【110kV降压变电站备自投系统的设计与实现（论文）15000字】

绪论1.1概述在电力行业发展的早期，电力是直接从用户周围的发电厂中产生的，因此，每个发电厂都是独立的。但是，由于社会经济的快速发展，人们对电能的需求量急剧增长，而在我国，能源资源与能源的需求却是反向分布的，西部地区地处能源密集的东部，为了解决这种分配问题，必须在资源丰富的地方修建一座大型的发电厂，将电能传输到更远的地方。不仅如此，为提高供电可靠性和资源利用效率，在电厂和用户间建立了一种以变电所和输电线为基础的电力网络，其电能首先经过高压变电所送入长距离输电网，再经过各种电压等级的变电所构成的配电网络，最终到达使用群体家中，经过不断的扩大、改进和发展，逐渐形成了现在的稳定、高效的电力系统[1]。电力系统自动化是指利用计算机、通信和电力电子技术在电力系统中的应用，对电力系统中的发电、输电、变电、配电、供电等各个环节的数据采集、分析、处理，从而达到自动化的目的[2]。自动控制是目前电力系统中最典型的一种自动化设备，它们往往具有检测、决策、控制等功能，其中大部分都被安装在变电站内部，作为变电站的辅助设备，起着保障电网运行安全和稳定的作用。本文所要解决的问题，就是一个典型而又重要的电力系统自动化设备：备用电源自动投入装置。随着智能变电所的普及，自动投影仪也在不断地更新，从传统的传统的继电器自动投影仪到现在的各种微型计算机自动投影仪，灵活性、适用性和智能化都得到了体现。电力系统中的备自投设备大都是在变电所中，变电所是整个电网的重要组成部分，它与电网一起发展已有百年之久。在电力系统中，作为传输与分配的节点，变电所的规划、设计、运行、维护等都关系到电网的安全与可靠性，而增加和改造则进一步证实了供电可靠的重要性。1.2本课题的研究意义就当下来看，电力已经成为人们日常生活中必不可少的一项内容，供电也越来越受到人们的重视，停电时间、停电次数、停电范围已经成为衡量一个国家的电力技术水平的一个重要标志，而在电厂与客户间的电网则起到了传输、变电和供电等作用。断电是由故障引起的，而故障是每个系统都无法避免的，同时，电力系统的故障也是一个巨大的威胁，它会影响到整个电网的安全，随着电力网络的不断扩大，线路越来越复杂，故障的类型也越来越多，所以，目前已经有了很多的继电保护设备，比如过电流保护、距离保护、纵联保护等等。为了保证连续供电，大型医院、炼钢厂、矿山、交通枢纽等电网中的一、二级负荷，都需要有备用接线，而在这些关键负荷下，需要有一套完整的备用电源[3]，这样，当某一次接线或变压器发生故障时，可以立即投入备用电力，为母线进行充电，要保证供电的连续性，保证一些大型的电力设备，甚至是一些比较关键的负载，保证人民的生产和生活的安全和高效。随着我国经济的发展，电网中一、二次负荷的增加，对电能质量、可靠度等指标的需求也日益增加[4]，从技术和生产需求来看，许多公司都是连续生产的，电力是保证连续生产的基础，但三级负载却会越来越少，甚至会消失。本文所研制的以PLC为控制中心的微型备自投装置，即适用于多种接线形式、不同电压等级的变电所，采用梯形图的方法进行编程，大大简化了设计与编程，方便了软件的修改和移植。同时，PLC技术还可以与更多的计算机技术相结合，将更多的现代、智能化技术引入到电力系统中，从而提高电网的运行效率和可靠性。1.3本课题的研究现状及前景我国在八十年代中期和晚期开始对变电站自动化技术进行了深入的研究，其中备自投装置是一种新型的保护设备，它的发展经历了电磁式、集成电路式和微型计算机式三个阶段。其中，电磁类型的继电器因为功能单一、调试困难，而且由于传统的电磁继电器容易发生氧化、熔接等故障。以单片机和PLC为控制核心的微机备自投设备已在电力系统中得到了广泛的应用。微机型备自投装置，具有使用简便、可靠、性能优良等优点。就当下来看，微型式保护器已逐步替代传统的电磁式保护器，在我国各种不同电压等级的变电站中得到了广泛的应用[5]。国外几个发达国家在二十世纪七十年代后期就开始了对变电所自动化技术的研究与研究，目前国外主要采用的是德国西门子，法国施耐德，美国通用，西屋，日本三菱，瑞士ABB等，都有较为成熟的变电所自动化设备。就当下来看，我国的电力系统技术在世界上处于领先地位，但在电子自动化的设备和发展上，特别是在单片机、PLC等领域，需要不断地吸收国外的先进技术，不断地进行研发和创新，以创建中国特色的民族品牌。同时，随着电网规模的扩大，对供电可靠性的要求也日益提高，这是目前国内外电力工作者亟待解决的问题。