国电南自快切技术说明书v2.0.doc

WBKQ-01B微机备用电源快速切换装置技术说明书 国电南京自动化股份有限公司二三年五月目 次说明1概述1产品特点2产品切换方式分类31 装置简介42 主要功能43 主要技术参数53.1 装置电源53.2 额定交流参数53.3 功率消耗53.4 过载特性53.5 采样回路精确工作范围53.6 接点容量53.7 测量精度53.8 切换时间33.9 事件记录分辨率34 硬件说明35 装置切换原理说明55.1 正常手动切换功能55.2 事故切换65.3 非正常工况切换75.4 低压减载功能75.5 快速切换、同期判别切换、残压切换及长延时切换说明76 装置闭锁及报警功能126.1 保护闭锁126.2 控制台闭锁装置126.3 PT断线闭锁136.4 目标电源低压136.8 去耦合136.9 等待复归137 事件信息、事故追忆、录波、打印147.1 事件记录147.2 事故记录147.3 录波147.4 通信及GPS对时147.5 打印148 附图15说明首先感谢选用国电南京自动化股份有限公司制造的新一代微机厂用电源快速切换装置。所有国电南京自动化股份有限公司制造的保护及自动化产品均符合严格的技术规范和ISO9001质量认证标准。概述发电厂中，厂用电的安全可靠直接关系到发电机组、电厂乃至整个电力系统的安全运行。以往厂用电切换大都采用工作电源的辅助接点直接（或经低压继电器、延时继电器）起动备用电源投入。这种方式未经同步检定，电动机易受冲击。合上备用电源时，母线残压与备用电源电压之间的相角差已接近180，将会对电动机造成过大的冲击。若经过延时待母线残压衰减到一定幅值后再投入备用电源，由于断电时间过长，母线电压和电机的转速均下降过大，备用电源合上后，电动机组的自起动电流很大，母线电压将可能难以恢复，从而对电厂的锅炉系统的稳定性带来严重的危害。微机型备用电源快速切换装置是专门为解决厂用电的安全运行而研制的。采用该装置后，可避免备用电源电压与母线残压在相角、频率相差过大时合闸而对电机造成冲击，如失去快速切换的机会，则装置自动转为同期判别或判残压及长延时的慢速切换，同时在电压跌落过程中，可按延时甩去部分非重要负荷，以利于重要辅机的自起动。提高厂用电切换的成功率。国外早在二十世纪七十年代就已广泛采用快速切换装置。近年来国内对厂用电源的安全可靠运行亦愈来愈重视，随着真空及SF6快速开关的广泛使用，厂用电源采用新一代的快速切换装置已毋容置疑。产品特点u CPU采用Motorola公司生产的32位单片机，运算速度快、性能稳定可靠。高性能14位A/D转换器，转换速度快。u 采用超大规模现场可编程逻辑芯片，提高了硬件电路的可靠性。u 先进的母线电压自动频率跟踪技术，确保测量幅值、频率及相位的有效性及准确性。u 独特的软件测相技术，解决了硬件测相速度慢的缺陷。u 实时计算母线电压与目标电源相角差的速度与加速度，同期合闸点准确可靠。当滑差高达30Hz/S时仍然可实现同期合闸。u 超大屏幕中文图形界面；新颖的键盘向导设计，无需对照说明书，一切键盘操作皆有显示向导，使用起来非常方便。u 主要模件采用了先进的SMT贴片生产技术。u 切换过程对用户全透明；4组可长达6秒的切换录波记录，可显示母线电压/时间图，频率/时间图和图；可打印输出；也可通过计算机下载，用专用软件进行分析研究。u 免维护设计理念，整机无任何可调节器件，全部调整仅需通过装置人机界面设定补偿，且带密码保护以防误操作。u 提供启/备变高压侧开关冷态（不带电）、热态（带电）运行方式选择。u 自带备用分支后加速、过流保护。同时也输出一副接点，以用于起动备用分支的后加速保护。u 开关量采用220V或110V电压输入，提高了抗干扰能力。u 高抗干扰性能，能满足：GB/T 14598.10 (IEC 60255-22-4) 快速瞬变干扰试验级标准；GB/T 14598.14 (IEC 60255-22-2) 静电放电试验级标准；GB/T 14598.13 (IEC 60255-22-1) 1MHz脉冲群干扰试验级标准；GB/T 14598.9 (IEC 60255-22-3) 辐射电磁场干扰试验级标准。