变电站备用电源自动投入装置优秀课程设计.doc

1.概述
1.1概念
为确保供电可靠性，电力系统常常采取两个或两个以上电源进行供电，并考虑相互之间采取合适备用方法。当工作电源失去电压时，备用电源由自动装置立即投入，从而确保供电连续性，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确保电力系统连续可靠供电关键方法。
备用电源自动投入装置遵照基础标准以下：
①当工作母线上电压低于检无压定值，而且连续时间大于时间定值时，备自投装置方可起动。备自投时间定值应和相关保护及重合闸时间定值相配合。
②备用电源电压应工作于正常范围，或备用设备应处于正常准备状态，备自投装置方可动作，不然应给予闭锁。
③必需在断开工作电源断路器以后，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，确定该断路器在跳位后，方能合备用电源断路器。根据上述逻辑动作，能够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情况发生。
④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。
⑤避免备用电源合于永久性故障
在考虑运行方法和保护配置时，应避免备自投装置动作使备用电源合于永久性故障情况发生，通常经过引入闭锁量或检开关位置使备自投发电。比如，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，通常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，此时通常应闭锁低压侧分段开关备自投。
⑥备自投装置只许可动作一次。
以往常规备用电源自动投入装置经过装置内部电容器充放电过程来确保只动作一次。为了便于了解，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经过逻辑判定实现备自投充放电。
当备自投充电条件满足时，经 15 秒充电时间后，进入充电完成状态。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 备用电源备用方法
备用电源配置通常有明备用和暗备用两种基础方法。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所表示为多个备用方法简单接线图。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 多个备用方法简单接线图
1.2.1 明备用控制
有一个工作电源和一个备用电源接线，即为明备用配置，图1-1（a）所表示。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Ⅲ上负荷由工作电源经过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Ⅲ因某种愿意失电时，在QF2断开后，QF4合上（QF3断开时，要和QF4同时合上），恢复对工作母线Ⅲ供电。
1.2.2 暗备用控制
有两个工作电源互为备用接线，两回进线或电源同时供电，图1-1（B）(C)所表示。
在图1-1（B）中，正常工作时，母线Ⅲ和母线Ⅳ分别由T1、T2供电，分段断路器QF5处于断开状态。当母线Ⅲ和母线Ⅳ因某种原因失电时，在进线断路器QF2或QF4断开后，QF5合上，恢复对工作母线供电。这种T1或T2既工作又备用方法，称为暗备用。
需要指出是，在图1-1（B）中。T1或T2也可工作在明备用方法下。这么，对于图1-1（B）又有以下备用方法：
（1）备用方法1。T1、T2分列运行，QF2跳开后QF5由AAT装置自动合上，母线Ⅲ由T2供电
（2）备用方法2。T1、T2分列运行，QF4跳开后QF5由AAT装置动作自动合上，母线Ⅳ由T1供电。
（3）备用方法3。QF5合上，QF4断开，母线Ⅲ、Ⅳ由T1供电；当QF2跳开后，QF4由AAT装置动作自动合上，母线Ⅲ和母线Ⅳ由T2供电。
（4）备用方法4。QF5合上，QF2断开，母线Ⅲ、Ⅳ由T2供电；当QF4跳开后，QF2由AAT装置动作自动合上，母线Ⅲ和母线Ⅳ由T1供电。

