變電站380VATS自動(dòng)電源開關(guān)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方案研究與應(yīng)用

王建勇，王志華，黃興，郭明敘，王玉輝

（1.廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海 519000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，廣東深圳 518057；3.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430040）

變電站站用電源系統(tǒng)是變電站最重要的工作電源，是穩(wěn)定變電站低壓供電系統(tǒng)電源設(shè)備可靠工作之本，其運(yùn)行工況的正常與否，直接關(guān)系到變電站所有設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。一旦站用電源系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將直接或間接地影響變電站交流二次以及直流系統(tǒng)的供電安全和可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擴(kuò)大事故范圍，造成故障停電[1-2]。針對(duì)研究目前珠海供電局站用變自動(dòng)電源ATS控制系統(tǒng)存在的諸多問題，分析了站用電低壓側(cè)系統(tǒng)故障的行為，采用軟件和硬件技術(shù)手段解決了相關(guān)固定閉鎖問題，為站用電源系統(tǒng)安全供電、穩(wěn)定可靠運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

1 背景原因

2012年4月17日，珠海供電局110 kV某變電站2號(hào)站用變低壓側(cè)380 V母線接地短路故障，2號(hào)站用變保護(hù)動(dòng)作跳閘，380 V自動(dòng)電源2號(hào)ATS快速開關(guān)動(dòng)作，自投合閘成功，導(dǎo)致把故障點(diǎn)轉(zhuǎn)移到由1號(hào)站用變供電，此時(shí)由于故障點(diǎn)的存在，致使1號(hào)站用變保護(hù)動(dòng)作跳閘，全站380 V站用系統(tǒng)失壓，此時(shí)導(dǎo)致直接為開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)、直流充電機(jī)系統(tǒng)、交換機(jī)通信系統(tǒng)、變壓器冷卻系統(tǒng)、交流照明系統(tǒng)、消防和防盜系統(tǒng)、變電站遙視系統(tǒng)的交流供電系統(tǒng)癱瘓，380 V低壓配電系統(tǒng)全部無壓，情況十分嚴(yán)重。為了進(jìn)一步分析其事故原因，通過保護(hù)動(dòng)作報(bào)文分析和動(dòng)作信號(hào)查看發(fā)現(xiàn)該站10 kV 1號(hào)、2號(hào)接地變（兼站用變）380 V零序保護(hù)出口跳閘，從而導(dǎo)致1號(hào)、2號(hào)主變變低，開關(guān)跳閘，因而造成10 kV I段、II段母線失壓的事件。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)：

1）該站10 kV接地變（兼站用變）的380 V變低側(cè)采用額定電流為400 A的ATS自動(dòng)電源開關(guān)，即雙電源自動(dòng)切換空氣斷路器和刀熔開關(guān)（即隔離刀閘+熔斷器）的配置。低壓熔斷器的過流熔斷功能為反時(shí)限特性，無法與380 V零序過流保護(hù)的定時(shí)限特性配合，導(dǎo)致1號(hào)、2號(hào)接地變（兼站用變）380 V零序保護(hù)動(dòng)作越級(jí)跳開1號(hào)、2號(hào)接地變（兼站用變）高壓側(cè)開關(guān)。

2）380 V I、II段出線在G9柜（F）6與G15柜（502ACT柜）的聯(lián)絡(luò)空氣開關(guān)均在投入狀態(tài)，導(dǎo)致380V I、II段母線環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

3）站用變低壓交流電源的ATS自投的閉鎖功能和接地變（兼站用變）的“閉鎖380 V備自投”接點(diǎn)動(dòng)作不配合，接地變保護(hù)裝置的“閉鎖380 V備自投”接點(diǎn)動(dòng)作為100 ms左右，而380 V低壓屏的ATS的“閉鎖備自投開入”需持續(xù)的閉鎖開入，開入一消失，則開放380 V備自投，導(dǎo)致接地變380 V零序保護(hù)動(dòng)作閉鎖380 V備自投回路失效。

4）該站1號(hào)、2號(hào)接地變（兼站用變）低壓側(cè)380 V的電纜頭安裝了低壓避雷器（三相四線制），而低壓避雷器的中性線接線安裝錯(cuò)誤，穿過接地變（兼站用變）380 V零序CT。

