基于PLC技術(shù)的110kV降壓變電站備用電源自投裝置設(shè)計(jì)摘要隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，電力用戶的不斷擴(kuò)充和更新，電力供應(yīng)的可靠性和持續(xù)性漸漸受到了的重視。在滿足用戶供電質(zhì)量的前提下，如何進(jìn)一步提高供電的可靠性，減少停電時(shí)間，應(yīng)是目前電力技術(shù)研究所致力的方向。變電站備自投系統(tǒng)，作為提高供電可靠性的一項(xiàng)重要手段，歷時(shí)多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中。本文以110kV降壓變電站為例，設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯控制器（PLC）的備自投裝置，相比于傳統(tǒng)的備自投裝置，基于PLC的備自投系統(tǒng)不需要眾多的繼電器和復(fù)雜的接線，這樣不僅降低了出錯(cuò)率，而且提高了靈活性，適用于多種復(fù)雜工況，此外，PLC兼容大多的計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，使備自投系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定高效。本文首先闡述了備自投裝置的原理，分析了備自投幾種基本工作方式，然后構(gòu)建備自投系統(tǒng)框架，選擇合適的控制器型號(hào)，作為被控對(duì)象的變電站一次系統(tǒng)，其主接線形式以及工作方式往往有多種，本設(shè)計(jì)初期針對(duì)變電站常規(guī)的兩進(jìn)線一母聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)備自投運(yùn)行邏輯，設(shè)計(jì)二次控制回路，編寫梯形圖控制程序，利用Step7軟件及PLCSIM模擬運(yùn)行并仿真，并嘗試用組態(tài)王軟件對(duì)自投裝置進(jìn)行監(jiān)控和操控。在設(shè)計(jì)后期，考慮到備自投系統(tǒng)存在的特殊問題，采取了多種措施予以解決，而且考慮到變電站主接線方式或運(yùn)行方式改變時(shí)，如何修改輸入輸出端子接線及控制程序，來滿足不同工況下的備自投運(yùn)行需求，不斷提升系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和仿真，最終完成了110kV變電站高低壓側(cè)共計(jì)三種備自投方案，模擬實(shí)現(xiàn)了在變電站一次系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)電源切換的工作過程，減少了下一級(jí)變電站及用戶的停電時(shí)間，達(dá)到了持續(xù)穩(wěn)定供電的目的，提高了供配電系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵詞：備自投PLC供電可靠性自動(dòng)化目錄TOC\o"1-3"\h\u31043第一章緒論 緒論概述電力工業(yè)的發(fā)展初期，電能是由用戶附近的發(fā)電站直接生產(chǎn)的，因而各個(gè)發(fā)電站是孤立運(yùn)行的。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，對(duì)于電能的需求迅速增加，而在我國，能源資源與能源需求呈現(xiàn)逆向分布，能源豐富的西部地區(qū)遠(yuǎn)離用電集中的東部城市，為解決掉這個(gè)分布矛盾，就要在那些資源豐富的地區(qū)建造大型的發(fā)電廠，然后將電能遠(yuǎn)距離輸送到電力用戶；與此同時(shí)，為了提高供電的可靠性和資源的利用率，在發(fā)電廠和用戶之間，建立了基于變電站和輸電線路的電力網(wǎng)，電能由發(fā)電廠產(chǎn)生，先通過升壓變電站進(jìn)入遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)，后通過由不同電壓等級(jí)的降壓變電站組成的配電網(wǎng)，最后到達(dá)用戶，隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大、改進(jìn)和發(fā)展，漸漸形成了現(xiàn)如今穩(wěn)定高效的電力系統(tǒng)[1]。隨著信息時(shí)代的來臨，電氣自動(dòng)化技術(shù)也迎來了蓬勃發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化是應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、通信以及電力電子技術(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電、變電、配電、用電幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理等，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制[2]。電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置，便是電力系統(tǒng)自動(dòng)化最為典型的方式，這些裝置往往具有檢測(cè)、決策、控制等功能，大多安裝于變電站內(nèi)，成為變電站二次系統(tǒng)的一部分，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，在我國的電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本課題研究的便是一種經(jīng)典且重要的電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置：備用電源自動(dòng)投入裝置。隨著智能變電站技術(shù)的大力推廣，備自投裝置也在與時(shí)俱進(jìn)，從傳統(tǒng)型的由繼電器控制的備自投裝置，到如今多種類的微機(jī)型備自投裝置，靈活性、適用性和智能化更加被凸顯出來。電力系統(tǒng)中的備自投裝置大多安裝于變電站內(nèi)，變電站作為電力系統(tǒng)不可或缺的部分，與電力系統(tǒng)共同發(fā)展了一百多年，在這一百多年的發(fā)展歷程中，變電站在建造場(chǎng)地、電壓等級(jí)、設(shè)備情況等方面都發(fā)生了巨大的變化。在電力系統(tǒng)中，變電站是輸電和配電的集結(jié)點(diǎn)，其規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營、維護(hù)等都對(duì)電網(wǎng)的安全性和供電可靠性起著重要的作用，而備自投裝置的加入和改造將更加證明供電可靠對(duì)于電力系統(tǒng)的重要意義。本課題的研究意義電力已經(jīng)是人類生產(chǎn)生活不可或缺的一部分，電力供應(yīng)也成為了舉足輕重的問題，停電時(shí)間、停電次數(shù)、停電范圍已經(jīng)成為了衡量一個(gè)國家電力科技水平的重要指標(biāo)，而在發(fā)電廠和用戶之間的電力網(wǎng)扮演著輸電、變電和供配電的重要角色。停電來源于故障，而故障對(duì)于任何系統(tǒng)來講都是棘手且不可避免的問題，同樣，電力系統(tǒng)的故障也是一個(gè)不小的威脅，時(shí)刻影響著電網(wǎng)的安全可靠，由于電力網(wǎng)絡(luò)日趨擴(kuò)充，接線愈加復(fù)雜，故障的種類也愈加繁多，因此出現(xiàn)了多種的繼電保護(hù)裝置，如過電流保護(hù)、距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)等，但繼電保護(hù)裝置只切掉了故障電源，阻止了故障的蔓延，并沒有辦法使電網(wǎng)繼續(xù)為用戶供電。