1.4本课题的研究内容本文以110kV降压变电所为实例，对其进线备自投、高压侧110kV母线分段自投、低压侧35kV母线分段备自投三种作业方式进行了研究。110kV变电所是电网中的一种区域变电所，它的电力供应范围很小，它所组成的110kV电力系统以高压为主，而我国的电力系统大都是以辐射网形式开环运行[6]，变电所虽然有两路供电，但为避免形成电磁环网，对电网的安全构成威胁，一般采用一主一备，或分开运行，故国内110kV及以下变电站大都采用备用电源自动投入装置[7]，在上级电网发生故障导致母线停电的情况下，在具备备用启动条件的情况下，对断路器进行操作，实现电源切换，确保连续供电，提高了电网的整体供电可靠性。备自投设备的工作原理很好理解，就是在发现母线电压下降后，就会进入备用电源，但作为电网的自动安全设备，它的作用非常大，所以在设计和开发过程中，必须要综合考虑各种因素。首先要解决的是变电所错综复杂的主接线方式，如单母线，单母线分段，双母线，双母线分段，单元接线，桥接线，角接线，单元接线，单断线器接线，半断线器接线，因为大部分备用自投设备都在配电网中，所以本项目的研究重点是110kV变电所的高压侧内桥接线和单母线分段接线。备自投设备与继电保护设备的协同工作关系到该方案的合理性和实用性，变电所的继电保护可分为线路、母线和变压器三类，其中110kV线路的主保护通常是三级距离保护（包含相间和接地之间），35kV线路通常采用三相一次合闸，三相一次重合闸，为了躲避各种保护和自动重合闸，必须在规定的时间内起动[8]。变电所的母线和变压器保护是为了解决变电所内部的问题，这时要进行闭锁备自投，以避免事故的扩大。由于备自投设备的主要控制目标是断路器，因此其性能也必须纳入到设计中，为更好地扑灭电弧，目前110kV线路普遍采用SF6型断路器，而35kV线路采用的是真空断路器，高压断路器在负载开合时会出现电弧，如果在主供电断路器的电弧没有被熄灭的情况下，就有可能导致断路器不能开闸，因此，在备自投的起动延迟中，还要考虑到断路器开合闸的持续时间，确保下一次断路器在电弧熄灭后再次启动，不同的断路器合闸和开闸的时间因不同而需要相应的调整。由于断路器检修、电网调度运行等原因，主供电源进线断路器有可能被人为地人工或远程断开，这时也不能进行备用自投，同时，变压器二次侧断开造成的信号收集误差也是备用自投的一种。PLC的控制软件可以根据备自投的操作逻辑一步步地编制，但是它的编程方法常常是灵活的，需要对程序进行不断的优化，力求简洁、故障少。这个项目涉及到备用自投系统的仿真与监测，需要软件、仿真软件和配置软件，三个模块之间要相互联系，必须要有一个统一的通信协议和参数设定，以及软件和软件的协调。2备自投的基本原理2.1备用电源自投系统概述2.1.1备用电源自投系统定义自动备用电源自动投入设备（BZT）是一种自动控制设备，它与自动重合闸、自动切负荷、自动调整励磁等功能相似，是一种用于控制电网不稳定和大规模断电的自动自动保护系统。在大型电力系统中，每个备自投设备的工作是否正常，都会影响到整个系统的运行，在供电和供电系统中，一、二级负荷往往需要采用备用电源自投系统。后备自投设备的定义如下：当主供电源由于上一级电源发生故障而被切断后，能够及时恢复备用或其它正常的供电，使由于原主电源断开而导致的用户迅速获得电能的安全自动设备，是确保电网稳定和持续供电的一项关键措施[9]。2.1.2备自投方式的分类按运行状态分类明备用：工作和后备两种电源分工明确，工作时由工作电源提供，工作电源由于故障而失去电压，则由备用电源提供。暗备用：工作电源与后备电源之间的分工不清，通常情况下，两条电源进线分开工作，分别供给各个区段的母线，在某一电源出现故障或停电时，母线关闭，两条母线同时被另一台电源提供电力。按接线方式分类从理论上讲，后备电源自投装置是一种简单的逻辑操作，但是在变电站中，一次部分的主要电气主接线形式多种多样，如单母线分段、内桥接线、单元接线、角形接线等，因此，备自投系统的运作模式也是多种多样的。但最终，各种复杂的备自投模式可以看作是一种典型的备自投，其工作模式详见2.3节。(1)进线备自投(2)分段备自投(3)变压器备自投这三种备自投都有一个基本原理，那就是在停电时，首先跳过与它相关联的断路器，然后在备用电源能正常供电的情况下关掉与备用电源相连的断路器。2.1.3采用备自投装置的优点与不设备自投的变电站相比，其供电可靠性得到了改善，节约了建设投资；该方法方便了电网继电保护，使继电保护系统得到简化，使环网能够开环工作，并能使变压器单独工作；它既能限制短路电流，又能减少变电所的短路容量，又能增加母线剩余电压，改善电网的暂态稳定性[10]。