基于備自投原理的多電源切換系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周清平

（華自科技股份有限公司，長沙 410205）

在電力系統(tǒng)自動控制領(lǐng)域，電源切換目前主要集中在雙回路電源的自動投切，如市電-市電自投系統(tǒng)、市電-發(fā)電自投系統(tǒng)等，其控制系統(tǒng)及操作裝置的研究與應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，然而對于多電源系統(tǒng)的研究與產(chǎn)品的開發(fā)目前仍是非常滯后，無法滿足隨著社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及物質(zhì)生活水平提高人們對供電穩(wěn)定性及供電質(zhì)量的要求。除改善電源系統(tǒng)本身的電能質(zhì)量，發(fā)展與建立多電源的自動切換與備投是提高供電可靠與安全性最有效的方法與途徑，然而多回路電源自動投切與控制卻是其中的難題，既要滿足復(fù)雜控制的要求，又要滿足安全可行的要求。本文將以四電源的智能快速切換的研究為例詳細(xì)闡述多電源自動投切的理論與方法，對電力建設(shè)的發(fā)展與社會經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)具有重要與積極的作用。

1 電源切換系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對優(yōu)質(zhì)的供電電源的要求也日益苛刻，不單追求無波動、無閃變、無突降和無諧波等高質(zhì)量，更要求供電安全與不間斷。一回路電源無法滿足的情況下，發(fā)展成為雙電源供電，一用一備，一回故障時另一回能自動切換并備供，保證了用電負(fù)荷的不間斷供電，保障了人們生命財產(chǎn)安全。雙電源供電的理論及應(yīng)用，包括雙電源轉(zhuǎn)換設(shè)備、雙回路自投裝置的研發(fā)及制造都非常豐富與成熟，有電源系統(tǒng)的雙回路投切，也有負(fù)荷終端的雙電源轉(zhuǎn)換。

一用一備雙電源切換，備用電源[1]在常用電源故障時若同時出現(xiàn)問題，雙電源投切將失去意義，因此一回路備用也許仍不能滿足人們無止境的需求。三回路、四回路……甚至多回路，才能符合不同工程應(yīng)用環(huán)境的要求。然而，隨著需求的發(fā)展變化，多回路電源切換的研發(fā)與應(yīng)用相對滯后，一些場合，勉強(qiáng)達(dá)到工程的標(biāo)準(zhǔn)，但安全可靠性方面的考慮遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，給電力工程帶來極大的風(fēng)險與隱患。

2 多電源切換系統(tǒng)的常規(guī)實現(xiàn)

2.1 通用處理方法

因多電源供電方案屬于時代發(fā)展的產(chǎn)物，是新的電能供應(yīng)形式和需要，此方面的研究和應(yīng)用也很少有涌現(xiàn)，目前市場上相應(yīng)的控制系統(tǒng)與操作裝置很難有成熟的產(chǎn)品。滿足多電源切換要求的方案各種各樣，在實現(xiàn)上無特殊固定形式。

利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代化手段，實現(xiàn)符合功能要求的切換方案并不難，如利用工控機(jī)、單片機(jī)、PLC 或智能儀表等。因系統(tǒng)組建的方便性及邏輯編程的靈活性，相對而言使用工控機(jī)和PLC 來實現(xiàn)多電源的切換會更受研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備和系統(tǒng)供應(yīng)的青睞。

如PLC 方案來實現(xiàn)多電源的切換，首先要使用各類信息及狀態(tài)傳感器將電源供電狀態(tài)及電能質(zhì)量參數(shù)等信息采集到PLC 系統(tǒng)，PLC 依據(jù)內(nèi)部預(yù)定的程序和算法來控制各電源進(jìn)線斷路器和母線[3]聯(lián)絡(luò)斷路器，來實現(xiàn)電源的切斷與轉(zhuǎn)換。