u 通过国家电力公司自动化设备电磁兼容实验室电磁兼容检验u 通过国家电力公司自动化设备质量检验测试中心质检产品切换方式分类1 装置简介WBKQ-01B是在原有WBKQ-01的基础上改进、完善的新一代备用电源快速切换装置。该装置改进了测频、测相回路，运用32位单片机强大的运算功能采用软件进行测量，提高了装置在切换暂态过程中测频、测相的准确性、可靠性。该装置采用了先进的软件算法，保证了工作电源（或备用电源）与母线电源不同频率时的采样、计算的准确性。装置采用免调整理念设计，所有的补偿采用软件进行调整，重要参数采用密码锁管理，大屏幕中文图形化显示，使得用户对厂用电源的各种运行参数一目了然。厂用电源故障时采用实时测量相角差速度及加速度实现同期判别功能。内置独立的通信、打印机管理单元使得多台装置可共享一台打印机，与电厂DCS系统或监控系统轻松接驳。2 主要功能u 正常情况下实现工作电源与备用电源之间的双向切换。u 事故、母线低电压、工作电源开关偷跳情况下实现工作电源至备用电源的单向切换。u 快速切换、同期判别切换、残压切换、长延时切换四种切换条件。u 串联、并联、同时三种切换方式可供选择。u 两段式定时限低压减载。u 自带独立的备用分支后加速、过流保护功能；也提供一副接点以起动备用分支保护。u 支持备用电源高压侧开关冷态(不带电) 运行或热态(带电)运行。u 母线PT小车检修闭锁母线低电压切换功能。u PT断线报警。u 多种闭锁功能。u 事故追忆、打印及完善的录波功能。u 支持多种通信方式和硬件GPS对时功能。3 主要技术参数3.1 装置电源110(120%)V 或220(120%)V （订货时需注明）3.2 额定交流参数电压：100V电流：5A/1A频率：50Hz3.3 功率消耗215硬件说明直流回路：不大于10W交流电压回路：不大于0.3VA/相交流电流回路：不大于0.3VA/相3.4 过载特性交流电流回路：2倍额定电流下装置可连续运行10倍额定电流下装置可连续运行10s40倍额定电流下装置可连续运行1s交流电压回路：1.5倍额定电压下装置可连续运行3.5 采样回路精确工作范围电流：0.2A100.0A电压：0.5V150.0V频率：30.0 Hz55.0Hz相角：0.0360.03.6 接点容量信号回路：载流容量2A 断弧容量60VA出口回路：DC220V 5A3.7 测量精度电流：1级电压：1级频率：0.1Hz相角：0.53.8 切换时间同时切换断电时间: 10mS+备用开关合闸时间+用户设定延时串联切换断电时间: 10mS+工作开关跳闸时间+备用开关合闸时间3.9 事件记录分辨率事件顺序记录（SOE）分辨率为1毫秒4 硬件说明本装置采用了Motorola公司生产的68000系列32位单片机，运算速度快、功能强及抗干扰性能优异。同时采用了大容量的Flashrom、Ram以及一次性烧写的可编程逻辑芯片，同时该装置采用了整面板、整背板新型结构设计，交、直流分开，提高了装置的整体可靠性和安全性。装置主要由电源模件、交流模件、开关量转换模件、CPU模件、信号模件、显示模件、出口模件、通讯打印机模件组成。见示意图一、二。 CPU模件电源模件 信号模件直流电源 68332单片机 2x512K FlashRom交流模件 14位A/D转换器出口模件交流模拟量 1024K Ram 现场可编程门阵列开关量模件液晶显示模件 串行定值存储器开关量 时钟、GPS接口 液晶驱动、通信接口示意图一通讯打印模件 68332单片机 512K FlashRom 1024K Ram 串行定值存储器 计算机通信接口 （RS232）装置间485通信口 监控系统接口 并行打印机接口示意图二4.1 电源模件输出 5V、24V装置内工作电源。4.2 交流模件从现场CT、PT来的电流、电压信号通过装置内的电流、电压互感器隔离、滤波转换为CPU可接受的小电流、小电压信号。4.3 开入量转换模件各种开关量信号通过内部开关量隔离转换为CPU可接受的小电压信号。4.4 CPU模件对输入的模拟量及开关量进行数字运算处理，处理结果由输出口经光耦隔离输出。