2.1.4多级变电站的备自投配合在电网中有多个电压等级的自投时，要充分考虑各个层次的准备和自投之间的关系，并采取相应的措施。原则上，采用电压等级高、影响范围大的备用自投机，电压等级低、影响范围小的备用自投，按避开上一次备用自投时间的标准进行调整[11]。但是，由于低压线路有较大的事故发生，因此，为提高电力系统的可靠性，减少断电时间，应采取不同的措施，该方案被推荐用于开环运行的电力系统，对于电力系统的持续供电具有重要的作用。2.2备自投装置应满足的要求为确保备自投设备能在不影响电网及使用者正常工作的前提下发挥其应有的功能，通常需要具备下列条件：在切断工作电源之前，不要将备用电源投入到有问题的线路中，以免引起更大的问题和严重的后果；在输入后备电源时，要有一定的延迟，延时要大于最大的外接故障继电器切断的时间，但要尽可能缩短，以满足使用者对电机的自启动要求；人为手动拉闸不能触发备用自动投递，但操作人员误操作导致压力过大时，必须启动备用自投[12]；在后备供电电压不足的情况下，不能使用，而后备电源必须与主供电具有同等的负载容量；当变压器次级环路断开时，备用自投设备不能工作；备自投设备应该一次运行，如果母线出现持久的故障，备自投系统在启动备用电源后，由于故障还在，继电器就会切断后备电源，使备用设备失去作用，因此，备自投设备必须立即复位，避免对电网造成不必要的影响。确保各种PLC、PLC与PC机的通讯，并能实现实时的信息交流[13]。2.3备自投工作方式2.3.1进线备自投图2-1进线备自投起始图这种方法与明备用相类似，在图2-1中，当常规操作时，假定进线1是主要的供电，进线2是后备的，断路器1DL和3DL是关闭的，2DL是OFF，两个总线都能正常工作，准备好的自投系统正在准备开始；在欠压继电器发现母线无压时，进线1无电流，进线2有足够的电压时，可以起动备用自投设备，在1DL跳闸后，将2DL关闭，如果1DL已跳离，可以通过延迟直接连接上2DL[14]。因为该配线模式的拓扑结构很好，进线1与进线2可以互换角色。当备一次自投操作后，或1DL、2DL均处于关闭状态，或已准备好自投用闭锁信号时，备用自投系统应该退出。2.3.2分段备自投图2-2分段备自投起始图这种方法与暗备用的方法相似，见图2-2，在正常工作时，进线断路器1DL和2DL处于闭位，母断路器3DL位于副位置，两个母线都能正常工作，备自投系统正在准备开始；如果某一条母线的电压下降，也就是任何一条进线都没有电流，而另外一条进线的电源是正常的，那么就会启动备用自投系统；假定I段母线在1DL没有断开的情况下，在延迟后切断1DL，然后重新连接3DL，如果1DL因为故障而被切断，则通过延迟关闭3DL。同时，由于其拓扑的对称性，两个进线器可以互相替换。当备自投进行一次操作后，或者3DL处于关闭状态，或者准备好了自投闭锁信号的时候，备用自投系统应该退出。2.3.3变压器备自投图2-3变压器备自投起始图在图2-3中，假定1#主变压器和2#副变压器，在正常情况下，主变侧开关在闭合位置，辅变压器不工作，但是进线2处有一个电压，从主变母线，为备自投系统的起动做好准备；如果主变不存在电流，母线检测不到电压，说明主变或进线1发生了问题，这时就开始准备备自投，如果主变二次侧断路器处于关闭状态，经过一段时间的延迟，跳过主变两边的断路器，再依次关掉辅变压器侧断路器，如果主变二次侧断路器已断开，那么在延时后关掉辅变压器两边的断路器。当备一次自投操作后，或3DL、4DL均处于关闭状态，或已准备好自投闭锁信号时，备自投系统应放电退出。2.4小结本文通过对备自投的涵义的阐释，对备自投的基本原理、作用进行了分析，阐明了备自投的工作模式及特征，为以后的备自投体系构建及工作逻辑打下了坚实的基础。3110kV降压变电站备自投系统的设计与实现3.1对象特征该变电站110kV侧通过2回架空线与系统相连，35kV侧出线8回，最大负荷40Mw,COSΦ=0.85。本变电站一共的主变压器的数量是两台，并且我们的每一台变压器的条件其实也都是符合70%的负载条件,所以应先按照要求选好主接线电源回路,然后再按照不同负载要求计算各短接点的短路电压,再按照短路电压选用适当的高压电器装置,要做动稳、热稳定的校核工作,而且都要保持在一定的预度。在设计主接线系统时,要充分考虑到安全可靠、稳定性与经济效益,在确保安全可靠、稳定性的同时,也要兼顾到经济效益上的效益,对各个元器件的选型都要合理,减少花费资源来提高经济效益。