经 15 秒充电时间后，进入充电完毕状态。 当放电条件满足、有闭锁信号或退出备自投时立即放电。1.2 备用电源的备用方式备用电源的配置一般有明备用和暗备用两种基本方式。系统正常时， 备用电源或备用设备不工作，处于备用状态，成为明备用；系统正常是， 备用电源也投入工作 ，称为暗备用。暗备用实际上是两个工作电源互为 备用。图 1-1 所示为几种备用方式的简单接线图。图 1-1 中 TV 为电压互感器，TA为电流互感器。(a)明备用(b) 暗备用之一(c) 暗备用之二图 1-1 几种备用方式的简单接线图1.2.1 明备用的控制有一个工作电源和一个备用电源的接线，即为明备用的配置，如图1-1 (a)所示。图中。TI为工作变压器，T2为备用变压器。正常工作时。QF1、QF2处于合闸位置，工作母线皿上的负荷由工作电源通过T1供给； 此时QF3合上(也可断开)、QF4断开，T2处于别用状态。当工作母线皿 因某种愿意失电时，在QF2断开后，QF4合上(QF3断开时，要与QF4同 时合上)，恢复对工作母线皿的供电。1.2.2 暗备用的控制有两个工作电源互为备用的接线，两回进线或电源同时供电，如图1-1 (B) (C)所示。在图1-1 (B)中，正常工作时，母线皿和母线W分别由T1、T2供电， 分段断路器QF5处于断开状态。当母线皿和母线W因某种原因失电时，在 进线断路器QF2或者QF4断开后，QF5合上，恢复对工作母线的供电。这 种 T1 或 T2 既工作又备用的方式，称为暗备用。需要指出的是，在图1-1 (B)中。T1或T2也可工作在明备用的方式 下。这样，对于图1-1 (B)又有以下备用方式：(1)备用方式1 oT1、T2分列运行，QF2跳开后QF5由AAT装置自 动合上，母线皿由T2供电(2) 备用方式2T1、T2分列运行，QF4跳开后QF5由AAT装置动 作自动合上，母线W由T1供电。(3) 备用方式3。QF5合上，QF4断开，母线皿、W由T1供电；当QF2跳开后，QF4由AAT装置动作自动合上，母线皿和母线W由T2供电。(4) 备用方式4。QF5合上，QF2断开，母线皿、W由T2供电；当 QF4跳开后，QF2由AAT装置动作自动合上，母线皿和母线W由T1供电。4丘八守9令迄2tti幟700273C?1itOKvmm：KM - I2.装置硬件设计2.1 硬件结构以图1-1 (b)所示的双电源互为备用一次接线为例，其硬件结构如图 2-1 所示。通过电压互感器和电流互感器将母线上的电压和电流反映给 电压继电器和电流继电器，其中电流互感器的输出接电流继电器，电压继电器的输出接过压继电器和欠压继电器。再通过这些继电器的触点将母线有压、无压和母线进线有流、无流反映给 PLC。图 2-1 硬件结构示意图外部电流和电压输入经变换器隔离变换后，由低通滤波器输入至A/D 变换器，经过CPU采样和数据处理后，由逻辑程序完成各种预定的功能。AAT装置的主要输入与输出有以下几种：（1）从备用电源自动投入的一次接线方案图【图IT （b）】可以看 出，测量TV3和TV4二次电压来判别母线III和IV上有、无电压，测量 的事三相电压并非单相电压。（2）采用母线III和母线IV进线电流（测量TV1和TV2的二次电 流），防止TV断线误判工作母线失压导致误启动AAT装置；利用母线III 和母线IV进线电流闭锁AAT，同时兼做进线断路器跳闸的辅助判据，闭 锁用电流只需一相即可。（3）QF2、QF4、QF5的跳位与合位的信息由跳闸位置继电器和合闸 位置继电器的触点来提供，并识别系统运行方式及选择自动投入方式。（4）引入断路器QF2（或QF4）的合后位置触点，作为手跳断路器后 闭锁自动投入和外部闭锁自动投入输入触点。（5）装置输出3对触点分别跳断路器QF2、QF4、QF5 ；输出2对触 点用于自动投入QF5，输出9对触点用于过负荷联切。