备用电源自投装置的探索应用.docx

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备用电源自投装置的探索应用

备用电源自投装置的探索应用

毕业设计说明书

（08级）

排水泵站10KV变电站

备用电源自投装置的探索应用

学生姓名赵锋

学号60608038

院系工学院机电系

专业电气工程及其自动化

指导教师朱烈锋

完成日期2011-10-12

排水泵站10KV变电所

备用电源自投装置的探索应用

摘要

绍兴县污水治理工程管网系统承担着绍兴县工业和生活污水的收集和排放任务，目前，绍兴县排水有限公司污水收集能力达到60万吨，分三大排水主干管道运行，排水泵站80余座，其中排水泵站为10kv变电所的19座，为一级用电负荷，拥有两路独立电源供电，公司下属的柯海线排水泵站日排污量较大的在25万吨以上，每小时排放量在1万多吨，排水泵站调节池水力停留时间约0.5小时，排水泵站变电所双电源人工切换正常操作时间约为15分钟，操作期间多有设备出现机械故障等原因将引起操作时间延长，其他如遇到雷暴等恶劣天气，出现突发停电事件时，双电源切换操作的时间就更加紧迫，严重影响排水系统的安全运行，因此，排水泵站变电所双电源切换的安全、快速性问题已迫切需要解决和改进。

为此，我们在排水泵站变电所双电源切换操作的安全、快速性课题上，进行了深入的调查、研究，并于2011年9月开展了10KV变电所备用电源自投装置的探索应用，在实际中极大的提升了大负荷排水泵站10KV备用电源切换操作的应急处置能力，提高了排水泵站变电所双电源切换操作的安全、快速性，进一步保障了排水系统的安全、可靠运行,取得了很好的效果。

关键词：

10kv变电所；停电；独立双电源；自投装置；

10KVstandbypowerautomaticswitchdevicetoexploretheapplication

ABSTRACT

ShaoxingCountysewagetreatmentprojectpipelinesystembearsShaoxingindustrialanddomesticsewagecollectionanddisposaltasks,dualpowersubstationartificialdrainagepumpingstationstoswitchtonormaloperationtimeisabout15minutes,duringoperationmorethanamachinehasamechanicalfailureandotherreasonsextendtheoperatingtimewillcausetheotherincaseofthunderstormsandotherinclementweather,asuddenpowerfailure,thedualpowersourceswitchingtimeisevenmoreurgent,seriousimpactonthesafeoperationofthedrainagesystem,therefore,dualpowersubstationdrainagepumpingstationswitchsecure,fast,hasanurgentneedtoaddressissuesandimprovements.Tothisend,wehavedualpowersubstationinthedrainagepumpingstationoperatedsafetyswitch,speedissues,andconductedin-depthinvestigation,research,andinSeptember2011launcheda10KVsubstationbackuppowerautomaticswitchdevicetoexploreapplication.

KEYWORDS：

10kvsubstation;power;independentdualpower;automaticswitchdevice;

引言

一、本课题选题依据和意义

随着经济社会的快速发展，绍兴县域范围内的印染行业快速壮大，1996年12月，绍兴县治污外排工程应运而生，承担绍兴县产业废水的收集、输送工作以及截污管网系统工程建设、运行管理和污水处理费收缴等职能，为保持绍兴县域经济的可持续发展，理顺水务事业的协调发展，2004年6月，绍兴县治污外排工程更名为绍兴县排水有限公司。

目前，绍兴县排水有限公司污水收集能力达到60万吨，分三大排水主干管道运行，排水泵站80余座，其中排水泵站为10kv变电所的19座（如图1），为一级用电负荷，拥有两路独立电源供电，公司下属的柯海线排水泵站日排污量较大的在25万吨以上，每小时排放量在1万多吨，排水泵站调节池水力停留时间约0.5小时，排水泵站变电所双电源人工切换正常操作时间约为15分钟，操作期间多有设备出现机械故障等原因将引起操作时间延长，其他如遇到雷暴等恶劣天气，出现突发停电事件时，双电源切换操作的时间就更加紧迫，严重影响排水系统的安全运行，因此，排水泵站变电所双电源切换的安全、快速性问题已迫切需要解决和改进。

