一種新型廠用電自動(dòng)切換裝置的設(shè)計(jì)

崔宇濤

（湖南省電力公司東江水電廠，湖南 郴州 432403）

1 引言

備用電源自動(dòng)投切裝置(簡(jiǎn)稱備自投)是保證供電系統(tǒng)持續(xù)可靠供電的重要措施。備自投裝置是發(fā)電廠重要的二次設(shè)備，其作用是當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)將備用電源投入，保證重要設(shè)備的供電可靠性。

PCC（Programmable Computer Controller）可 編程計(jì)算機(jī)控制器，其平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)50 萬(wàn)h，不僅有著了PLC的高可靠性，而且具有分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序由操作系統(tǒng)定時(shí)調(diào)用。程序調(diào)用周期可以預(yù)先設(shè)置，這樣可以保證控制循環(huán)時(shí)間上的一致性。PCC 還有一個(gè)時(shí)間處理器TPU（Time Processor Unit），它有自己的處理器，通過(guò)調(diào)用TPU 函數(shù)應(yīng)用程序可以間接獲得實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力，可以保證測(cè)量、控制的實(shí)時(shí)性，完全可以滿足雙電源切換控制的要求。

與目前電源自動(dòng)投切裝置相比較，PCC 數(shù)字電源自動(dòng)切換裝置具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可編程性好、維護(hù)方便、通訊簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)電廠常用的廠用電接線方式，提出一種新型基于PCC的數(shù)字電源自動(dòng)切換裝置方案。

2 電廠備自投的運(yùn)行背景

圖1是母聯(lián)或橋開(kāi)關(guān)備自投主接線圖，它是當(dāng)前廠用電的典型接線形式。

圖1 母聯(lián)或橋開(kāi)關(guān)備用接線圖

正常工作電源是從發(fā)電機(jī)出口處經(jīng)低壓變壓器引入，備用電源一般從電廠內(nèi)高壓配電裝置中較低電壓等級(jí)的母線引接或由高壓聯(lián)絡(luò)變壓器第三繞組引接。對(duì)于正常切換，在機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)，由備用電源給廠用負(fù)荷供電，當(dāng)發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行并且并網(wǎng)成功后，合上正常工作電源斷路器，使其與備用電源短時(shí)并聯(lián)，然后斷開(kāi)備用電源斷路器；機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)，先閉合備用電源斷路器，與正常工作電源短時(shí)并聯(lián)，然后斷開(kāi)工作電源斷路器，由備用電源給廠用負(fù)荷供電，再將發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)解列。當(dāng)工作電源因?yàn)楣收匣虿徽Ｇ闆r導(dǎo)致繼電保護(hù)啟動(dòng)跳開(kāi)斷路器DL1、DL3時(shí)備自投裝置在備用電源滿足合閘條件時(shí)合DL4投入備用電源。

由于廠用母線上連接有大量電動(dòng)機(jī)，廠用電低壓母線在斷電后還會(huì)出現(xiàn)幅值和頻率不斷衰減的殘壓，使其與備用電源的相角、幅值產(chǎn)生差值。隨著殘壓的快速變化，母線電壓與備用電源電壓的相角差逐漸增大。因此要求必須在快速變化中找出恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行合閘，以滿足備用電源電壓與母線殘壓的差拍電壓最小和母線上重要電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)，這就要求在斷電后快速合上備用電源，當(dāng)重合失敗后采用同期裝置合上備用電源，在電壓很低時(shí)可直接合備用電源。

3 PCC備自投裝置的硬件設(shè)計(jì)

3.1 PCC 簡(jiǎn)介

PCC 支持多種編程語(yǔ)言，除了梯形圖、C 語(yǔ)言、指令列表外，還可以使用其專用的AB 語(yǔ)言進(jìn)行編程，其編程開(kāi)發(fā)較一般的硬件更為便捷。

