備用電源的自投系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u13795備用電源的自投系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的案例分析 161921.1備自投設計方案 1309721.1.1控制方式的選擇 1106091.1.2備自投系統(tǒng)設計框架 286251.1.3PLC選型及配置 4218911.2系統(tǒng)硬件部分 5307301.2.1電氣一次系統(tǒng) 5234091.2.2I/O地址分配及二次控制回路 63801.3備自投運行邏輯 9192091.3.1充電條件 10302141.3.2啟動條件 11281811.3.3閉鎖條件 11110131.4系統(tǒng)軟件設計 1251981.4.1梯形圖編程過程說明 1225211.4.2程序段具體說明 1381801.5小結 19備自投設計方案控制方式的選擇傳統(tǒng)的備自投裝置一般采用大量的繼電器、接觸器等元件來搭建組成，雖然能滿足一定的控制需求，但其接線通常比較復雜，裝置出錯概率較大，而且不便于調(diào)試、檢修以及修改控制邏輯，使用壽命較短，難以滿足較高的供電可靠性要求，同時無法解決通信問題，多級備自投之間不能有效地配合。隨著信息時代來臨，微機型備自投裝置應運而生，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應用于電力系統(tǒng)中，以高性能單片機和PLC為控制核心的微機備自投裝置占據(jù)了主體地位，通過軟件編程的方式替代了硬件間的實際接線，極大地方便了控制程序的調(diào)試和修改，而不需要像傳統(tǒng)型一樣重新布線。同時，微機型設備使變電站運行更加自動化，實現(xiàn)分散控制和集中管理，提高了系統(tǒng)的可靠性和高效性[15]。本課題選用了可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）的控制方式，PLC實質(zhì)上是一種專用于工控領域的計算機，具有通用性強、體積小、功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，包括電源、CPU、存儲、信號、通信等多個模塊。PLC的運行過程一般包含三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，完成這三個階段稱為一個掃描周期。在整個運行期間，CPU以固定的掃描速率對這三個步驟重復執(zhí)行[16]。基于PLC的備自投減少了繼電器的使用數(shù)量，用PLC內(nèi)部的虛擬繼電器替代了實物繼電器，根據(jù)開關量輸入信號，直接通過程序給出輸出信號，減少了一些中間步驟，同時能把延時做的更加精準，降低了出錯的概率[17]。相比較于單片機的控制方式，PLC的編程語言更容易使工程技術人員理解和掌握。單片機的編程語言往往為C語言，例如C51語言，需要掌握一定計算機編程知識的人員來編寫；而PLC的編程語言包含了梯形圖、指令表、功能模塊圖、順序功能圖和結構化文本五種，本設計采用了梯形圖編程語言，相較于其他幾種，梯形圖編程沿用了傳統(tǒng)的繼電器接線邏輯，程序編寫更加直觀，對于電氣設計人員來講更加熟悉。備自投系統(tǒng)設計框架根據(jù)本課題研究內(nèi)容和備自投工作原理，可構建出備用電源自動投入系統(tǒng)框架，其硬件部分主要是變電站一次系統(tǒng)及其二次控制回路部分，軟件部分包含利用Step7編寫的PLC控制程序、PLCSIM運行仿真和組態(tài)軟件的搭建模型與監(jiān)控。本課題以110kV變電站為例，分別為其設計了高壓側(cè)110kV的進線備自投、橋備自投和低壓35kV側(cè)分段備自投三種方案。如圖3.1所示為本課題備自投系統(tǒng)的設計思路，首先將備自投裝置接入到變電站中，利用電壓互感器從一次系統(tǒng)中采集到的電壓信號，傳輸?shù)角冯妷豪^電器中，以繼電器的觸點動作信號、斷路器分合位置信號以及備自投的閉鎖信號作為開關量信號輸入到PLC控制核心，控制程序需根據(jù)備自投不同的工作方式分別編寫，在下文會對PLC程序邏輯具體展開。