為了保障持續(xù)性供電，對(duì)于電網(wǎng)中的一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷，如大型醫(yī)院、煉鋼廠、礦井、交通樞紐等，基本上要求采用有備用接線方式，而對(duì)這些重要負(fù)荷供電的變電站，需設(shè)計(jì)一套完備的的備用電源自動(dòng)投入系統(tǒng)[3]，以便在某一回進(jìn)線或變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)投入備用電源，為母線充電，保證供電不中斷，滿足一些大型用電設(shè)備乃至更重要負(fù)荷的供電需求，保障人民生產(chǎn)生活安全和高效，同時(shí)，備自投裝置的不斷改良，也加快了變電站自動(dòng)化水平的提升。伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)中一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷數(shù)量在不斷增長(zhǎng)，越來越多的電力用戶對(duì)電能質(zhì)量、供電可靠等指標(biāo)有了更多更高的要求[4]，依據(jù)工藝和生產(chǎn)要求而言，很多企業(yè)都是連續(xù)性生產(chǎn)單位，電力供應(yīng)自然是保障連續(xù)生產(chǎn)的基石，而三級(jí)負(fù)荷則可能會(huì)逐漸減少甚至消失，因此以備自投裝置為例的電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置也會(huì)得到更多的應(yīng)用，發(fā)揮更多的價(jià)值。本課題研究的以PLC為控制核心的微機(jī)型備自投裝置，便是可應(yīng)用在多種接線形式、多種電壓等級(jí)的變電站，以梯形圖為主的編程方式，在一定程度上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和編程工作，在程序修改和移植方面也更加便捷。并且PLC技術(shù)可兼容更多先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，使電力系統(tǒng)中融入更多現(xiàn)代化智能化的技術(shù)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的效率和可靠性。本課題的研究現(xiàn)狀及前景國內(nèi)從上世紀(jì)80年代中后期開始研究變電站自動(dòng)化的相關(guān)技術(shù)，備自投裝置作為保護(hù)裝置的一種，其發(fā)展歷經(jīng)了電磁型、集成電路型和微機(jī)型的三個(gè)階段，其中電磁型由于功能簡(jiǎn)單，難以整定和校驗(yàn)，并且傳統(tǒng)的電磁繼電器本身可能會(huì)由于氧化或熔焊而出現(xiàn)粘連的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)拒動(dòng)作的問題，因此已經(jīng)逐漸被淘汰，隨著信息技術(shù)的迅速崛起，以單片機(jī)和可編程邏輯控制器為控制核心的微機(jī)型備自投裝置開始應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，微機(jī)型備自投裝置不僅操作簡(jiǎn)單方便，而且可靠性高，性能優(yōu)越，目前微機(jī)型保護(hù)裝置已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的電磁型保護(hù)裝置，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的各個(gè)電壓等級(jí)的變電站[5]。國外的一些發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)70年代末便開始試驗(yàn)和開發(fā)變電站自動(dòng)化的相關(guān)技術(shù)，國外的電力行業(yè)普遍使用了以可編程邏輯控制器為核心的備自投裝置，也稱自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器，發(fā)展至今，以德國西門子、法國施耐德、美國通用、西屋、日本三菱、瑞士ABB為代表的國際大型電氣公司均已研制生產(chǎn)了比較成熟的變電站自動(dòng)化保護(hù)裝置。目前國內(nèi)在電力系統(tǒng)方面的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到國際領(lǐng)先的階段，而在電氣自動(dòng)化的設(shè)備及其開發(fā)方面，尤其是單片機(jī)和可編程邏輯控制器，我國還需多多吸取國外先進(jìn)技術(shù)，加大研究和創(chuàng)新力度，打造具有中國特色的國民品牌。此外，隨著電力網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，對(duì)供電可靠性的要求也會(huì)越來越嚴(yán)格，這無疑是國內(nèi)外所有電力工作者所需要致力研究的方向。本課題的研究?jī)?nèi)容本課題以110kV降壓變電站為例，分別為其設(shè)計(jì)了進(jìn)線備自投、高壓側(cè)110kV母線分段備自投和低壓側(cè)35kV母線分段備自投三種工作方案。110kV變電站在電網(wǎng)中屬于地區(qū)變電站，負(fù)責(zé)向本區(qū)域的負(fù)荷供電，供電范圍較小，由其構(gòu)成的110kV電網(wǎng)的角色大多是高壓配電網(wǎng)，目前我國配電網(wǎng)大多是按環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按輻射網(wǎng)方式開環(huán)運(yùn)行[6]，變電站雖配有雙電源進(jìn)線，但為了防止形成電磁環(huán)網(wǎng)威脅系統(tǒng)安全，運(yùn)行方式往往是一主一備或者分列運(yùn)行，因此我國在110kV及以下的變電站大多都安裝了備用電源自動(dòng)投入裝置[7]，當(dāng)上級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)故障引起母線停電時(shí)，滿足備自投啟動(dòng)條件即可控制斷路器動(dòng)作，完成電源的切換，保證持續(xù)性供電，從而提高了電網(wǎng)的綜合供電可靠性。備自投裝置的運(yùn)行邏輯不難于理解，無非是檢測(cè)到母線失壓后，投入備用電源，但是作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)安全自動(dòng)裝置，其重要的角色使其在設(shè)計(jì)開發(fā)上要考慮到相當(dāng)全面的問題，也是本課題的幾個(gè)研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。首先面對(duì)的是變電站紛繁復(fù)雜的主接線行式，包括單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段、單元接線、橋式接線、角形接線、單元接線、一個(gè)半斷路器接線等多種接線形式，由于備自投裝置大多安裝于配電網(wǎng)絡(luò)中，本課題主要針對(duì)110kV變電站的高壓側(cè)內(nèi)橋接線和低壓側(cè)單母線分段接線設(shè)計(jì)了備自投方案。備自投裝置與繼電保護(hù)裝置的配合是關(guān)乎本設(shè)計(jì)合理性和實(shí)用性的重要問題，變電站配置的繼電保護(hù)主要可分為線路、母線和變壓器三種，110kV線路的主保護(hù)一般為三段式距離保護(hù)（包括相間距離和接地距離），后備保護(hù)為零序過流保護(hù)，35kV線路的保護(hù)一般為三段式電流保護(hù)，同時(shí)線路都配有三相一次重合閘，為躲過各種保護(hù)和自動(dòng)重合閘的動(dòng)作，備自投裝置要設(shè)置一定的延時(shí)后啟動(dòng)[8]。母線保護(hù)和變壓器保護(hù)主要針對(duì)的是變電站的內(nèi)部故障，而此時(shí)應(yīng)閉鎖備自投，防止擴(kuò)大故障影響。