图3-1电气主接线图3.2备自投设计方案3.2.1控制方式的选择过去所使用的备用自投设备往往是由许多继电器、接触器等部件构成，尽管可以达到一定的控制要求，但是接线往往很复杂，设备出现故障的几率也很大，调试、检修、修改控制逻辑都不方便，使用寿命不长，很难达到高可靠性的要求，同时也不能解决通讯问题。随着信息化时代的到来，微机型备自投装置的出现，目前在电力系统中得到了广泛的应用，以高性能的MCU和PLC作为控制中心的微机自动投递设备占主导地位，采用软件编程取代了硬件之间的连接，使控制程序的调试和修改变得更加容易。不仅如此，微型设备的使用，使得变电所的运行更具自动化，并能达到分散式、集中式的管理，从而提高了系统的可靠性和效率[15]。本项目选择了可编程逻辑控制器，其本质是工业控制系统中的一种专用计算机，它具有通用性强、体积小、功耗低、抗干扰能力强等特点。PLC的工作流程包括输入采样、用户程序执行、输出刷新三个阶段，这三个阶段被称作“扫描期”。在整个运行过程中，CPU反复地执行上述三个步骤，并保持一定的扫描速度[16]。采用PLC实现备自投，减少了继电器的使用量，采用PLC的虚拟继电器代替实物继电器，根据开关量的输入，通过编程实现输出，缩短了中间环节，提高了延迟，降低了错误发生的几率[17]。与单片机相比，PLC程序设计语言更易于被工程师所理解和掌握。MCU的程序设计语言多采用C，如C51，对计算机程序有一定的了解；而PLC的程序语言则由梯形图、指令表、功能模块图、顺序函数图、结构文字等五大部分组成。与其它方法相比，梯形图编程采用了传统的继电器接线逻辑，使编程更为直观，便于电气设计者使用。3.2.2备自投系统设计框架本文结合项目的研究内容，结合备自投的工作原理，建立了一套备用电源的自动投递系统，其中的硬件部分以一次系统和二次控制环为主体，而软件则由Step7开发的PLC控制程序、PLCSIM的运行模拟、组态软件的建立和监测。本文以110kV变电所为实例，对110kV变电所采用的进、备自投、桥备自投、三相低压35kV侧自备自投。如图3-2所示，本项目备自投系统的设计思想是：将备自投设备与变电所连接，通过变压器将主控系统的电压信号输出至低压继电器，并将继电器的接触动作信号、断路器开/关位置信号和准备自投的锁止信号作为开关信号输入到PLC控制中心，需要根据备自投的不同工作模式来编写控制程序，下面将详细介绍PLC的编程逻辑。PLC输出的开关量信号，经过中间继电器，进入断路器的控制继电器，从而控制变电所一次系统中的断路器，使其进入后备电源，并向指示灯输出报警信号，当母线停电时，自动报警，当备用电源进入时，报警就会自动解除。PLC与PC机的实时信息交互，能够直观地显示和控制备自投递系统，但脱离PC机后仍然能正常工作，PLC是整个系统的重要组成部分。图3-2备自投系统设计框架图3-3是PLC的内部控制逻辑，尽管在不同的操作模式下，其运行逻辑是不一样的，但是它们都是由三种控制条件组成的：充电条件、启动条件、闭锁条件。在软件设计中，对大多数的故障都要加以考虑，但对少数发生概率很低的故障，则不能将其纳入备自投的设计中，避免造成设计逻辑的复杂性和可靠性的下降。首先，PLC上电复位，接受系统的输入，并对系统的电压、电流、断路器等进行实时采集。在备自投正常不闭锁时，先判定是否符合充电状态，如果不能，则自动启动，不能再充电，PLC持续对输入信号进行扫描，获取参数；当充电状态符合时，利用计时器设定延迟，以模拟充电时间。当完成充电后，判定是否符合起动要求，当系统在正常工作时不能达到起动要求时，仅需要维持充电，备好自投设备，以达到起动条件；在满足起动要求的情况下，通过延迟时间判定是否符合锁定要求；如果不能，则进行自投操作，将备用电源投入母线，并在一次启动后自动放电；若符合锁定要求，则自动放电，以完成一次备自投。图3-3PLC控制逻辑3.3系统硬件部分3.3.1电气一次系统电气一次部分是电力系统中的重要组成部分，它负责供电、传输、转换、分配等工作，它是整个电网的重要组成部分，如图3-4所示，110kV变电站一次主接线是一种传统的双进一母线，内桥连接方式为高压侧110kV，而低压端35kV为单母线分段连接。本图表为典型的电力系统单线路图，以单导线代表三相线，更为简练、直观，所用的绘图软件是Visio2019office软件。在两进、四分母线均设有电压互感器，以实现对电压信号的实时采集，并在各分线上设置了一只电流互感器，用于对各线路的电流进行采集，并在断路器的两端设置了一个绝缘开关，以方便断路器的进出和倒闸，并在主变压器的两端安装了一个隔离开关。该表包括了变电站一次装置的一部分，但没有标出避雷器、接地装置、无功补偿装置等。