2.2 缺陷與不足

目前使用工控機(jī)和PLC 等來實現(xiàn)多電源的切換的方案，雖然從一定程度上滿足了電力用戶對多電源供電的需要，但因電源系統(tǒng)關(guān)系著國家整個電力電網(wǎng)運行安全，若出現(xiàn)電源之間的相互環(huán)網(wǎng)或并列，直接會導(dǎo)致電力系統(tǒng)越級跳閘甚至電網(wǎng)崩潰，后果不堪設(shè)想。正是因為工控機(jī)和PLC 的靈活性與方便性，不可避免地帶來控制的隨意性和風(fēng)險性，并且在面對不同系統(tǒng)時都是臨時進(jìn)行組建，并且檢驗與核查無法做到全面具體，因此難免有遺漏與疏忽，從而造成進(jìn)線電源的并接與電網(wǎng)故障的事故。應(yīng)用性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠且經(jīng)過長時間掛網(wǎng)運行得到實踐驗證的裝置來實現(xiàn)如此高級別和高要求的智能切換成為一種必要。

3 基于備自投原理的智能快速轉(zhuǎn)換

3.1 備自投裝置及原理

微機(jī)備自投保護(hù)測控裝置適用于110kV 及以下電壓等級的雙進(jìn)線、單母線[3]分段的備用電源[2]自投及母聯(lián)保護(hù)，其核心部分采用高性能單片機(jī)。裝置由六個功能標(biāo)準(zhǔn)插件組成，分別為交流輸入插件、DSP 插件、繼電器插件、操作插件、電源插件和人機(jī)接口部分，具有使用方便、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

裝置采用交流不間斷采樣方式采集開關(guān)量及模擬量信號，通過A/D 轉(zhuǎn)換，CPU 實時進(jìn)行傅里葉法分析與運算，在線觀察各輸入電氣量、開關(guān)量、定值等信息，準(zhǔn)確判斷電源狀態(tài)，并實時進(jìn)行電源系統(tǒng)及回路的切換。裝置既可在液晶數(shù)顯屏和面板上進(jìn)行就地操作，也可通過RS485 通信接口實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，操作簡單方便。系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1 備自投系統(tǒng)方案圖

1#進(jìn)線作為常用電源，2#進(jìn)線作為備用電源[2]，在兩路電源都正常的情況下，由1#進(jìn)線電源給母線1 和母線2 供電，此時QF1、QF3 處于合閘狀態(tài)，QF2 處于分閘閘狀態(tài)。當(dāng)1#進(jìn)線電源發(fā)生欠壓、跳閘、接地等故障時，經(jīng)備自投裝置準(zhǔn)確判斷與分析，滿足投切條件時，備投裝置延時切斷 QF1，合閘QF2，使用2#進(jìn)線電源給母線1 和母線2 供電，從而完成電源的故障投切，保證了負(fù)荷的不間斷電源。

當(dāng)常用1#進(jìn)線電源恢復(fù)后，備自投裝置再次準(zhǔn)確判斷與分析，進(jìn)行電源的恢復(fù)，分?jǐn)郠F2，合上QF1 將電源從2#切換復(fù)位到1#常用電源。

3.2 系統(tǒng)方案及備投分組

對于多路電源供電的系統(tǒng)，電源之間一般相互獨立，互不影響，只有這樣才能達(dá)到真正的互投互補(bǔ)的作用，從而為用戶提供高可靠的不間斷供電。但電源之間不能并接，不可環(huán)路，因此任一時刻一路電源只能獨立工作，多路電源供電時，彼此間須隔離與分?jǐn)唷楦玫姆治雠c闡述多路電源切換理論，以下以四路電源為例。

供電系統(tǒng)配置及運行要求如下：

1）四回路電源供電，彼此為獨立電源點，任意兩個電源間不得合環(huán)。

2）主接線形式為四電源各單獨引入一段母線系統(tǒng)，四段母線間設(shè)置三個聯(lián)絡(luò)點，開環(huán)運行。

3）正常工況下，四段應(yīng)母線獨立運行。

4）當(dāng)發(fā)生一個或多個電源故障時，該電源所帶之母線段應(yīng)由其鄰近的一段母線提供電源。

系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案圖

3.3 智能組合實現(xiàn)