为此，我们在排水泵站变电所双电源切换操作的安全、快速性课题上，进行了深入的调查、研究，并于2011年1月开展了10KV变电站高低压备用电源自投装置的探索应用，在实际中极大的提升了大负荷排水泵站10KV备用电源切换操作的应急处置能力，提高了排水泵站变电所双电源切换操作的安全、快速性，进一步保障了排水系统的安全、可靠运行,取得了很好的效果。

图1：

排水泵站运行管网图

二、国内外研究现状

目前国外不少厂家和国内一些厂家的继电保护新产品中，已采用了“虚拟逻辑编程”的概念，也就是将装置的各种大量的输入、输出模拟量、开关量，通过与、或、非门电路组成的各种逻辑模块，来实现各种保护功能。

模拟量的接入可以是电流或电压，也可以都不接入；开关量的接入可以是常开点或常闭点，也可以都不接入；一些逻辑定义的输出，也可以定义作为另外的逻辑的电路输入。

随着计算机软硬件技术的飞速发展，可采用“虚拟逻辑编程”功能，进行图形化直观式编程和整定，技术人员只要利用软件画出保护安全自动装置的逻辑流程图，标明相关整定项，即可自动生成相应的保护程序和整定值。

这种类型的备自投装置有良好的人机交互界面和操作环境，能够进行灵活的逻辑设计，具有直观明确的功能逻辑流程图，通过多种方式的通信接口便于和变电站综合自动化系统的连接，用户可通过装置的人机界面或变电站监控系统进行修改设置或运行维护。

微机数字式备自投保护装置以传统电磁型保护无法比拟的优越性能在电力系统中得到广泛的应用。

但要真正实现智能型，满足各种运行方式，完成多种功能，满足更多户要求，保护可靠、稳定运行，在对装置的软、硬件设计和应用中还需进一步研究和探索。

微机备自投装置和微机保护装置一样，主要包括软件系统和硬件系统两部分，软件系统的性能是否可靠，是影响微机备自投装置运行可靠性的关键因素之一；硬件系统通常包括以下5个部分：

①数据处理单元，即微机主系统；②数据采集单元，即模拟量输入系统：

模拟量输入通常为电流、电压信号。

由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，需将模拟信号转变为数字信号；③数字量输入接口：

数字量输入通常为开关量的输入。

为了提高保护装置的抗干扰性能，需要光电隔离处理。

④数字量输出接口：

微机备自投装置是通过数字量输出实现对断路器等的控制。

开关量输出通道也需要光电隔离提高抗干扰能力。

⑤通信接口。

微机备自投装置通过数据采集单元获得电流、电压和开关量位置信号，由微机主系统的软件系统根据数据采集单元获得电流、电压和开关量位置等综合信息按照软件设定的逻辑，通过数字量输出接口采取相应的分合开关等操作，实现备自投功能。

备自投方式在配电系统的广泛应用，既解决了下级电网的可靠性问题，又降低了下级电网的短路容量，使配电网可靠性有了较好的保障。

但是在使用中发现备自投装置具有一琮的缺陷，如果使用不当，不仅不能提高供电可靠性，反而有可能使事故扩大，对故障设备造成二次冲击。

备自投是保障电网安全、供电可靠的重要装置，微机技术的发展运行，为我们实现更高可靠性、更灵活的智能型备自投成为可能。

备自投的逻辑简单，但应用中涉及的元件和系统因素较多，如何不断提高备自投的动作成功率和可靠性，仍然需要不断总结经验，对各种问题深入研究，提高可靠性，保证安全运行。

三、研究的基本内容，解决的主要问题

排污泵站10kv变电所19座，排污泵站配电容量均为2500KVA，供电方式为10KV双电源供电、10KV单母线分段运行，10KV母线分别下设10KV1#主变、10KV2#主变（图2）。