由于備自投裝置的控制對(duì)象主要是斷路器，所以斷路器的性能也需要考慮到設(shè)計(jì)中，為了更好地熄滅電弧，110kV線路已廣泛使用SF6斷路器，35kV線路則使用較多的真空斷路器，高壓斷路器帶負(fù)荷分合都會(huì)產(chǎn)生電弧，如果在主供電源斷路器的電弧未熄滅的情況下投入備用電源，有可能使斷路器無法分閘，所以在備自投的啟動(dòng)延時(shí)中還應(yīng)考慮斷路器分合閘時(shí)間，保證在電弧熄滅后動(dòng)作下一個(gè)斷路器，各種斷路器合閘與分閘時(shí)間的不同，需要在控制程序中做出相應(yīng)修改。由于斷路器檢修、電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行等原因，主供電源進(jìn)線斷路器可能會(huì)被人為手動(dòng)或遙控切斷，此時(shí)也不能啟動(dòng)備自投，同樣，因互感器二次側(cè)斷線引起的信號(hào)采集錯(cuò)誤也是備自投的閉鎖信號(hào)之一。PLC控制程序可依據(jù)備自投運(yùn)行邏輯逐步編寫，但梯形圖編程的方式往往靈活多變，需不斷優(yōu)化程序，爭(zhēng)取做到簡(jiǎn)潔明了，出錯(cuò)率低。本課題涉及到了備自投系統(tǒng)的運(yùn)行仿真和監(jiān)控，需用到編程軟件、仿真軟件和組態(tài)軟件，三者間若要聯(lián)動(dòng)就要保證有效的通訊，這來源于一致的通訊協(xié)議和變量設(shè)置，以及軟硬件間的配合得當(dāng)。

備自投的基本原理備用電源自投系統(tǒng)概述備用電源自投系統(tǒng)定義備用電源自動(dòng)投入裝置（BZT）是變電站的一種重要的自動(dòng)化裝置，與自動(dòng)重合閘、自動(dòng)切負(fù)荷、自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置等類似，同樣屬于一種電力系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置，都是為了防止電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定性或者發(fā)生大面積停電而設(shè)計(jì)的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。對(duì)于龐大的電力系統(tǒng)來講，每一個(gè)備自投裝置能否正確動(dòng)作，都直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在供配電系統(tǒng)中，對(duì)于電網(wǎng)中的一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷通常需設(shè)計(jì)并使用備用電源自投系統(tǒng)。備用電源自投裝置定義如下：電力系統(tǒng)的主供電源因上一級(jí)電源出現(xiàn)故障而被切斷后，可以及時(shí)地將備用電源或其他的正常供電電源投入使用，從而使因原主供電源斷開而停電的用戶快速得電的一種安全自動(dòng)裝置，它是保證電力系統(tǒng)可靠并持續(xù)供電的重要措施[9]。備自投方式的分類按運(yùn)行狀態(tài)分類明備用：工作電源和備用電源分工明確，正常運(yùn)行時(shí)工作電源供電，工作電源因故障失壓，投入備用電源供電。暗備用：工作電源和備用電源分工不明確，正常時(shí)兩電源進(jìn)線分裂運(yùn)行，分別給各自段的母線供電，當(dāng)其中一個(gè)電源發(fā)生故障停電時(shí)，母聯(lián)斷路器閉合，由另一個(gè)電源給兩段母線同時(shí)供電，暗備用實(shí)際上是兩個(gè)工作電源互為備用。按接線方式分類備用電源自投裝置原理上屬于一種簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算，但變電站的一次部分電氣主接線形式種類比較多，如單母線分段、內(nèi)橋接線、單元接線、角形接線等，從而使備自投系統(tǒng)也有了多種運(yùn)行方式。但歸根結(jié)底，眾多復(fù)雜的備自投方式都可看成是以下幾種典型備自投的組合，其具體工作方式詳見2.3節(jié)內(nèi)容。進(jìn)線備自投分段備自投變壓器備自投這三種備自投方式無一例外都遵循一個(gè)原則，即當(dāng)工作電源失壓時(shí)，先跳開與其相連的斷路器，在備用電源可以正常供電的前提下，合上與備用電源相連接的斷路器。采用備自投裝置的優(yōu)點(diǎn)提高了供電的可靠性，與具有相同可靠性的不帶備自投的變電站相比，節(jié)省了建設(shè)投資；為電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)提供了便利，簡(jiǎn)化了繼電保護(hù)系統(tǒng)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可以開環(huán)運(yùn)行，變壓器可以分列運(yùn)行；同樣起限制短路電流的作用，降低了變電站母線的短路容量，同時(shí)提高了母線的殘余電壓，提高了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性[10]。多級(jí)變電站的備自投配合當(dāng)電力系統(tǒng)中存在多電壓等級(jí)備自投時(shí)，應(yīng)考慮到各級(jí)備自投間的關(guān)系以及如何配合工作。原則上是電壓等級(jí)高、影響范圍大的備自投先動(dòng)作，電壓等級(jí)低、影響范圍小的備自投以躲過上一級(jí)的備自投時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)來整定[11]。然而，低壓線路發(fā)生事故的概率頗高，為了滿足更高的供電可靠性，縮短停電時(shí)間，不妨使各級(jí)備自投同時(shí)啟動(dòng)，這種方式在開環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中推薦使用，對(duì)持續(xù)供電意義重大，但在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中需考慮多方面因素，應(yīng)依據(jù)電網(wǎng)不同的運(yùn)行情況，研究適合的配合方法。備自投裝置應(yīng)滿足的要求為了保證備自投裝置在電力系統(tǒng)中起到有效的作用，而不影響電網(wǎng)和用戶的正常工作，備自投裝置往往要滿足以下幾點(diǎn)要求：工作電源斷開后方可投入備用電源，以防止將備用電源投到有故障的線路上，擴(kuò)大事故造成嚴(yán)重后果；備用電源的投入需有一定的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間應(yīng)超過最長(zhǎng)的外部故障繼電保護(hù)切除的時(shí)間，但延時(shí)應(yīng)盡量做短，應(yīng)滿足用戶中電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)時(shí)間需求；人為手動(dòng)拉閘不應(yīng)該觸發(fā)備自投系統(tǒng)工作，但運(yùn)行人員誤操作造成失壓的情況下需要觸發(fā)備自投[12]；備用電源電壓不足時(shí)不應(yīng)投入工作，同時(shí)備用電源應(yīng)保證與主供電源有相同的負(fù)荷能力；備自投裝置在電壓互感器二次回路斷線時(shí)不應(yīng)動(dòng)作；備自投裝置只應(yīng)動(dòng)作一次，當(dāng)母線發(fā)生持久性的故障時(shí)，備自投系統(tǒng)第一次將備用電源投入工作后，因故障仍然會(huì)存在，繼保裝置會(huì)將備用線路切斷，備自投失去意義，故備自投裝置應(yīng)及時(shí)自動(dòng)復(fù)位，以免對(duì)電力系統(tǒng)造成不必要的沖擊擴(kuò)大事故。在不同PLC之間，以及PLC和上位機(jī)之間需要保證良好通信，實(shí)時(shí)交換信息[13]。