4.5 信号模件各种信号经继电器空接点输出。4.6 显示模件人机接口，各种模拟量、开关状态量及故障信息、操作信息显示。4.7 出口模件由CPU处理的各种跳合闸信息由干簧继电器空接点输出。13装置闭锁及报警功能4.8 通讯打印机模件通过该模件与各CPU模件进行实时通信，完成故障信息及其它信息的打印及与计算机或监控系统之间的通信管理。5 装置切换原理说明5.1 正常手动切换功能 手动切换是指电厂正常工况时，手动切换工作电源与备用电源。这种方式可由工作电源切换至备用电源，也可由备用电源切换至工作电源。它主要用于发电机起、停机时的厂用电切换。该功能由手动起动，在控制台或装置面板上均可操作。手动切换可分为并联切换及串联切换。5.1.1 手动并联切换（切换逻辑示意图见附图4）u 并联自动并联自动指手动起动切换，如并联切换条件满足要求，装置先合备用（工作）开关，经一定延时后再自动跳开工作（备用）开关。如果在该段延时内，刚合上的备用（工作）开关被跳开，则装置不再自动跳开工作（备用）开关。如果手动起动后并联切换条件不满足，装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。u 并联半自动并联半自动指手动起动切换，如并联切换条件满足要求，装置先合备用（工作）开关，而跳开工作（备用）开关的操作则由人工完成。如果在规定的时间内，操作人员仍未跳开工作（备用）开关，装置将发告警信号。如果手动起动后并联切换条件不满足，装置将立即闭锁且发闭锁信号，等待复归。注意：1：手动并联切换只有在两电源并联条件满足时才能实现，并联条件可在装置中整定。2：两电源并联条件满足是指：两电源电压差小于整定值。两电源频率差小于整定值。两电源相角差小于整定值。工作、备用电源开关任意一个在合位、一个在分位。目标电源电压大于所设定的电压值。母线PT正常。5.1.2 手动串联切换（切换逻辑示意图见附图4）手动串联切换指手动起动切换，先发跳工作电源开关指令，不等开关辅助接点返回，在切换条件满足时，发合备用（工作）开关命令。如开关合闸时间小于开关跳闸时间，自动在发合闸命令前加所整定的延时以保证开关先分后合。切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。5.2 事故切换事故切换指由发变组、厂变保护（或其它跳工作电源开关的保护）接点起动，单向操作，只能由工作电源切向备用电源。事故切换有两种方式可供选择。u 事故串联切换（切换逻辑示意图见附图6）由保护接点起动，先跳开工作电源开关，在确认工作电源开关已跳开且切换条件满足时，合上备用电源开关。切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。u 事故同时切换（切换逻辑示意图见附图5）由保护接点起动，先发跳工作电源开关指令，在切换条件满足时（或经用户延时）发合备用电源开关命令。切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。5.3 非正常工况切换非正常工况切换是指装置检测到不正常运行情况时自行起动，单向操作，只能由工作电源切向备用电源。该切换有以下两种情况。u 母线低电压当母线三线电压均低于整定值且时间大于所整定延时定值时，装置根据选定方式进行串联或同时切换。切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。u 工作电源开关偷跳因各种原因（包括人为误操作）引起工作电源开关误跳开，装置可根据选定方式进行串联或同时切换。切换条件：快速、同期判别、残压及长延时切换。快速切换不成功时自动转入同期判别、残压及长延时切换。5.4 低压减载功能本装置可提供两段式定时限低压减载出口功能。该功能的设置主要为了在厂用母线电压降低时，先逐级切除部分非重要辅机，以保证 重要辅机能正常自起动。5.5 快速切换、同期判别切换、残压切换及长延时切换说明图1所示为厂用电系统的某一段接线图，图2为电动机切换时的等值电路图。 