模式自适应的微机型备用电源自投装置

　　摘 要

　　传统备用电源自投装置采用继电器逻辑，具有二次接线复杂、功能僵化等缺点，尤其在厂站运行方式改变时，容易造成不正确动作。为了改善这种情况，充分利用数字电子技术的灵活性，本文提出一种新型的微机备用电源自投装置原理。根据对主接线特点的分析，以及软件的智能性，一种装置即可对不同主接线方式的厂站自动进行模式识别，而不需要继保人员频繁操作。使用模式自识别的微机备自投装置在低成本和高可靠性方面，是传统备自投无法相比的。经过试验和运行，本文中所提出的模式自识别方式已被证明是可行的，根据此原理设计的备用电源自投装置具有良好性能和实用价值。

　　关键词

　　备用电源自投 自适应 微机型

　　引 言

　　在现代电力系统中，为满足电网经济运行及可靠供电，常采用备用电源自动投入装置。备自投装置使系统自动装置与继电保护装置相结合，是一种对用户提供不间断供电的经济而又有效的技术措施。

　　传统电磁型备自投装置是使用继电器构成的逻辑回路，如果对于某一主接线形式，已设定其中一个开关为永久备投点，则可以用继电器搭出比较简单可靠的备自投回路。但对于实际的运行方式来说，不可能永远在一种方式下送电，顾及到电网的灵活性，则传统电磁型的备自投装置存在的缺点不可忽视。

　　首先，目前的电网在设计时，都考虑了足够的灵活性，在这种情况下，如果无法确定母线的长期运行方式，则备用电源自投功能就要适合各种运行方式，这样，相应的逻辑回路就错综复杂得多。这无疑给运行维护带来很大的工作量，同时也给可靠运行带来陷患。

　　其次，在老站改造时，对已运行设备加装备自投装置。这时，因为备自投面对的是一系列断路器，在屏上难以安装足够的继电器，这时只有两种选择，一种是缩小自动投切范围，这样必将导致某段母线断电时无法及时送电，另一种选择就是分散安装继电器，在屏背后或其下部横档甚至相邻屏上安装继电器，使一套回路接线更加复杂。给正常的管理带来极大的不便。

　　现在，由微机系统构成的备自投装置，以其性能可靠、功能齐全、使用方便的独有优势，正在逐步地代替传统电磁型的备自投装置。对于不同的主接线方式及逻辑要求，微机备自投装置仅需换一片程序片，即可满足运行要求。而且在某种主接线方式下，微机备自投装置可以根据所采集的开入量，自动进行模式识别，自适应选择与之配合的自动投切方式。

　　1 主接线方式及备自投功能

　　电力系统中，一次系统的运行方式可能会根据需要而变动。为了自适应一次系统，备自投也有多种运行方式，但基本上都遵循以下的总则：

　　1. 工作母线失压(非PT断线造成);

　　2. 跳开与原工作电源相连接的断路器，以免备用电源合闸于故障;

　　3. 检查备用电源是否合格，如满足要求则合上工作母线与备用电源相连的断路器。

　　4. 备自投只动作一次。

　　备自投适用的常见主接线方式如下：

　　

 

　　图1 常见主接线方式

　　图中，UX1和UX2表示进线的任一相电压;IX1和IX2表示进线任一相电流;UI、UII为一段母线和二段母线电压。1DL、2DL、3DL为系统中的断路器。

　　在这种接线方式下，共有三种可能的运行方式，从而也就有三种备自投方式。以下分别详细说明。

　　第一种运行方式：

　　3DL处于断开位置，I、II段母线分裂运行，分别由进线1、进线2供电。在这种运行方式下，如果进线1故障，导致I段母线失压，此时备自投装置应能自动断开运行断路器1DL，然后再投入分段开关3DL，使母线I恢复供电。反之亦然。

　　第二种运行方式：

　　1DL与3DL处于合闸位置，2DL断开。正常运行时由进线1给两条母线供电。在这种运行方式下，如果进线1故障，导致两段母线均失压，此时备自投装置应能自动断开运行断路器1DL，然后再投入2DL，使进线2给母线供电。

　　第三种运行方式与第二种相似，正常时由进线2工作，进线1备用。

　　对于老式电磁型备自投装置来说，同时完成以上三种运行方式下的备用功能是相当困难的，对于一些厂家所生产的微机型备自投装置来说，它一般也只能完成其中一到两种功能。我们经常可以在产品目录上看到进线备自投或母联备自投等装置的型号。