由PLC產(chǎn)生的開關量輸出信號，通過中間繼電器，到達斷路器的控制繼電器，進而控制變電站一次系統(tǒng)中斷路器的動作，實現(xiàn)投入備用電源的目的，同時報警信號輸出到指示燈，在母線失電情況下報警，備用電源投入后解除報警。PLC與上位機實時交互信息，可直觀地展示和控制備自投系統(tǒng)，但離開上位機系統(tǒng)仍可以正常工作，作為下位機的PLC才是系統(tǒng)必不可少的部分。圖3.SEQ圖\*ARABIC\s11備自投系統(tǒng)設計框架如圖3.2所示為PLC內(nèi)部的控制邏輯，雖然在不同工作方式下備自投的具體運行邏輯不同，但其都是通過三類控制條件來搭建運行邏輯：充電條件、啟動條件、閉鎖條件，本章第三節(jié)會具體分析各個條件。關于備自投系統(tǒng)的程序設計，應考慮到電力系統(tǒng)中的大部分故障，但是對于一些出現(xiàn)概率極小的故障，不應考慮到備自投設計中，以免使設計邏輯過于復雜，降低可靠性，總之要根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場實際情況，合理地優(yōu)化PLC程序。首先，PLC上電復位，接收輸入信號，實時采集系統(tǒng)電壓、電流、斷路器等各項參數(shù)。當備自投正常不閉鎖情況下，首先判斷是否滿足充電條件，若不滿足，備自投不充電返回，PLC繼續(xù)掃描輸入信號，采集參數(shù)；若滿足充電條件，則通過定時器設置延時，模擬充電時間。完成充電后，判斷是否滿足啟動條件，系統(tǒng)正常運行時并不滿足啟動條件，只需保持充電狀態(tài)，備自投裝置準備就緒，等待滿足啟動條件；若滿足啟動條件，經(jīng)延時后判斷是否滿足閉鎖條件，如不滿足則備自投動作，備用電源投入至母線，動作一次后備自投放電；如果滿足閉鎖條件則直接放電，備自投單次工作結束。圖3.SEQ圖\*ARABIC\s12PLC控制邏輯PLC選型及配置第一小節(jié)確定了PLC的控制方式，但PLC的生產(chǎn)廠商和型號種類眾多，世界上有200多家PLC廠商以及400多種PLC產(chǎn)品，第一章中也曾提到，西門子、施耐德、三菱、歐姆龍等多家公司都研制出了性能優(yōu)越的電氣自動化設備，不同種類PLC適用場合也各有側(cè)重，本課題選擇了在工業(yè)控制中應用較為廣泛的德國西門子公司生產(chǎn)的經(jīng)典的S7-300系列PLC，具體CPU型號為CPU314C-2DP。關于PLC的選型，首先要了解被控對象特點，滿足控制所需功能，然后確定輸入輸出形式以及數(shù)量，確保I/O接口足夠使用，此外，經(jīng)濟性可靠性也要考慮其中。對于本課題來講，備用電源自投裝置安裝于變電站內(nèi)，主要控制的是一次系統(tǒng)中斷路器的動作，工作環(huán)境較為復雜，不適合采用整體式PLC，經(jīng)過大概預算，一種備自投方式需要8點輸入和10點輸出，且全部為開關量輸入輸出。S7-300是一款中檔性能的PLC產(chǎn)品，采用了模塊化的設計，屬于緊湊型結構，適用于高可靠性的大中型的較復雜的控制系統(tǒng)，信號模塊集成了24路開關量輸入和16路開關量輸出，如需增加I/O變量，可在導軌中加入擴展模塊[18]。功能模塊包含了定時器、計數(shù)器等功能，通信模塊帶有MPI及PROOFIBUS通信接口，完全滿足了本課題的設計需求，此外還配有存儲卡等多種有利功能。系統(tǒng)硬件部分電氣一次系統(tǒng)電氣一次部分主要負責電能發(fā)出、輸送、變換、分配等，是電力系統(tǒng)的主體部分，如圖3.3所示為本課題110kV變電站一次主接線圖，是比較常規(guī)的兩進線一母聯(lián)形式，高壓側(cè)110kV采用內(nèi)橋接線形式，低壓側(cè)35kV采用單母線分段接線形式。此圖為經(jīng)典的電力系統(tǒng)單線圖，采用單線表示三相線的方式，更加簡潔直觀，使用的畫圖軟件是office軟件系列中的Visio2019。