两个电源输入线路能为I、II母线提供电力，其中母线CB3位于分位置，两个电源均为暗后备；也可以采取一主一备的明备模式，在此项目中，进线1是主要的供电设备，I、II母线的供电，2是进线的后备电源。在变电站低压侧，通常仅有两个主变分开操作，母线断路器CB6处于分位置[18]。图3-4110kV变电站一次主接线图3.3.2I/O地址分配及二次控制回路在PLC编程中，I/O地址的分配是PLC控制软件开发中的一个关键问题，该项目涉及到大量的开关量输入和输出，因此必须将控制信号与被控对象相结合，合理分配地址，便于编程。在表3.1、3.2中，分别给出了高压侧进线、分段备自投两种方案的输入与输出地址，因为两者的控制目标基本一致，因此可以使用同一I/O地址，但是在实践中，仅使用一种。表3.SEQ表\*ARABIC\s11高压侧I/O地址输入部分名称符号地址Ⅰ段母线欠压信号KV1I0.0Ⅱ段母线欠压信号KV2I0.1进线1欠压信号KV3I0.2进线2欠压信号KV4I0.3Ⅰ母线来路有电流信号KA1I0.4Ⅱ母线来路有电流信号KA2I0.5手动/遥控信号KA3I0.6主变/母线/失灵保护信号KA4I0.7表3.SEQ表\*ARABIC\s12高压侧I/O地址输出部分名称符号地址进线1断路器CB1Q0.0进线2断路器CB2Q0.1高压侧桥断路器CB3Q0.2隔离开关1Q1Q0.3隔离开关2Q2Q0.4隔离开关3Q3Q0.5隔离开关4Q4Q0.6隔离开关5Q5Q0.7隔离开关6Q6Q1.0报警指示灯L1Q1.1针对低压端35kV分段备用自投系统，根据控制目标的不同，需要重新分配I/O地址，其输入端和输出端分别见表3.3和表3.4。表3.SEQ表\*ARABIC\s13低压侧I/O地址输入部分名称符号地址Ⅲ段母线欠压信号KV1I0.0Ⅳ段母线欠压信号KV2I0.1Ⅲ母线来路有电流信号KA1I0.4Ⅳ母线来路有电流信号KA2I0.5手动/遥控信号KA3I0.6母线/失灵保护信号KA4I0.7表3.SEQ表\*ARABIC\s14低压侧I/O地址输出部分名称符号地址T1断路器CB4Q0.0T2断路器CB5Q0.1低压侧母联断路器CB6Q0.2隔离开关11Q11Q0.7隔离开关12Q12Q1.0报警指示灯L2Q1.1电气二次部分的功能是监测、保护、控制等，并通过电流、电压互感器与一次部分进行电连接。如在图3-5和3-6中所示，它们是分别在高压侧和低压侧备自投系统中的次级环路，它们与上面的地址指派表格相对应，它们的输入/输出端是正确的，而输入端继电器触头一端连接到输入端，一端连接到公用端；输出端子继电器线圈，一端连接到输出端口，一端连接公用终端；24V供电的正电极与L+相连接，而负电极与公用终端M相连接。图SEQ图\*ARABIC3-5高压侧备自投二次回路图3-6低压侧分段备自投二次回路3.4备自投运行逻辑本文选取德国西门子公司的典型的S7-300系列PLC，其CPU型号是CCP314C-2DP。在选择PLC时，应先了解受控对象的特性，达到所要求的控制功能，再决定输入、输出的方式和数目，保证I/O接口的利用率，并将经济性和可靠性考虑在内。在这个项目中，备用电源自投机是安装在变电所里的，它的主要功能是控制一次系统的断路器，由于工作环境比较复杂，所以不能使用单机PLC。S7-300是一款具有中等性能的PLC产品，其结构紧凑，适合于大中型、高可靠的大型、复杂的控制系统，该信号模块具有24个开关量和16个开关量，如果需要添加I/O，可以在导轨上添加一个扩充模块[19]。该系统具有定时器、计数器等功能，通讯模块具有MPI和PROOFIBUS通讯接口，充分满足了项目的要求在编制PLC控制软件时，必须对备自投设备的功能和需求进行分析，并设计操作逻辑，从逻辑上导出梯形图程序。备自投设备的操作逻辑分为充电、闭锁、启动三种，它们之间的逻辑关系大体见图3-7，具体的含义和逻辑图将在这一部分中详细说明。图3-7备自投运行逻辑3.4.1充电条件针对微机型备自投系统，使备自投一次操作是一个关键问题。在常规的备自投系统中，为了确保备自投一次，可以采用人工手动回路。在微机型备自投系统中，必须采用“充放电”的概念来实现一次操作，这与继电保护中的线路自动重合，只有达到一定的充电条件，才能对重合闸设备进行充电。类似地，在备自投系统中，仅在现有电网的某些设置条件达到自投允许的情况下，才能对备自投设备进行充电。一旦系统发生故障，备用电源将会自动启动，直到系统的问题被排除，系统重新启动，直到系统重新启动，再进行下一次充电。