　　在本文中提出，只要有足够的开入量和模拟量信息，利用80C196单片机芯片，在这种主接线方式就可以完成各种备自投功能。经过计算，80C196芯片不仅可以轻松地识别运行方式，判别自投类型，进行备用电源自投，还可以自动进行过负荷联切，监视电压PT断线，甚至还可以自带母线充电保护，当分段开关3DL合闸瞬间，根据母线上的电流判别是否有故障存在，从而跳开分段开关，缩小停电范围。

　　以下分别给出模式自适应的逻辑算法及备自投充电的逻辑框图。

　　2 模式自适应

　　模式自适应识别是微机保护优于传统装置的一大强项，主要是根据主接线系统中，各断路器位置的不同来判定的。由于在给定的运行方式下，备自投所控制的各开关开合位置是一定的，因而可以通过采集开关位置的状态，来完成对备自投运行模式的识别。在这种情况下，对于施工人员来说，只需把相关断路器位置接点接在装置上，而不需要进行繁杂的二次接线。因为模式自适应识别的基础就是各种开关量，故开关量的正确与否、接点是否粘连至关重要。对于这一点，可以利用微机保护的智能性，结合所采集的电流电压量，对各种断路器位置开关进行监视。

　　在图1所示主接线中，以第一种方式为例说明应如何进行模式自动识别。

　　装置不停地检测1DL、2DL、3DL的位置接点，如果1DL、2DL为合位，3DL为开位，并稳定持续一段时间后，则自动认为处于“进线2备用”方式。当开关位置不满足要求的时候，持续一段时间后，模式自动转变为其他类型，或认为不满足备自投投入条件，备自投退出运行。

　　模式识别在整个备自投动作逻辑中占先决性地位，其模式识别时间应稍长一些，条件应严格一些。建议为30秒钟左右。

　　在上述识别过程中，令以上三种运行方式依次为方式1、方式2、方式3，非正常运行模式一律称为方式0。则根据上述思路，有如下的程序框图。

　　

 

　　图2 备自投装置的逻辑框图1

　　3 备自投充电要求

　　对于模式自适应的微机型备自投，一个技术重点是如何保证备自投只动作一次。

　　在传统接线中，我们可以使用硬接点断开回路并人工复归的方法来保证备自投只动作一次的要求。在微机型备自投中，为了满足这个要求，我们引用了“充电”的概念，使用类似线路重合闸的充电问题来解决。

　　当目前系统各项条件满足备自投允许投入时，令备自投充电状态为1。只有充好电，在系统故障时备用电源才能投入时，而在备用电源投入之后，备自投自动放电，直到故障消除，满足下一次自投条件才会继续充电。这样就达到了备自投只能动作一次的目的。

　　对于本文所讨论的备自投情况，以运行方式2为例，其充电条件可以为：

　　1. 低压两段母线UI、UII三相均有压，备用电源UX2有压;

　　2. 开关1DL、3DL为合位，2DL为分位。

　　放电条件为：

　　1. 手跳1DL;

　　2. 开入量“备自投放电”为1;

　　3. 任一低压母线失压，或进线备用电源UX2无压;

　　其中，放电条件1和2均为瞬时放电，条件3可延迟一段时间放电。1是为了避免由操作人员手动跳开关时，备自投误动的情况，而2是在某些保护(比如母差保护)动作后，需闭锁备自投时所用。条件3放电的延迟时间必须大于备自投开放时间，以免出现备自投未动作完就放电的情况。

　　根据上述思路，我们可以作出如下的原理框图。

　　

 

　　图3 备自投装置的逻辑框图2

　　4 其它

　　在以上讨论的两点问题逐一解决之后，其它的枝节问题就迎刃而解。因为传统备自投装置过于繁杂，极不利于运行，微机保护与电磁式保护相比，最大的优点就是无需增加硬件，或增加很少的硬件，就可以在原有的基础上增加功能。针对这一点，我们可以利用微机装置的智能化，设计一些更加实用的功能。

　　4.1 PT断线检测功能

　　对于备自投来说，一定要具有检出三相PT断线的功能，否则备自投就会误动。此外，备自投还应对单相PT断线作以检测，以提醒值班人员。

　　各种保护都有自己的检PT断线的算法，对于备自投来说，由于其采集量较全面，不但可以对单个电压进行检测，还可以综合开关量与模拟量信息，进行比较判别。在此提出开关量判据：

　　1. 1#进线线路侧电压UX1有压;

　　2. 1DL断路器为闭合状态;

　　3. 但I母电压UI三相无压。

　　以上条件均满足，经一定延时后，可判为三相PT断线，以此类推。在这里，充分利用了信息的综合使用以微机芯片的智能化。由于电流量及开关量判据的引入，使备自投检测电压PT断线的判据更加可靠。