2DL 工 备 作 用 变 变1DL 3DL发电机 厂用母线 . . . . .D . . . . .D图厂用电系统的某一段接线图 Xs DL XmUdUs （a） I （b） O Us Ud 图2电动机重新接通电源时的等值电路图和相量图（a）等值电路图（b）相量图Us电源电压；Ud母线上电动机的残压；Xs电源等值电抗；Xm母线上电动机组和低压负载的等值电抗（折算到高压厂用电压）；U电源电压与残压之间的差拍电压。由图1所示，正常运行时，厂用母线电源由发电机端经厂用高压工作变压器提供，备用电源由电厂高压母线或由系统经起动/备用变提供。当发电机组保护动作或工作电源侧故障时，工作分支开关1DL将被跳开，此时连接在厂用母线上的旋转负载部分电机将作为发电机方式运行，部分电机将惰行，此时母线上电压（残压）的频率和幅值将逐渐衰减，此时如备用电源2DL及3DL合上，不可避免地将对厂用母线上的电机造成冲击，严重威胁厂用旋转负载的自起动及安全运行。图2所示为电动机重新接通电源时的等值电路图和相角图，从图中可以看出，不同的角（电源电压和电动机残压二者之间的夹角），对应不同的值，如=180o时，值最大，如果此时重新合上电源，对电动机的冲击最严重。根据母线上成组电动机的残压特性和电动机耐受电流的能力，在极坐标上可绘出其残压曲线，如图3所示。电动机重新合上电源时，电动机上的电压Um为： （41）式中Xm 母线上电动机组和低压负荷折算到高压厂用电压后的等值电抗；Xs 电源的等值电抗；U 电源电压和残压之间的差拍电压。令Um等于电动机起动时的允许电压，即为1.1倍电动机的额定电压UDe： （42）则：令： 则： （43） 图3 电动机的残压特性曲线和电动机耐受的冲击电流确定的允许极限假设K0.67，计算得到U（）1.64。在图3中，以A点为圆心，以1.64为半径绘出A-A圆弧，其右侧为电厂备用电源合闸的安全区域。在残压特性曲线的AB段，实现的电源切换称为“快速切换”即在图中B点（0.3秒）以前进行的切换，对电机是安全的。延时至C点（0.47秒）以后进行同期判别实现的切换称为“同期判别切换”此时对电机也是安全的。等残压衰减到2040时实现的切换，即为“残压切换”。为确保切换成功，当事故切换开始时，装置自动起动“长延时切换”作为事故切换的总后备。5.5.1 快速切换式（43）中的K值，与机组负荷有关，负荷轻时，会切除一些辅机。切除部分电动机后，Xm增加，K值也增加，U则减少，此时在图3中，以较小的U（）画出的圆弧就向A-A曲线右侧移动,如图中的B-B曲线。据有关资料分析，按K=0.67作出的允许极限是最危险的，因此K值应该取一个较大的数值，对同期判别及其他慢速切换，U（）取110；对快速切换，U（）取100；如取U（）100则从图3可看出此时残压与备用电源之间的相位差约为65O，此时如开关的固有时间为100mS，则合开关的指令约需提前40 O 左右，即残压向量与母线电压向量夹角为25 O 以内时实现的快速切换对电机是安全的。5.5.2 同期判别切换在WBKQ-01B厂用电源快速切换装置中，厂用电源母线电压（事故切换时为残压）的采样采用了自动频率跟踪技术，各电源电压的频率、相位及相位差采用软件测量，使得残压幅值计算的准确性及各相位计算的准确性、可靠性得到了有效地保证。在同期判别过程中，装置计算出目标电源与残压之间相角差速度及加速度，按照设定的目标电源开关的合闸时间进行计算得出合闸提前量，从而保障了在残压与目标电压向量在第一次相位重合时合闸。减小了对厂用旋转负载的冲击。设某时刻残压与目标电源角差速度为 VO/mS ;加速度为 aO/mS2 ;目标电源开关的固有合闸时间为TmS ;则：目标开关发合闸指令的提前角度为：VT + 0.5aT2 设当前残压与目标电源之间相位差为，则条件：|360-(+)| ；180O 且第一次过反相点 ；为一固定小值 ；同时满足时，装置发合目标电源开关指令，实现同期判别切换功能。5.5.3 残压切换当母线电压（残压）下降至2040额定电压时实现的切换称为“残压切换”，该切换可作为快速切换及同期判别功能的后备，以提高厂用电切换的成功率。5.5.4 长延时切换当某些情况下，母线上的残压有可能不易衰减，此时如残压定值设置不当，可能会推迟或不再进行合闸操作。