传统的备用自投系统，其充放电都是由电容器的充放电与中间继电器的工作相结合，而在微机型备自投系统中，通常采用的是逻辑操作和软件的延迟代替充电，由备用自投设备根据所获取的电压、电流和断路器的位置信号来判定充电状态是否符合。T1表示准备自投的充放电时间，大约在10秒到15秒之间，这个时间的设置主要有两个目的：一是等待系统中的故障干扰过去，让系统恢复到相对稳定的状态；二是与继电器、重合闸一起工作，以防止对侧邻接保护的最后一步延迟，避免重合闸的最大起动时间，防止在备用电源投入后出现较大故障，造成事故出现更为严重的后果[20]。例如，在图3-8中，作为方案1的高压侧进线备自投，其充电状态是这样的：CB1在合位置&CB2在分位置&CB3在合位置&Ⅰ段母线三相有压&Ⅱ段母线三相有压&进线2有压，从而取代图3-7所示的充电状态。图3-8进线备自投充电条件方案二的高压侧桥备自投运的情况是：CB1处于关闭状态，CB2处于关闭状态；CB3处于次级状态；方案三的低压侧分段备用自投与方案二的操作逻辑基本一致，即：CB4处于闭位状态，CB5处于闭位状态，CB6处于次级状态，三相端母线处于三相压力状态。3.4.2启动条件工作母线的失压是备用自投的一个重要起动条件，通常认为低于标准电压百分之七十的低压就是失压，而这种欠压继电器可以设定标准电压门限为百分之七十[21]，当测量的电压低于临界值时，该欠压继电器接触头工作，该开关信号被输入到备自投系统，但需要一段时间的延迟，如果延迟后母线仍然没有压力，就说明该主供供电线路出现故障，需要切断主供电并投入后备。这里的延迟是为了防止电压波动而产生的电压波动。需要注意的是，不管主供线路上的断路器是否与继电器断开，在起动后，备用开关必须再次跳闸，以免形成电磁场，影响系统的稳定。在图3-9中，也可以用第一进线的自投运作为例子，它的起动条件是：段母线三相无压&Ⅱ段母线三相无压&进线2有压，从而取代了图3-7所示的起动状态。图3-9进线备自投启动条件方案二：高压侧桥的启动有两个条件，满足任一条件，即：1．CB1在合位置&Ⅰ段母线三相有压&Ⅱ段母线三相无压2．CB2在合位置&Ⅰ段母线三相无压&Ⅱ段母线三相有压方案三的低压侧分段备自投与第二种方式相似，其起动条件如下：1．CB4在合位置&Ⅲ段母线三相有压&Ⅳ段母线三相无压2．CB5在合位置&Ⅲ段母线三相无压&Ⅳ段母线三相有压3.4.2闭锁条件备自投系统是为提高电网供电可靠性而设计的，但在有些情况下，备自投系统的引入会产生反效果，这时应考虑对备用自投装置进行锁止，一旦有锁止信号输入，备自投立即放电并退出。它的锁定条件主要包括如下方面，见图3-10：操作人员人工切断操作，或远程断路器断开，备用自投不能起动，所以在设计自投时，应设置相应的继电器。变压器二次侧断线会产生母线失压的错觉，需要根据变压器上的电流信号来判断母线有没有同时发生电流和电压损失，如果只有电压下降，那就说明变压器有问题，需要进行闭锁。当变电所内部出现故障时，备用自控系统不能正常工作，避免造成更大的意外。所以，主变压器保护、母线保护、断路器故障保护等动作都可以用作备用自投的闭锁信号。图3-10备自投闭锁条件3.5系统软件设计3.5.1梯形图编程过程说明本项目采用西门子S7-300PLC为控制器，采用Step7，该项目采用的是S7-300PLC的通用程序。Step7除了具备程序设计功能外，还包含了硬件配置、通讯组态、运行监控、诊断等功能，基本上可以满足整个PLC系统的建设要求。先在SIMATICManager中创建一个新的条目，选择LAD程序语言，将SIMATIC300网站插到硬件配置环境中，将其插入到CPU314C-2DP中，修改输入/输出开始地址，保存和编辑；按下S7键，即可进入OB1的组织模块，并进行编程。图3-11PLC硬件组态3.5.2程序段具体说明这一部分将详细介绍三种程序的各个部分的功能，如下面所述：1.充电模块（1）高压侧进线备自投在此设计中，进线1是主要供电，2是进线，1是模拟进线1的断电，进线2是母线的输入。图STYLEREF1\s3-12充电条件程序根据本章第3部分的充电情况，程序部分1根据本章第3部分的充电情况，在梯形中显示为串联模式，进线1断路器关闭，进线2断路器断开，桥接断器关闭，I级Ⅱ母线和后备电源正常有电压时，副继电器M0.0绕组通电，常开接触闭合。图3-13充电延时程序第二个程序段是表示充电时间的延迟程式，计时器选择了ON延迟计时器，在输入S接收到上升沿讯号后，计时器开始工作，在设定的时刻之后，输出Q设为1，副继电器M0.1被加电并维持，它的常开触头被关闭。