所谓过负荷联切， 是指在投入备用电源后，利用母线III和母线IV进线电流，如发生过负 荷，切除预先准备切除的若干条不重要的负荷线路。2.2 PLC选型从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点11个、开关量输出点3 个。参照四门子 S7-200 产品目录及市场实际价格，选用主机 CPU224(14入/10 继电器输出)，此最为经济。2.3 控制系统的 I/O 点及地址分配输入地址名称代号10.0母线III无压KV110.1母线III进线无流KI110.2母线IV有压KV210.3方式1投入KF110.4T1保护KF310.5母线IV无压KV310.6母线IV进线无流KI210.7母线III有压KV4I1.0方式2投入KF2I1.1T2保护KF4I1.2方式1、方式2闭锁KF5输出地址名称代号Q0.0跳QF2QF2Q0.1跳QF4QF4Q0.2合QF5QF5控制系统的输入/输出信号的名称、代号及地址编号如表 2-1 所示。表 2-1 输入/输出点代号及地址编号220V57911000000000000000000IL 0.0 0.1 0.2 03 2L 0.4 0.5 0.6 3L 0J LO U N LIS7-200 CPU224IM 0.1 02 03 0.4 05 06 07 2M LO U L2 L3 L4 15 M L+000000000000000000KvtKFKFkeKF2KFKF2.4 电气控制系统原理图如图2-2所示为控制电路图。图中：SF为急停开关，TA为隔离变压器， 专为PLC供电，抗干扰，QF2、QF4、QF5均由PLC的输出继电器控制，图 中 Q0.0、Q0.1、Q0.2 为 PLC 的继电器触点。图 2-2 控制电路图话可以接入触摸屏通过对其设定和操作，即可按规定的程序工作。1 L2 13 L4 15 M L+S7-200 CPU22,SB图2-3 PLC部分接线图3.装置软件设计3.1备用电源自动投入装置的软件原理在图1-1 （B）所示的双电源互为备用一次接线中，有四种基本备用方式，备用方式1和备用方式2是变压器T1和T2各带一组母线分列运行（QF5必处断位），靠母线分段断路器QF5的合闸实现互为供电的两种备用方式，是暗备用方式；备用方式3和备用方式4是一个变压器带母线III和母线IV运行（QF5必处于合位），另一个变压器备用的工作方式，是明备用方式。图3-1所示为暗备用方式1的AAT装置软件逻辑框图。Y1MH-疔线!进竦无流卜SHE沖投川Ebp:fTl噪蓟Hl第线即无压Y4侏践M进线私-轉m有一方能投一Y3HTVT&Qrsjft-fi轉皿有压&侏践LU无压H3 1闌无圧刃方我1茹e网锁母纳进溉魁厂SehMWSqeZWMOH4河图 3-1 暗备用方式的 AAT 装置软件逻辑框图（1） AAT装置的启动方式。图1-1 （B）接线以备用方式1正常运行时， QF1、QF2 的控制开关必在投入状态，变压器 T1 和变压器 T2 分别供应电 能给母线III和母线IV。在t3时间元件10-15S充足电后，只要确认QF2 已跳闸，在母线由电压的情况下，Y9、H4动作。QF5就合闸。这说明工作 母线受电侧断路器的控制开关（处合闸位）与断路器位置（处跳闸位）不 是对应要启动 AAT 装置（在备用母线由电压情况下），即 AAT 装置的不对 应启动方式，是AAT装置的主要启动方式然而，当系统侧故障使工作电源失去电压，不对应启动方式不能使 AAT 装置启动时，应考虑其他启动方式辅助不对应启动方式。在实际应用 中，使用最多的辅助启动方式是采用低电压来检测工作母线是否失去电 压。