　　4.2 开关位置的检测

　　在前文中已提及开关量的重要性，在这里，我们还可以对开关位置辅助接点进行检测。以1DL为例，满足以下条件：

　　1. 1DL断路器为打开状态;

　　2. 1DL上流经的电流IX1有流。

　　以上条件满足，经一定延时后，可以认为1DL的开关位置异常。

　　4.3 增加过负荷联切功能和保护功能

　　利用进线线路的单相电流，可以在备自投投入之后，对电流进行实时检测，出口过负荷联切。

　　此外，还可以输入分段开关上的三相电流，对电流进行过流检测，完成对分段开关的简单保护功能，在软件中作以处理后，分段开关保护还可以作为母线充电保护，仅在母线充电时短时开放保护。

　　4.4 增加开入量控制

　　作为真正能够适用于电力系统中的产品来说，微机型备自投装置还要增加一些附加功能，以方便用户使用。与常规装置相比，这些功能的增加可以完全做到软件中，既可以在软件控制字中，也可以在开入量中加以处理。不需要用户联接复杂的二次回路，就可以更加方便灵活地控制备自投的动作方式。

　　举例说来，可以增加“开放备自投”、“备自投放电”、“加速备自投”等开入量端子。

　　“开放备自投”：用于要求在指定保护动作时才允许备自投动作的场合，而其它未指定状况下，备自投不允许动作。例如在两台变压器容量暗备用时，如果仅要求一台主变主保护动作才允许合上低压分段开关，以防合在故障出线或故障母线上，则可以将主变主保护的输出接点引到该开入量上。

　　“备自投放电”：此开入量在前文备自投充电时已提到。一般用于某些保护动作时不允许备自投动作的情况。比如说主变后备保护中的复合电压闭锁过流动作时，往往是母线故障，在许多场合，不允许备自投动作，此时应发闭锁信号到"备自投放电"开入量，以免造成备自投误动。

　　“加速备自投”：在某些保护动作情况下，备自投无需经过常规延时等待(如躲重合闸动作)。此时，为了尽快恢复供电，可提供保护联动接点到此开入量上，使备自投动作时间加快。

　　5 结论

　　本文详细地分析了模式自适应方式的微机型备用电源自投装置的原理。对于微机装置来说，有了硬件基础，再增加软件功能是比较简单的。本文由于篇幅限制，只选取了电力系统中，较常见的进线分段备自投逻辑来分析。在此基础上，遵循本文中所提到的总则，则可以开发出各种更加灵活多变的备自投装置，以适用于两圈变压器备自投、三圈变压器备自投、主变双开关接线备自投等等。

　　本文所提出的原理现已被应用于实际装置上，并在全国电网中得到了广泛的应用。在数十个变电站的运行事实证明，这种原理是可行的而又比较现实的。当前的电网越来越注重其经济性和供电的不间断性，我们可以肯定，在这种趋势下，模式自适应的微机备用电源自投装置的原理具有较大的现实意义。

　　作者简介：王曼(1976-)，女，工程硕士，研究方向为电力系统微机继电保护;郁惟镛(1940-)，教授，博士生导师，从事电力系统继电保护及综合自动化研究。

　　参考文献：

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　　WANG Xi-ping ，A Flexible and Reliable Microprocessor-Based Alternate Power Auto-Cast Device，ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT，2000，1

　　2.王润琴，赵树运，关于110Kv电网“一线两站”备用电源自投回路的改进，电网技术，2000，9

　　WANG Run-qin,ZHAO Shu-yun, Improvement of automatic closing circurt of one emergency source for two substations in 110Kv power network ,POWER SYSTEM TECHNOLOGY,2000,9

　　Mode Adaptive Microprocessor-basedSpare Power Source Automatic Switch Device

　　Wang Man，Shanghai Sunrise Power Automation Tech Co.,Ltd

　　Yu Weiyong，Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

　　Abstract: Traditional spare power source automatic switch devices adopt logic circuit of relay, which is complex and unflexible. When the substation running mode has been changed, the device is possible to run incorrectly. To improve the situation, this paper shows a new principle of mode-adaptive microprocessor-based spare power source automatic switch device. Analysing with the main connection of substation, the new device can realize the running mode automatically by intelligence of the software. And the new device has lower cost and higher reliable than the traditional one. This way is proved to be practicable by testing and running. The results show that this way has good performance and can be used in practice.

　　Keywords: microprocessor based; mode adaptive ;spare power automatic switch