四回路系統(tǒng)電源切換方案控制對象為四臺電源進(jìn)線柜和三臺聯(lián)絡(luò)柜，即1#進(jìn)線柜、2#進(jìn)線柜、3#進(jìn)線柜、4#進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜1、聯(lián)絡(luò)柜2、聯(lián)絡(luò)柜3。運用備自投[1]的原理，我們對電源進(jìn)行組合，并搭配對應(yīng)的聯(lián)絡(luò)柜，形成一個雙回路互投系統(tǒng)，從而輕易使用互投互切裝置。具體思路及方案如下：

1）在以上四回路電源切換系統(tǒng)中我們可將1#進(jìn)線柜、2#進(jìn)線柜及聯(lián)絡(luò)柜1 構(gòu)成一個互投系統(tǒng)，由備投1 實現(xiàn)雙電源回路的自動投切。3#進(jìn)線柜、4#進(jìn)線柜及聯(lián)絡(luò)柜3 構(gòu)成一個互投系統(tǒng)，由備投3實現(xiàn)雙電源回路的自動投切。聯(lián)絡(luò)柜1，聯(lián)絡(luò)柜2，聯(lián)絡(luò)柜3 分別安裝一臺備自投保護(hù)裝置，即備投1、備投2、備投3。

2）將1#進(jìn)線柜、2#進(jìn)線柜及聯(lián)絡(luò)柜1 構(gòu)成一個互投系統(tǒng)當(dāng)成一個獨立的電源系統(tǒng)，3#進(jìn)線柜、4#進(jìn)線柜及聯(lián)絡(luò)柜3 構(gòu)成一個互投系統(tǒng)當(dāng)成另一個獨立的電源系統(tǒng)，兩個電源系統(tǒng)與聯(lián)絡(luò)柜2 再次構(gòu)成一個互投系統(tǒng)，由備投2 實現(xiàn)雙電源系統(tǒng)的自動投切。

3）構(gòu)成的雙回路互投系統(tǒng)的投切原理同備自投裝置的工作原理，整理備投系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3 智能組合方案圖

4 后備可靠安全互鎖

在運用了備自投裝置雙回路的互投互切原理實現(xiàn)了四回路電源的智能切換功能，基于備投裝置的成熟、穩(wěn)定及可靠性，人們對多電源的切換的安全性不再特別擔(dān)心。作為涉及電網(wǎng)系統(tǒng)安全的進(jìn)線電源，為提高及保證系統(tǒng)，確保萬無一失，在已有的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一道后備可靠安全互鎖。如對1#電源進(jìn)線的互鎖，如圖4所示。

圖4 電源進(jìn)線合閘閉鎖圖

為安全起見，1#進(jìn)線柜的斷路器QF1 只有在滿足必定的條件下才能允許合閘，在后臺誤信息、微機(jī)裝置誤動作或人為誤操作的情形下，都能起到安全互鎖的作用。首先，QF2 和QF5 當(dāng)中最多允許有一臺合閘的前提下，QF6 未合閘或者QF3、QF4 都未合閘時，QF1 才能允許合閘，從而保證了動作的安全性。其他回路斷路器的合閘同理受到其他因素和條件的制約。

5 結(jié)論

基于備自投[1]理論的多電源切換系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，既充分結(jié)合和運用了雙電源備投理論的成熟及備投裝置的穩(wěn)定可靠，又能以最優(yōu)方式快速組合系統(tǒng)，實現(xiàn)了多電源系統(tǒng)的安全智能可靠切換，保障了電力電網(wǎng)的穩(wěn)定堅強(qiáng)，更滿足了多電源無間斷供電用戶的需要。本文提出的理論與思路對電力工程實際有一定的價值和意義，能從實際應(yīng)用角度解決當(dāng)前的多電源切換現(xiàn)狀，但本理論仍需要不斷完善和改進(jìn)，如雙回路分組理論的優(yōu)化，備自投[1]應(yīng)用的成本控制以及后備安全互鎖算法的完善等。

[1] 李海星,王政濤,王銳,等.基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化備自投功能[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(14): 82-85.

[2] Q/CSG 110012—2011 南方電網(wǎng)備自投裝置配置與技術(shù)功能規(guī)范[S].

[3] 岑堯彬.變電站備用電源自動投切裝置的原理及應(yīng)用[J].科技信息,2007 (24):267.