備自投工作方式進(jìn)線備自投圖2.1進(jìn)線備自投起始圖此種方式類似于明備用，如圖2.1所示，在正常運(yùn)行時(shí)，假設(shè)進(jìn)線1為主供電源，進(jìn)線2為備用電源，則斷路器1DL、3DL處于合位置，2DL處在斷開狀態(tài)，兩段母線均正常工作，備自投系統(tǒng)等待啟動(dòng)；當(dāng)欠電壓繼電器檢測(cè)到母線失壓時(shí)，進(jìn)線1沒有電流，進(jìn)線2有足夠電壓，便可啟動(dòng)備自投裝置，經(jīng)延時(shí)跳開1DL，再合上2DL，若1DL已經(jīng)跳開，則可經(jīng)延時(shí)直接合上2DL[14]。由于這種接線方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不錯(cuò)的對(duì)稱性，所以進(jìn)線1和進(jìn)線2可角色互換。當(dāng)備自投動(dòng)作一次后，或1DL、2DL都處在合位置，或有備自投閉鎖信號(hào)輸入時(shí)，備自投系統(tǒng)應(yīng)退出。分段備自投圖2.2分段備自投起始圖此種方式類似于暗備用，如圖2.2所示，正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)線斷路器1DL、2DL處在合位置，母聯(lián)斷路器3DL處在分位置，兩段母線均正常供電，備自投系統(tǒng)等待啟動(dòng)；當(dāng)其中任意一段母線被檢測(cè)到失壓，即任意一路進(jìn)線無電流，而另一路進(jìn)線正常供電，則啟動(dòng)備自投系統(tǒng)；假設(shè)Ⅰ段母線失壓，若1DL未斷開，則經(jīng)延時(shí)后斷開1DL，再合上3DL，若1DL由于故障已經(jīng)斷開，則直接經(jīng)延時(shí)合上3DL即可。同樣由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，兩路進(jìn)線可角色互換，互為備用。當(dāng)備自投動(dòng)作一次后，或3DL處在合位置，或有備自投閉鎖信號(hào)輸入時(shí)，備自投系統(tǒng)應(yīng)退出。變壓器備自投圖2.3變壓器備自投起始圖如圖2.3所示，假設(shè)1#為主變壓器，2#為輔變壓器，正常運(yùn)行時(shí)主變兩側(cè)斷路器在合位置，輔變壓器處于未投入工作狀態(tài)，但進(jìn)線2處應(yīng)有電壓，由主變?yōu)槟妇€供電，備自投系統(tǒng)準(zhǔn)備啟動(dòng)；當(dāng)主變無電流，母線檢測(cè)到失壓，證明主變或進(jìn)線1出現(xiàn)故障停電，此時(shí)啟動(dòng)備自投，若主變二次側(cè)斷路器處在閉合狀態(tài)，則經(jīng)一段延時(shí)后跳主變兩側(cè)斷路器，然后按順序合上輔變壓器兩側(cè)斷路器，若主變二次側(cè)斷路器已經(jīng)被切斷，則經(jīng)延時(shí)后合上輔變壓器兩側(cè)斷路器即可。當(dāng)備自投動(dòng)作一次后，或3DL、4DL都處在合位置，或有備自投閉鎖信號(hào)輸入時(shí)，備自投系統(tǒng)應(yīng)放電退出。小結(jié)本章對(duì)備自投的含義進(jìn)行了解讀，分析了備自投裝置的基本原理和功能，并闡述了其在實(shí)際應(yīng)用中的工作方式和特點(diǎn)，為后面搭建備自投系統(tǒng)框架和設(shè)計(jì)工作邏輯奠定了基礎(chǔ)。

備自投系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)備自投設(shè)計(jì)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(fù)雜，裝置出錯(cuò)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(shí)無法解決通信問題，多級(jí)備自投之間不能有效地配合。隨著信息時(shí)代來臨，微機(jī)型備自投裝置應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以高性能單片機(jī)和PLC為控制核心的微機(jī)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(shí)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(shí)，微機(jī)型設(shè)備使變電站運(yùn)行更加自動(dòng)化，實(shí)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(shí)質(zhì)上是一種專用于工控領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)，具有通用性強(qiáng)、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，包括電源、CPU、存儲(chǔ)、信號(hào)、通信等多個(gè)模塊。PLC的運(yùn)行過程一般包含三個(gè)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(gè)階段稱為一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，CPU以固定的掃描速率對(duì)這三個(gè)步驟重復(fù)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(shí)物繼電器，根據(jù)開關(guān)量輸入信號(hào)，直接通過程序給出輸出信號(hào)，減少了一些中間步驟，同時(shí)能把延時(shí)做的更加精準(zhǔn)，降低了出錯(cuò)的概率[17]。相比較于單片機(jī)的控制方式，PLC的編程語言更容易使工程技術(shù)人員理解和掌握。單片機(jī)的編程語言往往為C語言，例如C51語言，需要掌握一定計(jì)算機(jī)編程知識(shí)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(jié)構(gòu)化文本五種，本設(shè)計(jì)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(duì)于電氣設(shè)計(jì)人員來講更加熟悉。備自投系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架根據(jù)本課題研究?jī)?nèi)容和備自投工作原理，可構(gòu)建出備用電源自動(dòng)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(yùn)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(shè)計(jì)了高壓側(cè)110kV的進(jìn)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(shè)計(jì)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(hào)，傳輸?shù)角冯妷豪^電器中，以繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作信號(hào)、斷路器分合位置信號(hào)以及備自投的閉鎖信號(hào)作為開關(guān)量信號(hào)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(huì)對(duì)PLC程序邏輯具體展開。由PLC產(chǎn)生的開關(guān)量輸出信號(hào)，通過中間繼電器，到達(dá)斷路器的控制繼電器，進(jìn)而控制變電站一次系統(tǒng)中斷路器的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)投入備用電源的目的，同時(shí)報(bào)警信號(hào)輸出到指示燈，在母線失電情況下報(bào)警，備用電源投入后解除報(bào)警。PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)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(jī)系統(tǒng)仍可以正常工作，作為下位機(jī)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(shè)計(jì)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(yùn)行邏輯不同，但其都是通過三類控制條件來搭建運(yùn)行邏輯：充電條件、啟動(dòng)條件、閉鎖條件，本章第三節(jié)會(huì)具體分析各個(gè)條件。關(guān)于備自投系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到電力系統(tǒng)中的大部分故障，但是對(duì)于一些出現(xiàn)概率極小的故障，不應(yīng)考慮到備自投設(shè)計(jì)中，以免使設(shè)計(jì)邏輯過于復(fù)雜，降低可靠性，總之要根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理地優(yōu)化PLC程序。首先，PLC上電復(fù)位，接收輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)電壓、電流、斷路器等各項(xiàng)參數(shù)。當(dāng)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(hào)，采集參數(shù)；若滿足充電條件，則通過定時(shí)器設(shè)置延時(shí)，模擬充電時(shí)間。完成充電后，判斷是否滿足啟動(dòng)條件，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)并不滿足啟動(dòng)條件，只需保持充電狀態(tài)，備自投裝置準(zhǔn)備就緒，等待滿足啟動(dòng)條件；若滿足啟動(dòng)條件，經(jīng)延時(shí)后判斷是否滿足閉鎖條件，如不滿足則備自投動(dòng)作，備用電源投入至母線，動(dòng)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(jié)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(hào)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(dòng)化設(shè)備，不同種類PLC適用場(chǎng)合也各有側(cè)重，本課題選擇了在工業(yè)控制中應(yīng)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(hào)為CPU314C-2DP。關(guān)于PLC的選型，首先要了解被控對(duì)象特點(diǎn)，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(jì)性可靠性也要考慮其中。對(duì)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(dòng)作，工作環(huán)境較為復(fù)雜，不適合采用整體式PLC，經(jīng)過大概預(yù)算，一種備自投方式需要8點(diǎn)輸入和10點(diǎn)輸出，且全部為開關(guān)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(shè)計(jì)，屬于緊湊型結(jié)構(gòu)，適用于高可靠性的大中型的較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，信號(hào)模塊集成了24路開關(guān)量輸入和16路開關(guān)量輸出，如需增加I/O變量，可在導(dǎo)軌中加入擴(kuò)展模塊[18]。功能模塊包含了定時(shí)器、計(jì)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(shè)計(jì)需求，此外還配有存儲(chǔ)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(fù)責(zé)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(jìn)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(jiǎn)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(jìn)線處和四段母線處都配置了電壓互感器，實(shí)時(shí)采集電壓信號(hào)，每段線路上都配置了電流互感器，采集線路上電流信號(hào)，斷路器兩側(cè)都配置了隔離開關(guān)，便于斷路器退出檢修和倒閘操作，同時(shí)主變壓器兩側(cè)也配有隔離開關(guān)。圖中包含了變電站中部分的一次設(shè)備，未畫出避雷器、接地裝置、無功補(bǔ)償裝置等設(shè)備。兩路電源進(jìn)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(shè)進(jìn)線1為主供電源，同時(shí)為Ⅰ段和Ⅱ段母線供電，進(jìn)線2為備用電源，進(jìn)線斷路器CB2處在分位置。對(duì)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(tái)主變分列運(yùn)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(duì)于開發(fā)PLC控制程序來說，I/O地址的分配是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本課題中涉及到了較多的開關(guān)量輸入輸出，需結(jié)合控制信號(hào)和被控對(duì)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(jìn)線、分段備自投兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的輸入和輸出地址分配，由于兩個(gè)方案的控制對(duì)象基本相同，便可采用同樣的I/O地址表，但在實(shí)際應(yīng)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(hào)地址Ⅰ段母線欠壓信號(hào)KV1I0.0Ⅱ段母線欠壓信號(hào)KV2I0.1進(jìn)線1欠壓信號(hào)KV3I0.2進(jìn)線2欠壓信號(hào)KV4I0.3Ⅰ母線來路有電流信號(hào)KA1I0.4Ⅱ母線來路有電流信號(hào)KA2I0.5手動(dòng)/遙控信號(hào)KA3I0.6主變/母線/失靈保護(hù)信號(hào)KA4I0.7名稱符號(hào)地址進(jìn)線1斷路器CB1Q0.0進(jìn)線2斷路器CB2Q0.1高壓側(cè)橋斷路器CB3Q0.2隔離開關(guān)1Q1Q0.3隔離開關(guān)2Q2Q0.4隔離開關(guān)3Q3Q0.5隔離開關(guān)4Q4Q0.6隔離開關(guān)5Q5Q0.7隔離開關(guān)6Q6Q1.0報(bào)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(duì)于低壓側(cè)35kV分段備自投方案，由于控制的對(duì)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(hào)地址Ⅲ段母線欠壓信號(hào)KV1I0.0Ⅳ段母線欠壓信號(hào)KV2I0.1Ⅲ母線來路有電流信號(hào)KA1I0.4Ⅳ母線來路有電流信號(hào)KA2I0.5手動(dòng)/遙控信號(hào)KA3I0.6母線/失靈保護(hù)信號(hào)KA4I0.7表3.SEQ表\*ARABIC\s14低