現(xiàn)場(chǎng)繼保技術(shù)人員對(duì)ATS控制系統(tǒng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)該站低壓供電系統(tǒng)380 V ATS開關(guān)控制系統(tǒng)自投的閉鎖功能與接地變（兼站用變）的“閉鎖380 V備自投”接點(diǎn)動(dòng)作情況不配合，接地變保護(hù)裝置的“閉鎖380 V備自投”接點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間為100 ms左右，開入閉鎖信號(hào)消失，沒有可靠連續(xù)閉鎖，現(xiàn)場(chǎng)分析要求，380 V低壓屏的1號(hào)ATS、2號(hào)ATS開關(guān)控制器的“閉鎖備自投開入”需長(zhǎng)期閉鎖持續(xù)的開入直到故障排除，因此，本次故障擴(kuò)大的主要原因是ATS開關(guān)控制器軟件設(shè)計(jì)和硬件二次回路存在比較嚴(yán)重問題，閉鎖功能失效，即沒有可靠閉鎖，從而導(dǎo)致了本次擴(kuò)大事故的的發(fā)生。為避免此類事故的發(fā)生，局領(lǐng)導(dǎo)、安委會(huì)下達(dá)指示，變電管理所及時(shí)組織技術(shù)力量，安排并要求對(duì)全局所有變電站站用變ATS控制器及其回路進(jìn)行全面普查，同廠家研究開發(fā)實(shí)施對(duì)策。以110 kV魚林站為例，要求對(duì)全局所有運(yùn)行的變電站ATS控制器進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，通過軟件編程和外部硬件繼電器連線相結(jié)合的辦法，以實(shí)現(xiàn)在380 V母線發(fā)生故障時(shí)，僅切除故障段盡顯開關(guān)，保證另一段380 V母線不切換，有效地保證了不擴(kuò)大事故，保證無事故部分正常供電。

為避免站用系統(tǒng)失電的風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，變電管理所繼保技術(shù)人員研究出可行有效地解決方案，同廠家共同研發(fā)，因而產(chǎn)生了該項(xiàng)目的研究課題。110 kV變電站接線圖如圖1所示。

2 實(shí)現(xiàn)方案的過程分析

依據(jù)該站站用變380 V低壓系統(tǒng)及線圖進(jìn)行過程分析，如圖2所示。圖2為站用變低壓交流電源示意圖，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，認(rèn)為整個(gè)過程如下：

1）由于380VI、II段環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、低壓避雷器中性線接線錯(cuò)誤或其他原因，造成接地變（兼站用變）的零序保護(hù)動(dòng)作，跳開1號(hào)或2號(hào)或全部的站用變高壓側(cè)開關(guān)。

2）在只跳開1臺(tái)站用變開關(guān)的情況下，由于接地變（兼站用變）的“閉鎖380 V備自投”裝置和380 V低壓屏的ATS控制器閉鎖不配合，導(dǎo)致低壓系統(tǒng)ATS開關(guān)切換，使得零序故障點(diǎn)引入2號(hào)站用變，使其2號(hào)站用變的零序保護(hù)動(dòng)作，致使10 kV I段、II段母線全部失壓。

圖1 110 kV魚林變電站接線圖Fig.1 W iring diagram of the 110 kV Yulin Substation

圖2 站用變380 V低壓交流電源示意圖Fig.2 Schematic of the low-voltage AC 380 V power supply for transformers

3 解決方案

3.1 對(duì)深圳泰昂能源股份公司生產(chǎn)的IPC-03裝置控制方式解決方案

在該方案中，將重點(diǎn)解決站用變保護(hù)裝置的“閉鎖380 V備自投”接點(diǎn)和ATS的控制器之間的配合問題，使得站用變保護(hù)裝置發(fā)出的100 ms左右的脈沖信號(hào)能完全閉鎖ATS開關(guān)。

在珠海供電局60%變電站站用變都使用了深圳泰昂的ATS控制器裝置，低壓交流屏控制器裝置主要型號(hào)為IPC-03l、lPC-03、lPC-03G、IPC-03，是深圳泰昂公司在2006年后大量使用的站用交流電源控制主器件，特別是IPC-03系列產(chǎn)品，ATS控制裝置在珠海供電局47個(gè)變電站都安裝運(yùn)行。對(duì)所發(fā)現(xiàn)的問題和控制器裝置安裝情況和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)摸底，計(jì)劃采用增加外回路組合繼電器，使得外部閉鎖保持的方法解決恒定閉鎖的問題。該方法通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，切實(shí)可行，可靠閉鎖保持，也是目前最通用，最可靠，但又被忽視的一種方法。它可以是將保護(hù)動(dòng)作較短的脈沖信號(hào)通過保持繼電器轉(zhuǎn)換成一個(gè)保持的接點(diǎn)信號(hào)，保持的信號(hào)接入IPC-03，將ATS閉鎖。該辦法適用于任何ATS開關(guān)控制器系統(tǒng)。