（2）高压侧桥备自投该方案采用双电源输入并联，桥断路器处于分段状态，在高压端的任何一条母线断开后，接通，另一端作为后备输入，用于两条高压母线的同步供电。图STYLEREF1\s3-14充电条件程序如方案1所示，当程序段1符合本章第3节2的充电条件时，M0.0线圈被打开，下一个程序被启动。第二种方案和第一种方案一样，表示充电延迟。（3）低压侧分段备自投方案三为35kV低压侧的自备自投，其操作原理与方案2的自投基本相同，只是在Step7中修改了符号表，并在3.2.2章节中重新配置了I/O地址。2.启动模块（1）高压侧进线备自投图3-15启动条件程序程序段3对应于本章第3节的起动条件，与此相同，当备用电源正常，Ⅰ段Ⅱ段母线电压均满足时，自动起动，M0.2绕组通电，常开触头关闭。图3-16报警程序程序段4是一个警报程序，在高压端的任何一条母线在无压的情况下，报警指示灯开始工作，在两条母线都正常的情况下，报警信号就会被释放。图3-17启动延时程序程序段5表示起动延迟，也使用ON延迟计时器与辅助继电器，M0.2触头关闭十秒，使M0.3线圈的常开触头闭合，这是为了在母线断电后，等待设备操作结束。（2）高压侧桥备自投图3-18启动条件程序第二种方法的启动方式与第一种方法不同，因为两种方法都是在暗中进行，一旦其中一种电源发生故障，就会将另一种能量注入到另一种能量中。程序段5是一个警报程序，与方案1程序段4相同。图3-19启动延时程序方案二的启动延迟也被分成了两个阶段，分别是在II和I母线停电时，备用的启动延迟。3.闭锁模块（1）高压侧进线备自投图3-20闭锁条件程序程序段6与本章第3节所述的锁定状态相对应，在上述三种锁定状态均未达到时，M0.4绕组可开启，使其常开接触闭合，为自动起动做好准备。图3-21切断故障电源程序程序段7的作用是断开主供电，一般情况下，由于故障导致的母线失压保护，将进线断路器断开，并且在控制程序中增加主供电源的复位信号，以确保在备用电源投入后不发生更大的事故，并使继电器M0.5启动下一个程序。图3-22隔离开关动作程序程序段8是在断开主供电源后，依次关闭备用电源进线断路器的两边的隔离开关，以确保电弧的游离，在这两个操作中间加上1秒的延迟，正确的顺序是先关闭电源侧的隔离开关，然后再关闭负载侧的隔离开关，以便在最优化程序这里省略延迟，并触发继电器M0.6使下一个程序进入。图3-23备用电源投入程序程序部分9使后备电力进入，在切断开关关闭后0.5秒内合上进线2断路器，使母线继续提供电力，完成一次自投，并将继电器M0.1复位，表示备自投设备放电，当线路故障修复完毕，主供电源恢复正常后，再进行下一步操作。（2）高压侧桥备自投图3-24闭锁条件程序方案二的闭锁条件也要分开编制，为了避免二次断线造成的备自投动作，在闭锁状态中加入了线电流信号，并加入一种安全措施，而在两种运行状态下，由于欠压信号源的不同，产生的电流信号也不同，因此对闭锁状态的判定也有两种。图3-25切断故障电源程序总的来说，为了确保系统的安全性，必须首先切断原主机的供电，所以这里又分成了两个阶段。图3-26隔离开关动作程序这一步与第一步相似，尽管两种情况下的控制方式不同，但最终都是由桥式断路器和两边的隔离开关进行控制，所以在这里进行了合并，经过1秒的延迟进行操作。图3-27备用电源投入程序最后一步，即闭合桥断路器，不论桥的哪个方向失电，就可以使两个端子线同时供电，这时对无故障的电源负荷很大，所以在桥机自投模式下应充分考虑到电源负载容量，以确保用户电能质量。3.5小结从变电站到PLC，从硬件到软件，详细地分析和研究了每个环节，并制定了三种不同的工作方案，既有明备用，也有暗备用。4110kV降压变电站备自投系统调试按前面一章备自投系统能实现的功能进行调试测试系统功能。4.1备自投系统的PLC仿真采用Step7软件所提供的PLCSIM仿真功能，对三种设计方案进行了仿真，得出了较为精确的仿真结果。首先，在Step7和PLCSIM之间建立MPI通信，MPI地址为2，再将PLC软件下载到模拟器中，进行操作和监控，通过对输入、输出的变量进行控制，实现了对系统的实时操作。高压侧进线备自投仿真如图4-1所示，变电所在正常工作状态下，主动式断路器和桥式断路器处于闭合状态，准备启动，计时器开始计时。图4-SEQ图\*ARABIC\s11仿真过程1从图4-2可以看出，备自投充电已经结束，继电器M0.1被打开，这时，模拟主供电（进线1）发生了故障，导致I级II级母线电压下降，而备用电源（进线2）正常有压力，这时，启动条件被满足，启动延迟开始，警报指示灯被点亮。