2.装置硬件设计
2.1 硬件结构
以图1-1（b）所表示双电源互为备用一次接线为例，其硬件结构图2-1所表示。经过电压互感器和电流互感器将母线上电压和电流反应给电压继电器和电流继电器，其中电流互感器输出接电流继电器，电压继电器输出接过压继电器和欠压继电器。再经过这些继电器触点将母线有压、无压和母线进线有流、无流反应给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，由逻辑程序完成多种预定功效。
AAT装置关键输入和输出有以下多个：
（1） 从备用电源自动投入一次接线方案图【图1-1（b）】能够看出，测量TV3和TV4二次电压来判别母线III和IV上有、无电压，测量事三相电压并非单相电压。
（2） 采取母线III和母线IV进线电流（测量TV1和TV2二次电流），预防TV断线误判工作母线失压造成误开启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辅助判据，闭锁用电流只需一相即可。
（3） QF2、QF4、QF5跳位和合位信息由跳闸位置继电器和合闸位置继电器触点来提供，并识别系统运行方法及选择自动投入方法。
（4） 引入断路器QF2(或QF4)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，切除预先准备切除若干条不关键负荷线路。
2.2 PLC选型
从上面分析能够知道，系统共有开关量输入点11个、开关量输出点3个。参考四门子S7-200产品目录及市场实际价格，选择主机CPU224（14入/10继电器输出），此最为经济。
2.3 控制系统I/O点及地址分配
输入地址
名称
代号
I0.0
母线III无压
KV1
I0.1
母线III进线无流
KI1
I0.2
母线IV有压
KV2
I0.3
方法1投入
KF1
I0.4
T1保护
KF3
I0.5
母线IV无压
KV3
I0.6
母线IV进线无流
KI2
I0.7
母线III有压
KV4
I1.0
方法2投入
KF2
I1.1
T2保护
KF4
I1.2
方法1、方法2闭锁
KF5
输出地址
名称
代号
Q0.0
跳QF2
QF2
Q0.1
跳QF4
QF4
Q0.2
合QF5
QF5
控制系统输入/输出信号名称、代号及地址编号如表2-1所表示。
表2-1 输入/输出点代号及地址编号

2.4 电气控制系统原理图
图2-2所表示为控制电路图。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输出继电器控制，图中Q0.0、Q0.1、Q0.2为PLC继电器触点。

图2-2 控制电路图

图2-3所表示为PLC外接线图，如有需要，还能够加入扩展模块。有条件话能够接入触摸屏，经过对其设定和操作，即可按要求程序工作。

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软件原理
在图1-1（B）所表示双电源互为备用一次接线中，有四种基础备用方法，备用方法1和备用方法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合闸实现互为供电两种备用方法，是暗备用方法；备用方法3和备用方法4是一个变压器带母线III和母线IV运行（QF5必处于合位），另一个变压器备用工作方法，是明备用方法。图3-1所表示为暗备用方法1AAT装置软件逻辑框图。
图3-1 暗备用方法AAT装置软件逻辑框图
(1) AAT装置开启方法。图1-1（B）接线以备用方法1正常运行时，QF1、QF2控制开关必在投入状态，变压器T1和变压器T2分别供给电能给母线III和母线IV。在t3时间元件10-15S充足电后，只要确定QF2已跳闸，在母线由电压情况下，Y9、H4动作。QF5就合闸。这说明工作母线受电侧断路器控制开关（处合闸位）和断路器位置（处跳闸位）不是对应要开启AAT装置（在备用母线由电压情况下），即AAT装置不对应开启方法，是AAT装置关键开启方法
然而，当系统侧故障使工作电源失去电压，不对应开启方法不能使AAT装置开启时，应考虑其它开启方法辅助不对应开启方法。在实际应用中，使用最多辅助开启方法是采取低电压来检测工作母线是否失去电压。在图4-8(A)中，电力系统内故障造成工作母线III失压，母线III进线无电流，备用母线IV有电压，经过Y2开启t1时间元件，跳开QF2，AAT装置动作。可见，图4-8（A）是低电压开启AAT装置部分，是AAT装置辅助开启方法，这种辅助开启方法能反应功过母线失去电压全部情况，但着中国辅助开启方法关键问题是怎样克服电压互感器二次回路断线影响。
可见AAT装置开启含有不对应开启和低电压开启两部分，实现了工作母线任何原因失电均能开启AAT装置要求。同时能够看出，只有在QF2跳开后，QF5才能合闸，实现了工作电源断开后AAT装置才动作要求；工作母线（母线III）和备用母线（母线IV）同时失去电压，AAT不动作；备用母线（母线IV）无压，依据图4-8逻辑框图，AAT装置也不动作。
（2）AAT装置充电过程。微机型备用电源自动投入装置为了确保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充电过程（10-15S）。只有充电完成后AAT装置才进入工作状态。图4-8（C）所表示要使AAT装置进入工作状态，必需要使时间元件t3充足电，充电时间需10-15秒，这么才能为Y11装置动作准备好条件。
AAT装置充电条件是：①变压器T1T2分列运行，即QF2处合位、QF4处合位QF5处跳位，所以和门Y5动作；②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），和门Y6工作。在满足上述条件，没有AAT装置放电信号情况下，和门Y7输出对事件原件t3进行充电。当经过10-15S充电过程后，为和门Y11准备好了动作条件，即AAT装置动作准备好了条件。一旦和门Y11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装置放电功效。对AAT装置放电功效，就是在一些条件下要取消AAT装置动作能力，实现AAT装置闭锁。
t3放电条件有：①QF5处合位（AAT装置动作成功后，备用工作方法1不存在了，t3无须再充电）；②母线III和母线IV均三相无压（T1、T2不投入工作，t3严禁充电；T1、T2投入工作后t3才开始充电）；备用方法1和备用方法2闭锁投入（不去用备用方法1、备用方法2备用方法）。这三个条件满足其中之一，t3会瞬间放电，闭锁AAT装置。
能够看出,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上加速保护使QF5立即跳闸，此时母线III（备用方法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，从而确保了AAT装置只动作一次。
(4) AAT装置动作过程。当备用方法1运行15秒后，AAT装置动作过程以下：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，T1后备保护动作信号经H1使QF2跳闸；工作母线III出线上发生短路故障而没有被该出线断路器断开时，一样由T1后备保护动作经H1使QF2跳闸；电力系统内故障使母线III失压时，在母线III无进线电流、母线IV有压情况下经时间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，在确定已跳开（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上保护加速动作，QF5跳开，AAT装置不再动作。可见，图4-8所表示AAT装置逻辑框图完全满足AAT装置基础要求。
3.2程序
变电站备用电源自动投入装置软件设计对应简明程序图3-2所表示。可依据实际应用情况合适改变程序以达成工作要求。