3.2 軟件編程

1）利用裝置的現(xiàn)有條件，進(jìn)行軟件程序升級(jí)，用軟件技術(shù)彌補(bǔ)閉鎖空白，其內(nèi)容：增加自充放電條件，保證閉鎖功能，使其恒定、可靠性閉鎖ATS開關(guān)。

2）更換程序存儲(chǔ)芯片，其芯片名稱為：W27C512。

3）軟件說明。380 V系統(tǒng)站用變保護(hù)動(dòng)作脈沖信號(hào)發(fā)送至保持繼電器回路，使繼電器線圈KA3或KA4的電勵(lì)磁動(dòng)作，吸合輔助觸點(diǎn)，通過電路的互鎖功能，在主回路未失電情況下一直保持有電互鎖狀態(tài)。依據(jù)繼電器廠家提供的參數(shù)，繼電器本身動(dòng)作時(shí)間為≥20 ms，即當(dāng)保護(hù)動(dòng)作脈沖信號(hào)大于20 ms即可形成互鎖保持電路，保證能為IPC-03控制器裝置提供一個(gè)永久恒定的閉鎖信號(hào)。在IPC-03裝置獲得閉鎖信號(hào)后，IPC-03裝置進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，在未解除閉鎖信號(hào)的情況下，IPC-03裝置控制ATS開關(guān)一直保持閉鎖前的狀態(tài)不投切，不會(huì)因ATS開關(guān)的切換將故障擴(kuò)大至另一路。在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員解除負(fù)載故障后，IPC-03裝置不再重報(bào)閉鎖信號(hào)時(shí)，將閉鎖復(fù)位按鈕開關(guān)按一下并在IPC-03裝置上按信號(hào)復(fù)歸即可解除IPC-03的閉鎖功能。

4）軟件程序邏輯圖如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)邏輯圖Fig.3 Im plement logic diagram

5）該技術(shù)方案的研發(fā)亮點(diǎn)。①閉鎖信號(hào)回路使用的電源引至直流電源的控制母線，必須保證有可靠的連續(xù)的電源，以免閉鎖因失電而錯(cuò)誤解除的可能性。②閉鎖回路使用的電源為DC110/220 V，無24 V電源的引出，避免了不同設(shè)備24 V電源的相互干擾，是系統(tǒng)更可靠，檢修更為方便。③繼電器的動(dòng)作時(shí)間為≥20 ms，當(dāng)站用變保護(hù)動(dòng)作脈沖大于20 ms即可形成繼電保持回路，保證能為IPC-03裝置提供一個(gè)恒定的閉鎖信號(hào)。系統(tǒng)具有很高的靈敏性，確保了在給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)短脈沖情況下系統(tǒng)閉鎖動(dòng)作的可靠性。④切換閉鎖相關(guān)軟件源碼程序如下（新增加程序）

/**************開入量掃描處理*************/

uint16 kr_scan（void）

{

KR_SCAN_T*pscan；

uint16 j，bit_val，kr_read；

kr_read=kr165_read（）；

i（f!（FIO0PIN&KR_9））kr_read|=1<<8；

i（f!（FIO0PIN&KR_10））kr_read|=1<<9；

pscan=&kr_scan_data[0]；

fo（r j=0；j

{

bit_val=1<

i（f（kr_read&bit_val）!=（kr_signal.bits&

bit_val）） //有變位

{

pscan->cnt++；

if（pscan->cnt>= pscan->time）

{

pscan->cnt=0；

if（kr_read&bit_val） kr_signal.