如圖3.3所示，兩進線處和四段母線處都配置了電壓互感器，實時采集電壓信號，每段線路上都配置了電流互感器，采集線路上電流信號，斷路器兩側(cè)都配置了隔離開關，便于斷路器退出檢修和倒閘操作，同時主變壓器兩側(cè)也配有隔離開關。圖中包含了變電站中部分的一次設備，未畫出避雷器、接地裝置、無功補償裝置等設備。兩路電源進線可以分別為Ⅰ段和Ⅱ段母線供電，母聯(lián)斷路器CB3處在分位置，兩電源互為暗備用；也可以采用一主一備的明備用方式，本課題假設進線1為主供電源，同時為Ⅰ段和Ⅱ段母線供電，進線2為備用電源，進線斷路器CB2處在分位置。對于變電站的低壓側(cè)，一般只存在暗備用的工作方式，即兩臺主變分列運行，母聯(lián)斷路器CB6處在分位置[19]。圖3.3110kV變電站一次主接線圖I/O地址分配及二次控制回路對于開發(fā)PLC控制程序來說，I/O地址的分配是一個重要環(huán)節(jié)，本課題中涉及到了較多的開關量輸入輸出，需結合控制信號和被控對象，合理分配地址，以便于程序編寫。如表3.1和表3.2所示，分別為高壓側(cè)進線、分段備自投兩個設計方案的輸入和輸出地址分配，由于兩個方案的控制對象基本相同，便可采用同樣的I/O地址表，但在實際應用中只需采用一種方案。表3.SEQ表\*ARABIC\s11高壓側(cè)I/O地址輸入部分名稱符號地址Ⅰ段母線欠壓信號KV1I0.0Ⅱ段母線欠壓信號KV2I0.1進線1欠壓信號KV3I0.2進線2欠壓信號KV4I0.3Ⅰ母線來路有電流信號KA1I0.4Ⅱ母線來路有電流信號KA2I0.5手動/遙控信號KA3I0.6主變/母線/失靈保護信號KA4I0.7名稱符號地址進線1斷路器CB1Q0.0進線2斷路器CB2Q0.1高壓側(cè)橋斷路器CB3Q0.2隔離開關1Q1Q0.3隔離開關2Q2Q0.4隔離開關3Q3Q0.5隔離開關4Q4Q0.6隔離開關5Q5Q0.7隔離開關6Q6Q1.0報警指示燈L1Q1.1表3.SEQ表\*ARABIC\s12高壓側(cè)I/O地址輸出部分對于低壓側(cè)35kV分段備自投方案，由于控制的對象不同，需重新分配I/O地址，如表3.3和表3.4所示分別為其輸入和輸出部分。表3.SEQ表\*ARABIC\s13低壓側(cè)I/O地址輸入部分名稱符號地址Ⅲ段母線欠壓信號KV1I0.0Ⅳ段母線欠壓信號KV2I0.1Ⅲ母線來路有電流信號KA1I0.4Ⅳ母線來路有電流信號KA2I0.5手動/遙控信號KA3I0.6母線/失靈保護信號KA4I0.7表3.SEQ表\*ARABIC\s14低壓側(cè)I/O地址輸出部分名稱符號地址T1斷路器CB4Q0.0T2斷路器CB5Q0.1低壓側(cè)母聯(lián)斷路器CB6Q0.2隔離開關11Q11Q0.7隔離開關12Q12Q1.0報警指示燈L2Q1.1電氣二次部分的作用主要是對一次部分進行監(jiān)測、保護、控制等，通過電流、電壓互感器與一次部分取得電的聯(lián)系，變電站中常規(guī)的二次設備包括測量儀表、繼電保護裝置、熔斷器、控制開關、自動裝置（如備自投裝置）等。如圖3.4和圖3.5所示為分別高壓側(cè)和低壓側(cè)備自投系統(tǒng)的二次回路，對應上方的地址分配表，輸入輸出端子對應正確接線，輸入端繼電器觸點一端接輸入接口，一端接公共端；輸出端繼電器線圈一端接輸出接口，一端接公共端；24V電源正極接L+，負極接公共端M。圖SEQ圖\*ARABIC3.4高壓側(cè)備自投二次回路圖3.5低壓側(cè)分段備自投二次回路備自投運行邏輯為了編寫PLC控制程序，首先應分析備自投裝置應滿足的功能及要求，然后設計運行邏輯，根據(jù)邏輯推導出梯形圖程序。備自投裝置的運行邏輯主要有三類控制條件：充電條件、閉鎖條件和啟動條件，其邏輯關系大致如圖3.6所示，各條件的具體內(nèi)涵及邏輯圖會在本節(jié)的各小節(jié)闡述。圖3.6備自投運行邏輯充電條件關于微機型備自投系統(tǒng)，如何讓備自投只動作一次是一項重要設計。在傳統(tǒng)的備自投系統(tǒng)中，可以用人工手動復歸的方法來保證備自投只動作一次。在微機型備自投的設計中，為了滿足只動作一次的要求，不得不引入“充放電”的概念，類似于繼電保護中的線路自動重合閘，只有滿足充電條件才可對重合閘裝置充電。