因此在该装置中另设了长延时切换功能，作为以上三种切换的总后备。5.5.5 快速切换及同期判别的补充说明采用快速切换及同期判别的目的是为了在厂用母线失去工作电源或工作电源故障时能可靠、快速地将备用电源切换至厂用母线上，而从以往快切装置反馈的信息看，往往是快切装置正确动作，而备用电源因速断或过流保护动作而跳开，从某种意义上说，此时的切换也是失败的。究其原因主要是备用电源速断及过流保护定值整定的依据往往以躲过变压器励磁涌流及所带负荷中需自起动的电动机最大起动电流之和。根据经验，快速切换及同期判别切换一般在0.5秒左右完成，如果切换其间母线残压衰减较快，所带负荷中的非重要辅机可能还来不及退出，如此时合上备用电源，所有辅机将一起自起动，引起起动/备用变压器过流，其值可能超过过流定值，甚至达到速断定值。为避免出现上述情况，在快速切换及同期判别时，分别增加了母线电压的判据（可通过控制字投退）。当母线电压小于定值时不再进行快速切换或同期判别切换，等切除部分非重要辅机后再进行残压或长延时切换，提高厂用电切换的成功率。另外，由于厂用工作和起动/备用变压器的引接方式不同，它们之间往往有不同数值的阻抗，当变压器带上负荷时，两电源之间的电压将存在一定的相位差，这相位差通常称作“初始相角”。初始相角的存在，在手动并联切换时，两台变压器之间会产生环流，此环流过大时，对变压器是十分有害的，如在事故自动切换时，初始相角将增加备用电源电压与残压之间的角度，使实现快速切换更为困难。初始相角在200时，环流的幅值大约等于变压器的额定电流，在切换的短时内，该环流不会给变压器带来危害。因此在厂用工作与起动/备用变压器的引线可能使它们之间的夹角超过200时，在手动并联半自动的切换方式下，虽然装置可通过软件进行相角调整，但该方式仍需慎用（此时可采用手动并联全自动或手动串联切换方式进行）。5.5.6 备用分支保护功能本装置内提供了备用分支后加速保护及过流保护功能，在事故切换合备用电源开关同时，在设定的后加速有效时间内提供速断保护功能，分支过流功能长期有效。同时装置也给出一对信号接点，用于投入变压器分支保护装置的后加速保护。6 装置闭锁及报警功能6.1 保护闭锁当某些保护动作时（如工作分支过流），为防止备用电源误投入故障母线，可由这些保护给出的接点闭锁装置。一旦该接点闭合，装置将自动闭锁出口回路，发装置闭锁信号，面板闭锁、待复归灯亮，并等待人工复归。6.2 控制台闭锁装置当控制台闭锁装置时，装置将自动闭锁出口回路，发装置闭锁信号，面板闭锁、待复归灯亮，并等待人工复归。6.3 PT断线闭锁当厂用母线PT断线时，装置将自动闭锁低电压切换功能，发PT断线信号，面板断线、待复归灯亮，并等待人工复归。6.4 目标电源低压15事件信息、事故追忆、录波、打印工作电源投入时，备用电源为目标电源；备用电源投入时，工作电源为目标电源。当目标电源电压低于所整定值时，装置将发目标电源低压信号，面板低压灯亮。当目标电源电压低于所整定值时，装置将自动闭锁出口回路，且发闭锁信号，直到电源电压恢复正常后，自动解除闭锁，恢复正常运行。6.5 母线PT检修及PT辅助接点断开闭锁当母线PT检修压板接通或PT辅助接点断开时，装置将自动闭锁低电压切换功能，并发母线PT检修信号。当检修压板断开且母线PT开关恢复正常时，自动恢复低电压切换功能。6.6 装置故障装置运行时，软件将自动地对装置的重要部件如CPU、FLASH、EEPROM、AD、装置内部电源电压、继电器出口回路等进行动态自检，一旦有故障将立即报警。6.7 开关位置异常装置在正常运行时，将不停地对工作和备用开关的状态进行监视，装置在正常运行时，工作、备用开关应一个在合位，另一个在分位。如检测到开关位置异常（工作开关误跳除外），装置将闭锁出口回路，发开关位置异常信号。6.8 去耦合由于在同时切换过程中，发跳工作开关指令后，不等待其辅助接点断开后就发合备指令，如果工作开关跳不开，势必将造成两电源并列。此时如去耦合功能投入，装置将自动将刚合上的备用开关再跳开。6.9 等待复归在以下几种情况下，需对装置进行复归操作