bits|=bit_val； //合

else kr_signal.bits&=

～bit_val； //分

kr_signal.leap|=bit_val；

}

}

else//無變位

{

pscan->cnt=0；

}

pscan++；

}

return kr_signal.leap；

}

/**************開入量等信號(hào)處理*************/

void central_signal_dea（l void）

{

uint32 tmp，leap；

uint16 i，mail；

i（f PRM_SYS>3）return；

i（f intercom.debug_mode）return；

mail=0；

i（f dev_inf->leap）

{

i（f dev_inf->status）central_alarm_se（t ALM_

ZZGZ）；

tmp=（1<

i（f dev_inf->leap&tmp）

{

i（f dev_inf->status&tmp）

{

protect_close（）；

bzt_close（）；

}

else

{

protect_open（）；

bzt_open（）；

}

}

}

i（f OSSemAccep（t CentralSem））

{

mail=intercom.central_mail；

intercom.central_mail=0；

}

i（f mail&0x01）//*信號(hào)復(fù)歸*

{

i（f（dev_inf->status&（（1<

（1<

{

central_alarm_cl（r ALM_ZZGZ）；

}

central_alarm_clr（ALM_QHDZ）；

prt.inf->status&=prt.enable|（ ～（0x7f<<12））；

prt.Ibc&=（prt.inf->status）&（0x7f<<12）；

if（!（kr_bits_read（）& （1<

lock_clr（LOCK_EXT）；//復(fù)歸外部閉鎖

bzt_sem_post（2）；

}

leap=kr_deal（）；

if（leap）

{

tmp=kr_bits_read（）；

if（PRM_SYS==SYS_ATS）

{

if（RD_BITS（leap，0x03））

{

if（（tmp&0x03）!=0x03）lock_

set（LOCK_JXFW）；

else lock_clr

（LOCK_JXFW）；

}

}

else

{

if（（（leap>>3）&0x03）||（mail&0x02））

{

i=（tmp>>3）&0x03；

if（i==0x01）

{

lock_clr（LOCK_ZDWT）；

lock_clr（LOCK_ZDBS）；

bzt_open（）；

bzt_sem_post（3）；

}

else

{

lock_set（LOCK_ZDWT）；

bzt_close（）；

}

}

}

if（RD_BIT（leap，KR_LOCK））//外部開入

閉鎖輸入

{

i（f RD_BIT（tmp，KR_LOCK））lock_se（t LOCK_EXT）；//切換閉鎖；

else i（f PRM_SYS!=SYS_ATS）lock_cl（r LOCK_EXT）；

}

if （（RD_BIT （leap， KR_KXTZ）） &&（PRM_SYS==SYS_ATS））

{

if （RD_BIT （tmp， KR_KXTZ））central_alarm_se（t ALM_KXTZ）；

else central_alarm_clr（ALM_KXTZ）；

}

}

i（f prt.inf->leap&0x0fff）//*電壓異常*

{

fo（r i=0；i<4；i++）

{

i（f i==3&&PRM_SYS<3）break；

i（f（prt.inf->status>>（3*i））&0x07）

central_alarm_se（t ALM_JX1YC+i）；

else central_alarm_clr

（ALM_JX1YC+i）；

}

}

i（f!（prt.Ibc&（0x07<<12）））central_alarm_clr（ALM_GFH）；//過流自動(dòng)消失

i（f!（prt.Ibc&（0x01<<15）））central_alarm_clr（ALM_MLGL）；//母聯(lián)過流消失

i（f!（prt.Ibc&（0x07<<16）））central_alarm_clr（ALM_LXGL）；//零序過流消失

if （lock_read （）） central_alarm_set（ALM_QHBS）；

else central_alarm_cl（r ALM_QHBS）；

alarm_ou（t central_alarm_read（））；//*

聲光告警開出*

i（fmail&0x01）kc_cmd（XH_GJ，CMD_OFF，0）；

prt.inf->leap=0；

dev_inf->leap=0；

}

3.3 外回路組合繼電器閉鎖接線方式

圖4是外部閉鎖組合繼電器接線，圖5是IPC-03接線圖，具體硬件回路閉鎖方式可在圖4中實(shí)現(xiàn)。

圖4 外部保持閉鎖組合繼電器接線圖Fig.4 W iring diagram of the external latching combined relay

圖5 IPC-03接線圖Fig.5 IPC-03 w iring diagram

4 實(shí)現(xiàn)閉鎖的方式

站用變保護(hù)動(dòng)作脈沖信號(hào)發(fā)送至外回路組合繼電器保持回路，使得繼電器線圈3KA（見圖4）帶電勵(lì)磁，吸合輔助觸點(diǎn)，通過電路的互鎖功能，在主回路未失電情況下一直保持有電互鎖狀態(tài)。繼電器廠家提供的參數(shù)，繼電器動(dòng)作時(shí)間為≤20 ms，即站用變保護(hù)動(dòng)作信號(hào)脈沖大于20 ms即可形成互鎖保持電路，保證能為IPC-03裝置提供一個(gè)恒定的閉鎖信號(hào)。

在IPC-03裝置獲得閉鎖信號(hào)后，IPC-03裝置進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，在未解除閉鎖信號(hào)的情況下，IPC-03控制ATS一直保持閉鎖前的狀態(tài)不投切，不會(huì)因ATS的切換將故障擴(kuò)大至另一路站用變系統(tǒng)。