同樣，對于備自投系統(tǒng)，只有當目前電力系統(tǒng)中的一些設定條件滿足備自投允許啟動時，才可對備自投裝置進行充電。充電完成后，備自投裝置準備就緒，當系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時備用電源才可以順利投入，在備用電源完成投入后，備自投系統(tǒng)就會自動放電，一直到故障被解決，系統(tǒng)恢復正常運行，然后等待滿足下一次的充電條件才會開始下一次充電，這樣便達到了備自投系統(tǒng)僅動作一次的目的。傳統(tǒng)的備自投系統(tǒng)的充放電過程便是電容器的充放電配合中間繼電器動作的過程，而微機備自投系統(tǒng)中，往往采用的是邏輯運算與軟件的延時替代充電的過程，備自投裝置依據(jù)采集到的電壓電流信號和斷路器位置信號判斷是否滿足充電條件。T1代表了備自投的充電時間，大概在10s~15s，時間的設定主要考慮到以下兩點，一是等待系統(tǒng)中因故障而產(chǎn)生的擾動被平息，使系統(tǒng)恢復到一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)；二是為了與繼電保護以及重合閘裝置配合，躲過對側(cè)相鄰保護最后一段的延時以及重合閘的最長動作周期，以免備用電源投入后造成更嚴重的故障，擴大事故影響[20]。如圖3.7所示，以方案一高壓側(cè)進線備自投為例，其充電條件為：CB1在合位置&CB2在分位置&CB3在合位置&Ⅰ段母線三相有壓&Ⅱ段母線三相有壓&進線2有壓，以此代替圖3.6中的充電條件即可。圖3.7進線備自投充電條件方案二高壓側(cè)橋備自投的充電條件為：CB1在合位置&CB2在合位置&CB3在分位置&Ⅰ段母線三相有壓&Ⅱ段母線三相有壓；方案三低壓側(cè)分段備自投與方案二運行邏輯基本相同，其充電條件為：CB4在合位置&CB5在合位置&CB6在分位置&Ⅲ段母線三相有壓&Ⅳ段母線三相有壓。啟動條件工作母線的失壓是備自投重要的啟動條件，一般認為所測電壓小于標準值的70%為失壓狀態(tài)，本設計采用的欠壓繼電器可設置電壓閾值為70%的標準值[21]，實測電壓小于閾值則欠壓繼電器觸點動作，開關量信號輸入到備自投系統(tǒng)，但需經(jīng)一段延時檢測，若延時后母線仍處于失壓狀態(tài)，則認為主供電源線路發(fā)生了故障，需切掉主供電源投入備用電源。此處延時考慮的是系統(tǒng)中的電壓波動造成的失壓的假象，經(jīng)延時可躲開電壓波動。此外，無論主供線路的斷路器是否被繼電保護裝置斷開，備自投裝置啟動后都要再跳開一次此斷路器，防止形成電磁環(huán)網(wǎng)，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖3.8所示，同樣以方案一進線備自投為例，其啟動條件為：段母線三相無壓&Ⅱ段母線三相無壓&進線2有壓，以此代替圖3.6中的啟動條件即可。圖3.8進線備自投啟動條件方案二高壓側(cè)橋備自投的啟動條件有兩個，滿足其中一個便可啟動，分別為：CB1在合位置&Ⅰ段母線三相有壓&Ⅱ段母線三相無壓CB2在合位置&Ⅰ段母線三相無壓&Ⅱ段母線三相有壓方案三低壓側(cè)分段備自投與方案二類似，其啟動條件分別為：CB4在合位置&Ⅲ段母線三相有壓&Ⅳ段母線三相無壓CB5在合位置&Ⅲ段母線三相無壓&Ⅳ段母線三相有壓閉鎖條件備自投系統(tǒng)的設計是為了增強電力系統(tǒng)的供電可靠性，但在某些情況下備自投的加入會起到相反的作用，此時就要考慮為備自投裝置設置閉鎖信號，當有閉鎖信號輸入時，備自投立刻放電退出。其閉鎖條件主要考慮了以下幾點，如圖3.9所示：運維人員手動斷開工作電源，或遙控斷路器斷開，備自投不應啟動，因此設計備自投時應設置相應繼電器作為閉鎖條件。電壓互感器二次側(cè)斷線會造成母線失壓的假象，因此需通過電流互感器采集到的電流信號確定母線是否同時失去電流和電壓，若只是失壓則判定是電壓互感器出現(xiàn)故障，此時需閉鎖備自投。變電站發(fā)生內(nèi)部故障時，備自投系統(tǒng)不應工作，以免擴大事故。因此主變壓器保護、母線保護和斷路器失靈保護的動作可作為備自投的閉鎖信號輸入。