在图4-8(A)中，电力系统的故障导致工作母线III失压，母线III进线无电流，备用母线IV有电压，通过Y2启动tl时间元件，跳开QF2， AAT装置动作。可见，图4-8 (A)是低电压启动AAT装置部分，是AAT装 置的辅助启动方式，这种辅助启动方式能反映功过母线失去电压的所有情 况，但着中国辅助启动方式的主要问题是如何克服电压互感器二次回路断 线的影响。可见AAT装置启动具有不对应启动和低电压启动两部分，实现了工作 母线任何原因失电均能启动AAT装置的要求。同时可以看出，只有在QF2 跳开后，QF5才能合闸，实现了工作电源断开后AAT装置才动作的要求； 工作母线(母线III)与备用母线(母线IV)同时失去电压，AAT不动作； 备用母线(母线IV)无压，根据图4-8逻辑框图，AAT装置也不动作。(2)AAT 装置的充电过程。微机型备用电源自动投入装置为了保证 正确动作且只动作一次，在逻辑中设计了类似自动重合闸装置的充电过程 (10-15S)。只有充电完成后AAT装置才进入工作状态。如图4-8 (C)所 示要使AAT装置进入工作状态，必须要使时间元件t3充足电，充电时间 需10-15秒，这样才能为Y11装置动作准备好条件。AAT装置充电条件是：变压器T1T2分列运行，即QF2处合位、QF4 处合位QF5处跳位，所以与门Y5动作；母线III和母线IV均三相有压 （说明QF1、QF3均合上，工作电源均正常），与门Y6工作。在满足上述 条件，没有AAT装置的放电信号情况下，与门Y7的输出对事件原件t3进 行充电。当经过10-15S充电过程后，为与门Y11准备好了动作条件，即 AAT装置动作准备好了条件。一旦与门Y11的另一输入信号（AAT装置动 作命令）到来，AAT装置就动作，最终合上QF5断路器。（3）AAT 装置的放电功能。对 AAT 装置的放电功能，就是在某些条 件下要取消AAT装置的动作能力，实现AAT装置的闭锁。t3的放电条件有：QF5处合位（AAT装置动作成功后，备用工作方 式1不存在了，t3不必再充电）；母线III和母线IV均三相无压（T1、 T2不投入工作，t3禁止充电；T1、T2投入工作后t3才开始充电）；备用 方式1和备用方式2闭锁投入（不去用备用方式1、备用方式2的备用方 式）。这三个条件满足其中之一，t3会瞬间放电，闭锁AAT装置。可以看出，T1、T2投入工作10-15S，等t3充足电后，AAT装置才有 可能动作。AAT装置动作使QF5合闸后，t3瞬时放电；若QF5合于故障上， 则由QF5 上的加速保护使QF5立即跳闸，此时母线III （备用方式2工作 时为母线IV）三相无压，Y6不动作，t3不可能充电。于是,AAT装置不再 动作，从而保证了 AAT 装置只动作一次。(4)AAT装置的动作过程。当备用方式1运行15秒后，AAT装置的动 作过程如下：工作变压器T1故障时，T1保护动作信号经H1使QF2跳闸； 工作母线III上发生短路故障时，1后备保护动作信号经H1使QF2跳闸； 工作母线 III 的出线上发生短路故障而没有被该出线断路器断开时，同样 由T1后备保护动作经H1使QF2跳闸；电力系统故障使母线III失压时， 在母线III无进线电流、母线IV有压的情况下经时间t1使QF2跳闸；QF1 跳闸时，母线 III 失压、母线 III 进线无电流、母线 IV 有压的情况下经 时间t1使QF2跳闸，或QF1跳闸时连跳QF2跳闸。QF2 跳闸后，在确认已跳开(断路器无电流)、备用母线有压情况 下，Y11动作，QF5合闸。当合于故障上时，QF5上的保护加速动作，QF5 跳开，AAT装置不再动作。可见，图4-8所示的AAT装置逻辑框图完全满 足 AAT 装置的基本要求。3.2 程序变电站备用电源自动投入装置的软件设计对应的简要程序如图 3-2 所示。可根据实际应用情况适当改变程序以达到工作要求。