在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員解除負(fù)載故障后，只需將閉鎖自復(fù)位旋鈕開關(guān)SA1打至解鎖位置解除IPC-03的閉鎖功能，旋鈕開關(guān)自動(dòng)復(fù)位保證下次可閉鎖。在手動(dòng)解除故障閉鎖輸入后，閉鎖ATS切換程序繼續(xù)延時(shí)15 s后才完全解除閉鎖，此15 s為充電時(shí)間。

5 PLC控制方式及法國(guó)索高美控制器解決方案

除IPC-03裝置作為ATS主控制器件外，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前珠海供電局有4個(gè)變電站采用PLC技術(shù)作為ATS開關(guān)的主控制器件，其余是法國(guó)生產(chǎn)的索高美以及韓國(guó)生產(chǎn)的ATS控制器主件。在實(shí)踐試驗(yàn)中，對(duì)以PLC、法國(guó)索高美、韓國(guó)產(chǎn)的為主控制器件的380 V低壓系統(tǒng)交流屏中，采用外回路組合繼電器邏輯互鎖，增加保持繼電器的方法解決站用變保護(hù)動(dòng)作脈沖恒定閉鎖的問題。該方法是將保護(hù)動(dòng)作較短的脈沖信號(hào)通過保持繼電器轉(zhuǎn)換成一個(gè)恒定保持的接點(diǎn)信號(hào)，閉鎖保持的信號(hào)接入PLC、法國(guó)索高美將ATS開關(guān)閉鎖。該方法可長(zhǎng)時(shí)間固定閉鎖，可靠，人為手動(dòng)復(fù)歸。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員在解除380 V母線故障后，只需將閉鎖自復(fù)位旋鈕開關(guān)SA1打至解鎖位置解除PLC的閉鎖功能，旋鈕開關(guān)自動(dòng)復(fù)位保證下次可靠閉鎖。在手動(dòng)解除故障閉鎖輸入后，閉鎖ATS切換程序繼續(xù)延時(shí)15 s后才完全解除閉鎖，該15 s為充電時(shí)間。

接線方式如圖6（保持閉鎖通用接線方式）、圖7所示。

圖6 通用外部保持繼電器的接線圖Fig.6 W iring diagram of the universal external latching relay

通過對(duì)一系列的ATS開關(guān)控制系統(tǒng)的軟件編程和硬件回路繼電器的邏輯連接，可靠地實(shí)現(xiàn)了當(dāng)380 V I段母線故障時(shí)，ATS開關(guān)控制系統(tǒng)不動(dòng)作切換，有序可靠地保證了事故不擴(kuò)大范圍，穩(wěn)定了另一半站用變電源系統(tǒng)的可靠供電，實(shí)現(xiàn)了變電站計(jì)算機(jī)后臺(tái)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、站內(nèi)搖視系統(tǒng)以及操作機(jī)構(gòu)二次系統(tǒng)的電源穩(wěn)定。

6 結(jié)語

正確分析掌握變電站380 V交流系統(tǒng)ATS開關(guān)

圖7 PLC接線圖Fig.7 PLC w iring diagram

自動(dòng)電源切換原理，熟悉站用變交流系統(tǒng)接線方式，是安全、準(zhǔn)確地進(jìn)行交流系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)跟進(jìn)的重要保證。本文通過事故現(xiàn)狀和研發(fā)背景的論證分析，通過過程處理幾種方案和現(xiàn)場(chǎng)的全面有效試驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)踐，從技術(shù)手段上，杜絕在站用變380 V低壓側(cè)短路故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作后保證ATS開關(guān)不切換，不造故障擴(kuò)大的事實(shí)，有序的保證了另一路交流系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供電。通過該項(xiàng)軟件技術(shù)的研發(fā)以及軟件和硬件雙重實(shí)施應(yīng)用情況看，采取的技術(shù)思路對(duì)頭、背景分析和軟件流程邏輯正確、符合運(yùn)行需要、電力行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先、技術(shù)創(chuàng)新亮點(diǎn)多，辦法新穎，符合珠海供電局當(dāng)前運(yùn)行實(shí)際和站用電安全需要。通過查詢相關(guān)資料，在南方電網(wǎng)系統(tǒng)乃至國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)均未找到防止上述潛在風(fēng)險(xiǎn)問題的有效辦法，技術(shù)唯一。可在電網(wǎng)系統(tǒng)推廣之。

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