图4-SEQ图\*ARABIC\s12仿真过程2从图4-3可以看出，在启动延迟之后，如果没有锁定信号的输入，则备自投开始，第一次切断主馈电源断路器CB1,Q0.0置零，在延迟之后，在后备电源的两边分别关闭。图4-SEQ图\*ARABIC\s13仿真过程3从图4-4可以看出，后备线（2）断路器被关闭，后备电源被投入，汇流端的电压恢复，I0.0和I0.1的输入归0，告警信号被释放，当M0.1被重置，准备自投设备被释放并返回。图4-SEQ图\*ARABIC\s14仿真过程4高压侧桥备自投仿真在图4-5中，当变电所正常工作时，双进线开关关闭，桥式断路器被切断，母线电压正常，符合充电要求。图4-SEQ图\*ARABIC\s15仿真过程1如在图4-6中所示，在充电结束后M0.1被打开，2号模拟进线有问题，输入I0.1，二号母线被断开，符合一个起动条件，M0.2被打开，并发出警报信号。图4-SEQ图\*ARABIC\s16仿真过程2如在图4-7中所示，在开始延迟之后，M0.4被打开并且没有锁定信号的情况下，M0.6被打开，备用自动投射设备被激活。图4-SEQ图\*ARABIC\s17仿真过程3如图4-8中所示，在接通M1.0的同时，切断有故障的进线断路器，确保系统的安全。图4-SEQ图\*ARABIC\s18仿真过程4在一秒延迟后，在关闭合桥断路器的两端，通过延迟合上桥断路器，完成了备用电源的输入，这时，II级母线的电力恢复，警报信号消失，当启动一次后，重新设置M0.1，准备回路。图4-SEQ图\*ARABIC\s19仿真过程54.2利用组态软件实现备自投监控本文选择了组态王6.55软件来对项目进行监测和运行，组态王是国内最先进的组态软件，它具有很强的性能，适合于各种工业控制环境。首先，在项目管理器中建立一个新的I/O装置，并选取西门子PLC-S7300/400（MPI）通信协议，选用COM1串行，设定装置的地址是2:0:2(MPI地址是2，机架编号是0，CPU槽编号是2)，然后在数据字典中建立一个新的变量，叫做“失压”，变量的类型是I/O的离散，连接一个新的I/O装置，一个Bit的数据，一个I0.0的寄存器。最后，在开发平台上建立了变电站一次部分的仿真模型，将开关、模拟按钮与相应的变量进行了动画连接，并将其转换到运行系统中，实现了备用自投系统的仿真。高压侧明备用配合低压侧暗备用如图4-10所示，该方案中的自备系统的运行监测屏幕是这样的，因为高压端是明备用的，所以它分为两个部分，一个是主电源，一个是母线，一个是内桥，另一个是没有连接的；低压端为暗备用，一般不分主备，两个主变站分开操作，母线断路器不连接。图4-SEQ图\*ARABIC\s110正常运行画面如图4-11所示，在母线电压降低的情况下，按下高压侧的按钮，表示主电源出现问题，母线不能工作，所以，应启动备用电源，恢复母线的电力供应。图4-SEQ图\*ARABIC\s111高压侧母线失电画面在图4-12中，模拟低压端Ⅲ级母线的电压损失主要是因为一座主变压器发生了故障，所以在这里没有提供主变保护的闭锁信号。假定1号主变左边发生了故障，这时切断III级母线的电源，使母线开关的电源从右边2号变压器输出到低压侧的两段母线。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s112低压侧母线失电画面高压侧暗备用配合低压侧暗备用在图4-13中，该配置的监控屏幕是这样的，两边都是备用暗，一般都是独立的，就像是两个独立的单元，内桥和母线都是没有连接的，没有主备电源之分。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s113正常运行画面如在图4-14中所示，当高压侧母线电压下降键被按下，左边的进线1发生了故障，这时进线1开关被切断，桥路开关被打开，进线2被用作母线的后备电源。如图4-12中所示，在一个主变压器发生故障时，低压侧自动起动，而非故障线路变为后备电源，以保证整个低压侧的安全。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s114Ⅰ段母线失电画面4.3小结这一章主要介绍了备自投系统的运行模拟与监测，使整个项目的设计更加直观，充分展示了备自投装置在实际生产中的重要作用，而仿真与监控则是从软件和软件两方面进行了模拟，并对备自投进行了全面的分析。5总结与展望备自投是保证电网运行安全、稳定供电的一项重要手段。随着电力使用者对电能品质的需求越来越高，自动化