主供电源主供进线备用1#主变母联开关2#主变备供进线备供电源

开关开关开关开关

图2：

10KV变电所模拟接线图

10KV高压配电柜采用梅兰日兰MVnex金属铠装手车式开关设备（图3），开关设备操作电源为直流屏独立供电，主备供进线开关设有电气闭锁，各10KV高压开关均设有过流、速断保护功能，低压侧总开关设有过流、速断、失压保护功能，双电源倒闸切换采用人工手动操作，实际倒闸操作中存在一些问题和不足，一是高压配电值班人员操作技术水平参差不齐，实际操作时常有操作失误现象，影响正常的双电源切换运行；二是10KV梅兰日兰配电柜的硬件装置安全闭锁性较高，配电柜的机构操作要求也相当精密，但实际操作常遇到机构操作不到位引起无法切换电源，同时由于梅兰日兰配电柜安装工艺要求精密，经常操作对设备存在一定的损伤，操作越多，出现的故障也越多，也存在一定的安全隐患；三是运行负荷较大的排水泵站，每小时排放量在1万多吨，排水泵站调节池水力停留时间约0.5小时，对正常的双电源切换操作要求高、时间紧，目前，排水泵站变电所双电源人工切换正常操作时间约为15分钟，并在操作前要做好上下级泵站运行流量的控制，如操作中出现设备机械故障等原因将引起操作时间延长，更何况在遇到雷暴等恶劣天气，出现突发停电事件时，双电源切换操作的时间就更加紧迫，极可能发生排水泵站污水满溢，存在严重的安全隐患。

图3：

梅兰日兰MVnex高压配电柜

四、研究（工作）步骤、方法及措施（思路）

排污泵站10KV变电站没有按装备用电流自投装置前设备状态及操作情况，主供线路电源和备供线路电源均送电到进户端，主备供线路电源均为运行状态，主供进线开关处运行状态，备供进线开关处冷备用状态；1#主变开关、母联开关、2#主变开关处运行状态，当外线供电系统出现突然停电等故障时，就必须进行主备供线路电源手动切换操作，投入备用电源，但切换操作时间较长，且常遇到机械故障，如能采用备用电源自动切换操作，整个操作过程将会缩短很多时间，极大的提高操作效率和安全可靠性；经过多方调查、比较，我们最终认定CSC246数字式备用电源自投装置基本可以满足排水泵站10KV变电所双电源的自投切换操作（图4），装置采用直流220V电源供电，功率消耗小，备用电源自投装置还提供多路模拟量、开关量输入及输出、时间定值，定值及输入量可作为控制备用电源自投装置的编程元件，当允许条件满足时，备用电源自投装置动作出口，自投切换操作选用进线备自投，主供进线开关处运行状态，备供进线开关处热备用状态，当主供进线工作电源失电，相应的主变断路器处于合位，在备用线路有电压的情况下，备用电源自投装置跳开主供进线开关，再合上备用进线开关，完成整个10KV变电所双电源的自投切换操作；至于低压部分设备因主供进线工作电源失电后，相应低压开关的失压保护动作，跳开全部负荷，双电源的自投切换操作时，不存在带负荷操作，符合相关电气安全操作规程和技术规程。

图4：

CSC246数字式备用电源自投装置

正文

1.电力系统自动装置的发展介绍

安全性、经济性和稳定性是电力系统必须满足的几项基本要求，电网继电保护及自动装置用于保护电网及其设备，由于其重要性与技术性特点，历来为科研、设计与电网调度、运行部门所重视。

电网结构、电网运行方式，系统故障形态与异常方式多端，为了快速、可靠而又有选择性地切除故障和终止电网异常形态，长期以来研究生产了各种线路保护、母线保护以及自动重合闸和低周减载、备用电源自投等装置，满足了电网运行的需要，为支持电网的发展及供电可靠性，发挥着重要的作用。

自动装置、继电保护技术的发展，微电子技术的推广应用，配合现代通信技术的快速发展，可以认为，目前的电网继电保护、自动装置技术上已基本成熟，可以适应各种电网运行接线，以及不同电网运行方式的要求。

