基于PLC 的變電站備用電源自動投入控制技術

劉文銳

（國網湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

基于熱備用線路的變電站備用電源自動投入控制技術，主要是在電源側與負荷側各配置一個備用電源自動投入裝置，以熱備用線路電源、負荷雙重控制的形式，避免變電站容性無功較高的問題，從而解決主變線路永久性故障的問題[1]。基于多維分析的變電站備用電源自動投入控制技術，主要是利用一次主設備、二次主設備以及輔助設備相結合的形式，將典型接線區域進行保護，從而提升用戶的用電可靠性[2]。以上2 種控制技術會受到線路配置、負荷分配等多種因素的影響，經常出現誤動作，影響控制效果[3]。因此，文章結合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的優勢，設計變電站備用電源自動投入控制技術。

1 變電站備用電源自動投入的PLC 控制技術設計

1.1 提取變電站備用電源自動投入動作特征

對于主變壓器而言，負荷主要集中在高壓側[4]。通過高壓側電壓變化情況，判斷備用電源母線電壓的有壓或失壓狀態。為防止備自投的誤動作問題，增加自動判別條件，公式為

式中：Ua、Ub、Uc為母線線電壓；Uy為有壓定值；Us為無壓定值。當母線線電壓平均值大于或等于Uy時，工作電源為有壓工作狀態；當母線線電壓平均值小于等于Us時，工作電源為無壓工作狀態，無法正常運行[5]。在失壓狀態下，變電站線路以1 主供帶雙臺主變運行，備用電源在主供線路故障或無故障跳開之后，采用備用電源恢復供電。在低壓側空載狀態時，變壓器帶負荷合閘動作的電路特征為

式中：Uk為低壓側空載狀態的負荷合閘動作電壓特征；Um為空載電壓；ω為電壓角速度；t為合閘時間；α為合閘瞬間電壓相位角。變壓器空載合閘的磁通變化特征如圖1 所示。

圖1 變壓器空載合閘磁通變化特征示意

由圖1可知，在α=90°時，磁通表示為φmcosωt-φm，最大磁通能夠達到穩態的2 倍。將磁通衰減到一個更小的值，就能通過涌流衰減控制電源電流，從而實現備自投電流控制的目標。

1.2 基于PLC 控制備用電源自動投入熱穩定狀態

根據變電站備用電源潮流轉移量，預先切除電源部分負荷，并利用PLC 預留控制裕度，防止過切負荷的問題。選用PLC 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）作為控制中樞，按照可編程邏輯控制程序，檢查變電站備用電源的運行情況，并利用輸入輸出（Input/Output，I/O）輸入定時控制的自動投入狀態。將變電站備用電源自動投入使用的現場狀態與數據存儲在I/O 映象區，并從邏輯控制存儲中心讀取備用電源的投入狀態。在I/O 映象區輸入PLC 控制投入動作指令，將控制后的投入動作與電源輸出狀態傳送到相應的輸出數據I/O 中，以循環的形式進行自投控制，直至完成變電站復電。PLC 組態配置如表1 所示。

表1 PLC 組態配置表

表1 中，PLC 進行備自投控制工作的過程中，分成備用電源動作狀態識別、判斷階段；執行備自投控制動作階段；輸出鎖存電路，完成備自投控制階段。為防止備用電源容量不足，導致元件過載的問題，根據潮流轉移量，確定合閘動作的預切負荷，公式為

式中：Px為合閘動作控制狀態下，需要切除的負荷；P-2S為備自投控制前2 s 時，高壓側的進線功率；Py為備自投控制的允許最大運行功率。備自投控制合閘動作完成之后，將合閘動作的實時功率輸入PLC 的I/O 映象區中，在其中分析計算過載狀態的預切負荷，公式為

2 仿真實驗

2.1 實驗過程

本次實驗以110 kV 變電站為仿真模型。其具有2 臺主變壓器，容量均為50 000 kVA。變電站設備電壓等級分為110 kV 和10kV，可以滿足備用電源自動投入需求。變電站的一次接線仿真模型如圖2 所示。

圖2 變電站的一次接線仿真模型

由圖2 可知，185、186、182、181、581、582 均為斷路器；548、549 為電源出線程序。當110 kV 線路或1#變跳閘時，110 kVA 母線失壓，變電站啟用備用電源。而548、549 隨著110 kV 線路跳閘失去電源，母線電壓無法達到自投裝置啟動值。在分步切投的控制模式下，模擬主變正常投入的情況，以主變充電再投入負荷的形式完成自動投入。主變在短時間內承受多次沖擊，沖擊大小與負荷投入時序有關。實驗將備自投控制的穩態時序設定為M與N這2 種。其中：M為變壓器備用電源在充電后的300 ms 合閘主變中壓側，再經300 ms 合閘低壓側時，第二次合閘沖擊達到的穩態時序值；N為在充電后的300 ms 合閘主變中壓側，再經300 ms 合閘低壓側在充電后的1 s 合閘主變中壓側，再經300 ms 合閘低壓側時，第二次合閘沖擊達到的穩態時序值。

2.2 實驗結果

在其他條件均一致的情況下，將文獻[1]基于熱備用線路的變電站備用電源自動投入控制技術的時序即電流涌流峰值變化情況、文獻[2]基于多維分析的變電站備用電源自動投入控制技術的時序即電流涌流峰值變化情況以及文章設計的基于PLC 的變電站備用電源自動投入控制技術的時序即電流涌流峰值變化情況進行對比，實驗結果如表2 所示。

表2 時序即電流涌流峰值變化情況對比 單位：s

表2 中：TR_A 為跳主供線動作；TR_B 為跳主變中低壓側投入動作；TR_C 為合備供線動作；TR_D 為合主變中壓側動作；TR_E 為合主變低壓側動作；TR_F 為備投成功動作；TR_G 為第一次沖擊電流峰值；TR_H 為第二次沖擊電流峰值。

在其他條件一致的情況下，采用文獻[1]基于熱備用線路的變電站備用電源自動投入控制技術后，穩態時序1 沖擊電流峰值在直接合閘的11.62 s 達到最大值；穩態時序2 沖擊電流峰值在直接合閘的12.63 s 達到最大值，衰減時間較長，影響自動投入控制效果。使用文獻[2]基于多維分析的變電站備用電源自動投入控制技術后，穩態時序1 沖擊電流峰值是在直接合閘的6.24 s 達到最大值；穩態時序2 在直接合閘的7.16 s 達到最大值。使用文章設計的基于PLC的變電站備用電源自動投入控制技術之后，穩態時序1 沖擊電流峰值是在直接合閘的4.15 s 達到最大值；穩態時序2 在直接合閘的5.01 s 達到最大值，衰減時間較慢，可以滿足穩態時序與電流投入控制需求，

3 結 論

近年來，我國電能需求持續增加，供電可靠性與電能質量對于人們的生產生活造成較大的影響。電力系統的規模持續擴大，受到的不確定性因素較多，更容易發生大規模的停電事故。備用電源是變電站保持穩定運行的關鍵，其自動投入裝置能夠預先設定備用電源投入模式，更加快速地恢復供電。利用PLC，設計變電站備用電源自動投入控制技術，將備用電源自投動作控制得更加精準，為變電站的穩定使用提供保障。