圖3.9備自投閉鎖條件系統(tǒng)軟件設計梯形圖編程過程說明本課題選用了西門子S7-300系列PLC作為控制器，其編程軟件為Step7，本課題選用了Step7V5.6版本，是目前為S7-300PLC編程的常用版本。Step7不僅具有編程功能，還包含硬件配置、通訊組態(tài)、運行監(jiān)視、診斷等功能，基本滿足一套PLC控制系統(tǒng)的搭建需求。如圖3.10所示，首先在SIMATIC管理器內(nèi)新建項目，選擇LAD編程語言，插入SIMATIC300站點，然后進入硬件組態(tài)環(huán)境，插入導軌和CPU314C-2DP，修改輸入輸出起始地址，保存并編譯；點擊S7程序，進入組織塊OB1便可開始編寫程序。圖3.10PLC硬件組態(tài)程序段具體說明本課題三個方案需要有三套不同的控制程序，本小節(jié)將對三套程序的各程序段功能展開具體說明，如下所示：高壓側(cè)進線備自投本方案假設進線1為主供電源，進線2為備用電源，模擬進線1失電，進線2投入到母線，反之同樣成立，只需調(diào)換輸出接口便可，本程序共包含9個程序段，如圖3.11所示。圖STYLEREF1\s3.11.1充電條件程序程序段1對應本章第三節(jié)的充電條件，由于各充電條件是與邏輯運行，所以在梯形圖上呈現(xiàn)串聯(lián)方式，當進線1斷路器閉合，進線2斷路器分斷，橋斷路器閉合，Ⅰ段Ⅱ段母線和備用電源均正常有壓時，輔助繼電器M0.0線圈通電，其常開觸點閉合。圖STYLEREF1\s3.11.2充電延時程序程序段2是一個延時程序，代表了充電時間，定時器選用了接通延時定時器，當輸入端S收到上升沿信號后，定時器啟動，經(jīng)過設定時間后輸出端Q置1，輔助繼電器M0.1線圈通電并保持，其常開觸點閉合。圖STYLEREF1\s3.11.3啟動條件程序程序段3對應的是本章第三節(jié)的啟動條件，同樣是與邏輯運算，備用電源正常、Ⅰ段Ⅱ段母線失壓都滿足時觸發(fā)備自投啟動，M0.2線圈通電，其常開觸點閉合。圖STYLEREF1\s3.11.4報警程序程序段4是一個報警程序，當高壓側(cè)任一母線處于失壓狀態(tài)，報警指示燈通電工作，當兩段母線都正常工作時報警信號才能解除。圖STYLEREF1\s3.11.5啟動延時程序程序段5代表了啟動延時，同樣采用了接通延時定時器和輔助繼電器的配合，M0.2觸點閉合后經(jīng)過10s延時接通M0.3線圈，其常開觸點閉合，此延時為了在母線失電后等待重合閘等裝置動作完成。圖STYLEREF1\s3.11.6閉鎖條件程序程序段6對應本章第三節(jié)的閉鎖條件，當三個閉鎖條件都不滿足時才可接通M0.4線圈，使其常開觸點閉合，備自投啟動，準備開始倒閘操作。圖STYLEREF1\s3.11.7切斷故障電源程序程序段7的功能是斷開主供電源，正常情況下故障引起的母線失壓繼保裝置會切斷進線斷路器，為了安全起見，控制程序中也加入了主供電源的復位信號，保證備用電源投入后不造成更大事故，同時觸發(fā)繼電器M0.5接通下一段程序。圖STYLEREF1\s3.11.8隔離開關動作程序程序段8是在主供電源切斷后，將備用電源進線斷路器兩側(cè)的隔離開關依次閉合，為了保證電弧去游離完成，在兩動作之間增加了1s延時，正確順序是先合電源側(cè)隔離開關，后合負荷側(cè)隔離開關，為了優(yōu)化程序此處省略延時，同時觸發(fā)繼電器M0.6接通下一段程序。圖STYLEREF1\s3.11.9備用電源投入程序程序段9實現(xiàn)了備用電源的投入，在隔離開關閉合后間隔0.5s，合上進線2斷路器，為母線持續(xù)供電，完成一次備自投，同時復位繼電器M0.1，代表備自投裝置放電，等待線路故障檢修完成后，主供電源重新正常供電后，才可為備自投裝置充電，準備下一次動作。高壓側(cè)橋備自投本方案兩電源進線同時工作，橋斷路器處在分位置，當高壓側(cè)任意一段母線失電時，橋斷路器閉合，另一路電源作為備用投入，為兩段高壓母線同時供電，本程序共包含13個程序段，如圖3.12所示。圖STYLEREF1\s3.12.1充電條件程序同方案一，程序段1對應本章第三節(jié)方案2充電條件，都