壓側(cè)I/O地址輸出部分名稱符號(hào)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(guān)11Q11Q0.7隔離開關(guān)12Q12Q1.0報(bào)警指示燈L2Q1.1電氣二次部分的作用主要是對(duì)一次部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)、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(shè)備包括測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)裝置、熔斷器、控制開關(guān)、自動(dòng)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(duì)應(yīng)上方的地址分配表，輸入輸出端子對(duì)應(yīng)正確接線，輸入端繼電器觸點(diǎn)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(fù)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(yùn)行邏輯為了編寫PLC控制程序，首先應(yīng)分析備自投裝置應(yīng)滿足的功能及要求，然后設(shè)計(jì)運(yùn)行邏輯，根據(jù)邏輯推導(dǎo)出梯形圖程序。備自投裝置的運(yùn)行邏輯主要有三類控制條件：充電條件、閉鎖條件和啟動(dòng)條件，其邏輯關(guān)系大致如圖3.6所示，各條件的具體內(nèi)涵及邏輯圖會(huì)在本節(jié)的各小節(jié)闡述。圖3.6備自投運(yùn)行邏輯充電條件關(guān)于微機(jī)型備自投系統(tǒng)，如何讓備自投只動(dòng)作一次是一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的備自投系統(tǒng)中，可以用人工手動(dòng)復(fù)歸的方法來保證備自投只動(dòng)作一次。在微機(jī)型備自投的設(shè)計(jì)中，為了滿足只動(dòng)作一次的要求，不得不引入“充放電”的概念，類似于繼電保護(hù)中的線路自動(dòng)重合閘，只有滿足充電條件才可對(duì)重合閘裝置充電。同樣，對(duì)于備自投系統(tǒng)，只有當(dāng)目前電力系統(tǒng)中的一些設(shè)定條件滿足備自投允許啟動(dòng)時(shí)，才可對(duì)備自投裝置進(jìn)行充電。充電完成后，備自投裝置準(zhǔn)備就緒，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)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(huì)自動(dòng)放電，一直到故障被解決，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，然后等待滿足下一次的充電條件才會(huì)開始下一次充電，這樣便達(dá)到了備自投系統(tǒng)僅動(dòng)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(dòng)作的過程，而微機(jī)備自投系統(tǒng)中，往往采用的是邏輯運(yùn)算與軟件的延時(shí)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(hào)和斷路器位置信號(hào)判斷是否滿足充電條件。T1代表了備自投的充電時(shí)間，大概在10s~15s，時(shí)間的設(shè)定主要考慮到以下兩點(diǎn)，一是等待系統(tǒng)中因故障而產(chǎn)生的擾動(dòng)被平息，使系統(tǒng)恢復(fù)到一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)；二是為了與繼電保護(hù)以及重合閘裝置配合，躲過對(duì)側(cè)相鄰保護(hù)最后一段的延時(shí)以及重合閘的最長(zhǎng)動(dòng)作周期，以免備用電源投入后造成更嚴(yán)重的故障，擴(kuò)大事故影響[20]。如圖3.7所示，以方案一高壓側(cè)進(jìn)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(jìn)線2有壓，以此代替圖3.6中的充電條件即可。圖3.7進(jìn)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(yùn)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(dòng)條件工作母線的失壓是備自投重要的啟動(dòng)條件，一般認(rèn)為所測(cè)電壓小于標(biāo)準(zhǔn)值的70%為失壓狀態(tài)，本設(shè)計(jì)采用的欠壓繼電器可設(shè)置電壓閾值為70%的標(biāo)準(zhǔn)值[21]，實(shí)測(cè)電壓小于閾值則欠壓繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，開關(guān)量信號(hào)輸入到備自投系統(tǒng)，但需經(jīng)一段延時(shí)檢測(cè)，若延時(shí)后母線仍處于失壓狀態(tài)，則認(rèn)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(shí)考慮的是系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)造成的失壓的假象，經(jīng)延時(shí)可躲開電壓波動(dòng)。此外，無論主供線路的斷路器是否被繼電保護(hù)裝置斷開，備自投裝置啟動(dòng)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(jìn)線備自投為例，其啟動(dòng)條件為：段母線三相無壓&Ⅱ段母線三相無壓&進(jìn)線2有壓，以此代替圖3.6中的啟動(dòng)條件即可。圖3.8進(jìn)線備自投啟動(dòng)條件方案二高壓側(cè)橋備自投的啟動(dòng)條件有兩個(gè)，滿足其中一個(gè)便可啟動(dòng)，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(dòng)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(shè)計(jì)是為了增強(qiáng)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(huì)起到相反的作用，此時(shí)就要考慮為備自投裝置設(shè)置閉鎖信號(hào)，當(dāng)有閉鎖信號(hào)輸入時(shí)，備自投立刻放電退出。其閉鎖條件主要考慮了以下幾點(diǎn)，如圖3.9所示：運(yùn)維人員手動(dòng)斷開工作電源，或遙控?cái)嗦菲鲾嚅_，備自投不應(yīng)啟動(dòng)，因此設(shè)計(jì)備自投時(shí)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)繼電器作為閉鎖條件。電壓互感器二次側(cè)斷線會(huì)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(hào)確定母線是否同時(shí)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(shí)需閉鎖備自投。變電站發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，備自投系統(tǒng)不應(yīng)工作，以免擴(kuò)大事故。因此主變壓器保護(hù)、母線保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作可作為備自投的閉鎖信號(hào)輸入。