图3-2 简明程序
3.3 AAT装置参数整定
整定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，低电压元件动作电压应低于工作母线出线短路故障切除后电动机自开启时最低母线电压；工作母线（包含上一级母线）上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，低电压元件动作值通常取额定电压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）是否有电压情况。图中以备用方法1、备用方法2运行时，工作母线出现故障被该出线断路器断开后，母线上电动机自开启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
Uop=
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。
通常Uop不应低于额定电压70%。
(3) AAT装置充电时间。图所表示以备用方法1、备用方法2运行时，当备用电源动作于故障上时，由设在QF5上加速保护将QF5跳闸。若故障是瞬时性，则可立即恢复原有备用方法，为确保断路器切断能力恢复，AAT装置充电时间应大于断路器第二个“合闸—跳闸”间时间间隔。通常间隔时间取10~15s。
可见，AAT装置充电时间是必需，且充电时间应为10~15s.
(4) AAT装置动作时间。AAT装置动作时间是指因为电力系统内故障使工作母线失压跳开，工作母线受电侧断路器延时时间。
因为网络内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，所以设置延时是确保AAT装置动作选择性关键方法。AAT装置动作时间Top(t1、t2)为
Top=Tmax+△t
式中：Tmax为网络内发生使低电压元件短路故障时，切除短路故障保护最大动作时间；△t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预防TV二次回路断线时误开启AAT，同时兼做断路器跳闸辅助判据。地电流元件动作值可取TA二次侧额定电流值8%。

心得体会
经过此次课程设计，使自己加强了学习和生产、理论和实际联络，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，切实提升了动手实践能力，为毕业后走向工作岗位和深入学习奠定基础。
在这次课程设计过程中中，我最直接感受是，实际工作真很复杂，很辛劳。不过这是一个人走向社会必需负担压力之一。所以这正是课程设计意义所在。经过设计，我提前体验了工作，为毕业走向工作岗位打下了基础。成长是每个人必经之路，不管憧憬也好，排斥也罢，我们全部迟早要面对。作为学生，要充足利用在校课余时间，确保学业同时，尽可能多参与社会实践，为自己发明机会接触外面社会。我一直坚信，付出总会有收获，而且一个小成功是下一个成功必需准备，机会总是垂青那些有准备人。我们每个人所能做，不是埋怨和成功人士差距，而是争取机会奋起直追，成功得来不是靠运气，而是凭借一朝一夕积累能力。
尤其感谢冯老师在课程设计过程中给我指导和帮助。感谢设计过程中帮助我其它老师和同学们。

参考文件
1、《变电站综合自动化现场》，中国电力出版社，丁书文主编；
2、《电力工程电气设计200例》，中国电力出版社，卓乐友等编著；
3、《现代电气控制及PLC应用技术》，北京航空航天大学出版社，王永华编著；
4、《电力工程基础》，机械工业出版社，孙丽华主编
5、《电力系统继电保护》，中国电力出版社，张保会主编