IP161是一種可編程I/O 處理器模塊，采用Motorola的32 位芯片，時(shí)鐘頻率6.29 MHz。在備自投控制器中作為CPU 模塊。IP161 時(shí)間處理器（TPU）具有的12路可設(shè)置高速數(shù)字輸出/輸入通道。輸出通道用來(lái)輸出斷路器合閘信號(hào)、跳閘信號(hào)、輸入通道可以接入電壓信號(hào)整形后的方波信號(hào)用于測(cè)量相角差和測(cè)頻，輸入通道還用來(lái)監(jiān)測(cè)斷路器的狀態(tài)。IP161 有6路14 位A/D，可以完成對(duì)電壓和電流的交流采樣。在通信接口方面，IP161 具有兩個(gè)RS232串口，一個(gè)CAN接口，在與其他控制通道或監(jiān)控通信時(shí)具有極大的靈活性。

3.2 PCC備自投硬件框圖

IP161的模擬量通道接入廠用電母線的電壓和工作電源電壓和備用電源電壓，工作電源的單相電流，備用電源的單相電流，IP161的數(shù)字量接口采集備用電壓、母線電壓、工作電源電壓的過(guò)零點(diǎn)。

RS232 通訊接口與觸摸屏進(jìn)行通訊，人機(jī)界面友好，CAN 通訊接口與電廠監(jiān)控系統(tǒng)連接。

4 PCC備自投的軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 自投邏輯

裝置自投由定值及對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入編程決定，各邏輯條件可分為自投允許和閉鎖條件，當(dāng)滿足自投允許而無(wú)閉鎖條件時(shí)進(jìn)行自投動(dòng)作。為防止重復(fù)動(dòng)作，動(dòng)作后加以延時(shí)限制。邏輯如圖3 所示

圖3 自投邏輯圖

4.2 信號(hào)采集

通過(guò)調(diào)用IP161的IP161ca（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)交流采樣，根據(jù)實(shí)測(cè)的頻率改變采樣間隔實(shí)現(xiàn)同步采樣，利用全波傅利葉算法計(jì)算各路的電壓電流的有效值；通過(guò)調(diào)用兩個(gè)PCC 自帶的時(shí)間測(cè)量函數(shù)LTXDIT（）來(lái)記錄備用電源、廠用母線電壓的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，以便計(jì)算它們的頻率以及相角差，為同期合閘提供依據(jù)。

4.3 備自投軟件總體結(jié)構(gòu)

正常的廠用電和備用電源的切換是通過(guò)手動(dòng)切換或者通過(guò)電廠的控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，切換程序的流程如圖4 所示

圖4 正常手動(dòng)切換工作流程

當(dāng)出現(xiàn)事故情況時(shí)，控制器自動(dòng)執(zhí)行不正常或事故切換程序，其切換流程圖如圖5 所示

圖5 不正常和事故模式下切換工作流程

備自投裝置接收到保護(hù)接點(diǎn)信號(hào)或不正常運(yùn)行信號(hào)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入事故或異常工況切換模式下運(yùn)行。裝置根據(jù)模擬量處理得到的結(jié)果依次根據(jù)主、備合閘判據(jù)判斷是否發(fā)出合閘命令。合閘條件滿足后，通過(guò)開(kāi)關(guān)量I/O 口輸出合閘信號(hào)，合閘信號(hào)經(jīng)過(guò)中間繼電器將信號(hào)放大后輸出到斷路器的合閘回路，斷路器合閘成功則返回其狀態(tài)信號(hào)使合閘輸出命令復(fù)歸并顯示在人機(jī)交互界面。如果快切方式合閘不成功，則轉(zhuǎn)入同期捕捉切換方式，同期捕捉切換方式仍不成功就采用低壓切換方式。

當(dāng)備用電源不能滿足全部供電容量，則應(yīng)在投入備用電源前有選擇地切除部分負(fù)荷，同時(shí)應(yīng)閉鎖這些線路的重合閘。利用進(jìn)線的單相電流，可以在備自投裝置投入后，對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)切除廠用母線上不重要的負(fù)荷。

5 結(jié)論

文中提出了一種動(dòng)作原理簡(jiǎn)單、可靠性高的新型備自投方案，符合備自投的基本原理，具有很好的可操控性。這種方案的設(shè)計(jì)原理不僅適用于電廠廠用電系統(tǒng)，也完全可以將其靈活應(yīng)用于其他需要電源切換的系統(tǒng)中。

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