圖3.9備自投閉鎖條件系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(yùn)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(xiàng)目，選擇LAD編程語言，插入SIMATIC300站點(diǎn)，然后進(jìn)入硬件組態(tài)環(huán)境，插入導(dǎo)軌和CPU314C-2DP，修改輸入輸出起始地址，保存并編譯；點(diǎn)擊S7程序，進(jìn)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(gè)方案需要有三套不同的控制程序，本小節(jié)將對(duì)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(jìn)線備自投本方案假設(shè)進(jìn)線1為主供電源，進(jìn)線2為備用電源，模擬進(jìn)線1失電，進(jìn)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(gè)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(duì)應(yīng)本章第三節(jié)的充電條件，由于各充電條件是與邏輯運(yùn)行，所以在梯形圖上呈現(xiàn)串聯(lián)方式，當(dāng)進(jìn)線1斷路器閉合，進(jìn)線2斷路器分?jǐn)?，橋斷路器閉合，Ⅰ段Ⅱ段母線和備用電源均正常有壓時(shí)，輔助繼電器M0.0線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合。圖STYLEREF1\s3.11.2充電延時(shí)程序程序段2是一個(gè)延時(shí)程序，代表了充電時(shí)間，定時(shí)器選用了接通延時(shí)定時(shí)器，當(dāng)輸入端S收到上升沿信號(hào)后，定時(shí)器啟動(dòng)，經(jīng)過設(shè)定時(shí)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(diǎn)閉合。圖STYLEREF1\s3.11.3啟動(dòng)條件程序程序段3對(duì)應(yīng)的是本章第三節(jié)的啟動(dòng)條件，同樣是與邏輯運(yùn)算，備用電源正常、Ⅰ段Ⅱ段母線失壓都滿足時(shí)觸發(fā)備自投啟動(dòng)，M0.2線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合。圖STYLEREF1\s3.11.4報(bào)警程序程序段4是一個(gè)報(bào)警程序，當(dāng)高壓側(cè)任一母線處于失壓狀態(tài)，報(bào)警指示燈通電工作，當(dāng)兩段母線都正常工作時(shí)報(bào)警信號(hào)才能解除。圖STYLEREF1\s3.11.5啟動(dòng)延時(shí)程序程序段5代表了啟動(dòng)延時(shí)，同樣采用了接通延時(shí)定時(shí)器和輔助繼電器的配合，M0.2觸點(diǎn)閉合后經(jīng)過10s延時(shí)接通M0.3線圈，其常開觸點(diǎn)閉合，此延時(shí)為了在母線失電后等待重合閘等裝置動(dòng)作完成。圖STYLEREF1\s3.11.6閉鎖條件程序程序段6對(duì)應(yīng)本章第三節(jié)的閉鎖條件，當(dāng)三個(gè)閉鎖條件都不滿足時(shí)才可接通M0.4線圈，使其常開觸點(diǎn)閉合，備自投啟動(dòng)，準(zhǔn)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(huì)切斷進(jìn)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(fù)位信號(hào)，保證備用電源投入后不造成更大事故，同時(shí)觸發(fā)繼電器M0.5接通下一段程序。圖STYLEREF1\s3.11.8隔離開關(guān)動(dòng)作程序程序段8是在主供電源切斷后，將備用電源進(jìn)線斷路器兩側(cè)的隔離開關(guān)依次閉合，為了保證電弧去游離完成，在兩動(dòng)作之間增加了1s延時(shí)，正確順序是先合電源側(cè)隔離開關(guān)，后合負(fù)荷側(cè)隔離開關(guān)，為了優(yōu)化程序此處省略延時(shí)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了備用電源的投入，在隔離開關(guān)閉合后間隔0.5s，合上進(jìn)線2斷路器，為母線持續(xù)供電，完成一次備自投，同時(shí)復(fù)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(zhǔn)備下一次動(dòng)作。高壓側(cè)橋備自投本方案兩電源進(jìn)線同時(shí)工作，橋斷路器處在分位置，當(dāng)高壓側(cè)任意一段母線失電時(shí)，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(shí)供電，本程序共包含13個(gè)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(duì)應(yīng)本章第三節(jié)方案2充電條件，都滿足的情況下接通M0.0線圈，觸發(fā)下一程序。程序段2與方案一相同，代表了充電延時(shí)。圖STYLEREF1\s3.12.2啟動(dòng)條件程序方案二的啟動(dòng)程序與方案一有所不同，由于其雙電源進(jìn)線是相互暗備用狀態(tài)，任何一電源出現(xiàn)故障，另一電源便作為備用投入，故其啟動(dòng)條件有兩種，對(duì)應(yīng)本章第三節(jié)。程序段5同方案一程序段4為報(bào)警程序。圖STYLEREF1\s3.12.3啟動(dòng)延時(shí)程序方案二的啟動(dòng)延時(shí)也分為了兩段運(yùn)行，分別代表了Ⅱ段母線和Ⅰ段母線失電時(shí)備自投啟動(dòng)延時(shí)。圖STYLEREF1\s3.12.4閉鎖條件程序方案二的閉鎖條件也需分列編寫，由于防止電壓互感器二次斷線引起的備自投動(dòng)作，在閉鎖條件中引入了線路電流信號(hào)，增加一道保險(xiǎn)，而在分段備自投的兩種工作情況下，欠壓信號(hào)來源不同，故電流信號(hào)也不同，所以判斷閉鎖條件也分為了兩種情況。圖STYLEREF1\s3.12.5切斷故障電源程序同樣，為了保證系統(tǒng)安全，兩種情況下都要先斷開原主供電源，故在此處也分為了兩程序段運(yùn)行。圖STYLEREF1\s3.12.6隔離開關(guān)動(dòng)作程序此段程序類似方案一，兩種情況下雖然具體控制條件不同，但最后控制的都是橋斷路器及兩側(cè)隔離開關(guān)的合閘，故在此合并，經(jīng)1s延時(shí)后動(dòng)作隔離開關(guān)。圖STYLEREF1\s3.12.7備用電源投入程序最后一段程序，閉合橋斷路器，不論橋的哪一側(cè)失電，都可使正常一側(cè)為兩段母線供電，此時(shí)對(duì)于非故障的電源有較大負(fù)荷，故在橋備自投的工作方式下要充分考慮電源負(fù)荷能力，保證用戶電能質(zhì)量。低壓側(cè)分段備自投方案三是低壓側(cè)35kV的分段備自投，具體運(yùn)行邏輯與方案二的橋備自投完全一致，只需改變Step7軟件內(nèi)的符號(hào)表，重新分配I/O地址，如3.2.2小節(jié)中的表3.3、表3.4和圖3.5所示。小結(jié)本章完整闡述了備用電源自動(dòng)投入裝置的設(shè)計(jì)流程和工作方式，從變電站到PLC，分別針對(duì)硬件和軟件，對(duì)備自投的每一處細(xì)節(jié)具體分析和研究，設(shè)計(jì)了三套工作方案，可適配變電站明備用和暗備用兩種工作方式，設(shè)計(jì)基本成型。