Network 1INOT1111INTONT1-PT100 ms1INTONT2-PT100 msNetwork 9丫 11臭一端输入0.0图3-2 简要程序3.3 AAT装置参数整定整定的参数有低电压元件动作值、过电压元件动作值、AAT装置充电时间、AAT装置动作时间、低电流元件动作值等。(1) 低电压元件动作值。低电压元件用来检测工作母线是否失去电压 的情况，当工作母线失压时，低电压元件应可靠动作。为此，低电压元件的动作电压应低于工作母线出线短路故障切除后电 动机自启动时的最低母线电压；工作母线(包括上一级母线)上的电抗器 或变压器后发生短路故障时，低电压元件不应动作。考虑上述两种情况， 低电压元件动作值一般取额定电压的25%。(2) 过电压元件动作值。过电压元件用来检测备用母线(暗备用时是 工作母线)是否有电压的情况。如图中以备用方式1、备用方式2运行时， 工作母线出现故障被该出线断路器断开后，母线上电动机自启动是备用母 线出现最低运行电压Umin，过电压元件应处动作状态。故过电压元件动 作电压Uop为UminUop=KrelKrNtv式中：Krel为可靠系数，取1.2；Kr为返回系数，取0.9； Ntv为电 压互感器变比。一般Uop不应低于额定电压的70% (3) AAT装置充电时间。图所示以备用方式1、备用方式2运行时， 当备用电源动作于故障上时，由设在QF5上的加速保护将QF5跳闸。若故 障是瞬时性的，则可立即恢复原有备用方式，为保证断路器切断能力的恢 复，AAT装置的充电时间应不小于断路器第二个“合闸一跳闸”间的时间 间隔。一般间隔时间取1015s 可见，AAT装置的充电时间是必需的，且充电时间应为1015s.(4) AAT装置动作时间。AAT装置动作时间是指由于电力系统的故障 使工作母线失压跳开，工作母线受电侧断路器的延时时间因为网络短路故障时低电压元件可能动作，显然此时AAT装置不能动作，所以设置延时是保证AAT装置动作选择性的重要措施。AAT装置的 动作时间Top(tl、t2)为Top=Tmax+式中：Tmax为网络发生使低电压元件的短路故障时，切除短路故障 的保护最大动作时间；At为时间常数，取0.4s。(5) 低电流元件动作值。设置低电流元件用来防止 TV 二次回路断线 时误启动AAT，同时兼做断路器跳闸的辅助判据。地电流元件动作值可取 TA 二次侧额定电流值的 8%。心得体会通过本次课程设计，使自己加强了学习与生产、理论与实际的联系， 对专业知识有初步了解，巩固已学基础知识，加强了劳动观念、实践观 念，切实提高了动手实践能力，为毕业后走向工作岗位和进一步的学习 奠定基础。在这次课程设计过程中中，我最直接的感受是，实际工作真的很复 杂，很辛苦。但是这是一个人走向社会必须承担的压力之一。所以这正 是课程设计的意义所在。通过设计，我提前体验了工作，为毕业走向工 作岗位打下了基础。成长是每个人的必经之路，无论憧憬也好，排斥也 罢，我们都迟早要面对。作为学生，要充分利用在校的课余时间，保证 学业的同时，尽可能的多参加社会实践，为自己创造机会接触外面的社 会。我始终坚信，付出总会有收获，并且一个小的成功是下一个成功的 必要准备，机会总是垂青那些有准备的人。我们每个人所能做的，不是 抱怨与成功人士的差距，而是争取机会奋起直追，成功的得来不是靠运 气，而是凭借一朝一夕积累的能力。特别感老师在课程设计过程中给予我的指导和帮助。感设计过程中帮助我的其他老师和同学们。参考文献1、变电站综合自动化现场，中国电力，丁书文主编；2、电力工程电气设计 200 例，中国电力，卓乐友等编著；3、现代电气控制及 PLC 应用技术，航空航天大学，王永华编著；4、电力工程基础，机械工业，丽华主编5、电力系统继电保护，中国电力，保会主编