備自投系統(tǒng)運(yùn)行仿真及監(jiān)控備自投系統(tǒng)的PLC仿真利用Step7軟件自帶的PLCSIM仿真功能對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)方案的控制程序進(jìn)行模擬運(yùn)行，可得到較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，首先在Step7與PLCSIM間建立MPI通訊，MPI地址為2，然后將PLC程序下載至仿真器，運(yùn)行并監(jiān)視，控制輸入輸出變量，即可看到實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果。高壓側(cè)進(jìn)線備自投仿真如圖4.1所示，變電站正常運(yùn)行時(shí)主供電源斷路器以及橋斷路器均在合位置，滿足充電條件，備自投開始充電，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s11仿真過程1如圖4.2所示，備自投充電已完成，繼電器M0.1接通，此時(shí)模擬主供電源（進(jìn)線1）出現(xiàn)故障，造成Ⅰ段Ⅱ段母線失壓，并且備用電源（進(jìn)線2）正常有壓，此時(shí)滿足啟動(dòng)條件，開始啟動(dòng)延時(shí)，并且報(bào)警信號(hào)燈點(diǎn)亮。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s12仿真過程2如圖4.3所示，啟動(dòng)延時(shí)后，當(dāng)沒有閉鎖信號(hào)輸入時(shí)，備自投啟動(dòng)，首先斷開主供電源斷路器CB1，Q0.0置零，再經(jīng)延時(shí)后，備用電源兩側(cè)的隔離開關(guān)3和隔離開關(guān)4閉合。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s13仿真過程3如圖4.4所示，備用線路（進(jìn)線2）斷路器閉合，備用電源投入，母線電壓恢復(fù)，I0.0和I0.1輸入歸零，報(bào)警信號(hào)解除，同時(shí)復(fù)位M0.1，使備自投裝置放電返回。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s14仿真過程4高壓側(cè)橋備自投仿真如圖4.5所示，變電站在正常運(yùn)行時(shí)，兩路進(jìn)線斷路器閉合，橋斷路器斷開，母線電壓正常，滿足充電條件，M0.0繼電器接通，經(jīng)過充電時(shí)間后充電完成。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s15仿真過程1如圖4.6所示，充電完成后M0.1接通，模擬進(jìn)線2電源出現(xiàn)故障，I0.1輸入，Ⅱ段母線失壓，滿足啟動(dòng)條件之一，M0.2接通，同時(shí)點(diǎn)亮報(bào)警信號(hào)燈。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s16仿真過程2如圖4.7所示，經(jīng)啟動(dòng)延時(shí)后接通M0.4，且沒有閉鎖信號(hào)輸入時(shí)，接通M0.6，備自投裝置啟動(dòng)。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s17仿真過程3如圖4.8所示，斷開故障進(jìn)線斷路器，保證系統(tǒng)安全，同時(shí)接通M1.0。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s18仿真過程4如圖4.9所示，經(jīng)1s延時(shí)后閉合橋斷路器兩側(cè)隔離開關(guān)，然后再經(jīng)延時(shí)合上橋斷路器，完成備用電源投入，此時(shí)Ⅱ段母線恢復(fù)供電，報(bào)警信號(hào)解除，同時(shí)備自投完成一次動(dòng)作后，復(fù)位M0.1，備自投放電返回。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s19仿真過程5利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)備自投監(jiān)控本課題選用了組態(tài)王6.55軟件對(duì)本設(shè)計(jì)課題分別進(jìn)行監(jiān)控和操作，組態(tài)王作為國產(chǎn)組態(tài)軟件的第一品牌，其功能強(qiáng)大，適用于多種工業(yè)控制場(chǎng)合。首先在工程管理器內(nèi)新建工程，然后在設(shè)備內(nèi)新建I/O設(shè)備，選擇西門子PLC-S7300/400（MPI）通訊協(xié)議，選擇COM1串口，設(shè)置設(shè)備地址為2:0:2（MPI地址為2，機(jī)架號(hào)為0，CPU槽號(hào)為2），然后在數(shù)據(jù)詞典內(nèi)新建變量，命名為“失壓”，變量類型選擇I/O離散，連接新I/O設(shè)備，數(shù)據(jù)類型為Bit，寄存器為I0.0。最后在開發(fā)系統(tǒng)中搭建變電站一次部分模型，并將開關(guān)、模擬按鈕與對(duì)應(yīng)的變量進(jìn)行動(dòng)畫連接，切換至運(yùn)行系統(tǒng)便可模擬備自投系統(tǒng)運(yùn)行。高壓側(cè)明備用配合低壓側(cè)暗備用如圖4.10所示為此種方案下備自投系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控畫面，由于高壓側(cè)采用明備用方式，故其有主備電源之分，正常情況下主供電源線路接通，母線正常有壓，同時(shí)內(nèi)橋接通，備用線路未接通；低壓側(cè)采用暗備用方式，正常情況下無主備電源之分，兩臺(tái)主變分列運(yùn)行，母聯(lián)斷路器未接通。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s110正常運(yùn)行畫面如圖4.11所示，按下高壓側(cè)按鈕模擬母線失壓，即主供電源出現(xiàn)故障，不再為母線供電，所以投入備用電源，母線恢復(fù)供電。圖4.SEQ圖\*ARABIC\s111高壓側(cè)母線失電畫面如圖4.12所示，模擬低壓側(cè)的Ⅲ段母線失壓，此失壓大多是由于某一臺(tái)主變壓器出現(xiàn)故障，故此處不設(shè)置主變保護(hù)閉鎖信號(hào)。假設(shè)左側(cè)1號(hào)主變出現(xiàn)故障，此時(shí)斷開Ⅲ段母線來路，接通母聯(lián)斷路器由右側(cè)2號(hào)變壓器為低壓側(cè)兩段母線供電。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s112低壓側(cè)母線失電畫面高壓側(cè)暗備用配合低壓側(cè)暗備用如圖4.13所示為此種方案下組態(tài)監(jiān)控畫面，兩側(cè)均采用暗備用方式，正常情況下類似于兩路單元接線，分列運(yùn)行，內(nèi)橋和母聯(lián)均未接通，母線均正常有壓，無主備電源之分。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s113正常運(yùn)行畫面如圖4.14所示，按下高壓側(cè)母線失壓按鈕，模擬左側(cè)進(jìn)線1出現(xiàn)故障，此時(shí)斷開進(jìn)線1斷路器，接通橋斷路器，進(jìn)線2作為備用為母線供電。當(dāng)某一臺(tái)主變出現(xiàn)故障時(shí)，同圖4.12所示，低壓側(cè)備自投啟動(dòng)，未故障路成為備用為整個(gè)低壓側(cè)供電。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s114Ⅰ段母線失電畫面小結(jié)本章涵蓋了備自投系統(tǒng)的運(yùn)行仿真和監(jiān)控，對(duì)本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容有了一個(gè)比較直觀的體現(xiàn)，切實(shí)展現(xiàn)了備自投裝置在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，仿真與監(jiān)控更是從軟硬件兩個(gè)角度模