电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益。

但是，国内外的经验表明，电力系统一旦发生自然或人为故障，不能及时有效地得到控制而失去稳定运行，将会造成严重后果。

因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运行，就成为一个永恒的主题。

所有的电力工作者都在千方百计采取各种技术的、管理的措施，防止出现大面积停电事故。

其中，继电保护就是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要和最有交的技术手段。

许多实例说明，一旦继电保护装置不能正确动作，往往会扩大事故，酿成严重的后果。

近年来，随着电网技术的不断发展，为了保证电力系统的安全稳定运行及供电可靠性，除了在电网配置配置合理的、充分的、有效的、可靠的继电保护装置外，一些必要的电力系统安全自动装置也广泛就用于电力系统。

纵观几十年间迅速发展的自动装置，从起初的电磁型、感应型到后来的晶体管型、集成电路型，直到现在的微机型，发展相当迅速。

就微机型自动装置来说，有原先的8位单片机，到大量投入运行的16位机，以及近来发展起来的32位机，都体现了这一领域的飞速发展。

电磁型保护是最初的一代断电保护电路，是用一个个各种功能的继电器组成一面完成一项特定功能的保护屏，各继电器这间用导线将它们按不同的逻辑连接起来，完成具体的工作，如用于保护线路的线路保护，用于保护变压器的变压器保护及用于保证不间断供电的备用电源自投等等。

最重要的是电磁型装置各个元件之间需要配合，而机械的构件容易磨损，以至于这一装置的可靠性不能有一个新的突破。

另外，电磁型元件之间的配合是通过强电来实现的，在机械的触点及线圈经常会出现燃弧和短路而损坏元件，同样也威胁着这一代自动装置的可靠性。

整流型自动装置的原理和电磁式不同，它是利用流过电流的大小，引起电场和磁场的变化来实现的，没有从本质上脱开电磁型自动装置的局限性。

晶体管保护技术是当时继电保护向前迈进的一大步，其元件的构成摆脱了电磁型保护的电磁铁、线圈、触点的模式，取而代之的是三极管、二级管、电阻、电容、24伏密封继电器等，利用晶体管的饱和区和截止区的开关特性，辅之与门、或门、非门、与非门等逻辑门电路，可实现较为复杂的比幅、比相、比频率等回路，从而实现各种电力系统所需要的功能。

晶体管型装置的出现，大大提高了电网的安全性、可靠性、快速性及灵敏性。

随着集成电路的发展，集成电路电力自动装置也产生了，大量的分立元件被高度集成化，从体积、外观上较晶体管装置都有所改进，检修量减小，可靠性增加，但由于集成芯片的质量问题，这类元件的故障率较高，同样威胁着电网的安全。

集成电路装置的出现如昙花一现，紧接着就出现了微机保护系统，这也是电力自动化的一次飞跃。

微机继电保护装置一般以微处理器为基础，采用数字处理的方面用不同的模块化软件来实现各种功能。

这种保护装置将现场的各种信号能过A/D采样数字化，利用微处理器计算出电压、电流、功率等电力系统的实时运行参数，然后利用这些测量和处理得来的各种实时数据与保存在装置内的定值进行比较，根据相关保护原理实现各种保护功能。

另外，这种装置还具有数码管、发光二极管、按键等显示和控制元件。

但是在微机继电保护产品初期，因为处理器本身和其它相关器件功能和价格的限制，一般只应用在重要的高压线路和设备上，而且一般只能完成继电保护的基本功能，实现对某一保护对象的保护。

微机型自动装置以它得天独厚的优良性能在电力领域迅速发展壮大。

随着这几年的发展，基于微处理器的装置，具有很大的优势，电力系统的许多自动装置已经实现集各种相关功能于一体，并易于实现双重化。

远方通讯功能的实现，管理人员可以随时监测装置的运行状态，调用数据、改变定值，为现代化管理提供了必要的物质基础。

自动故障定位，及时发出警报，用备用插件置换故障部件，可以在试验室集中进行专业检修等功能。

这一切提高了自动装置的安全运行水平，显著地延长了运行检测周期和减少运行检测项目，同时也影响到专业人员的配置，从而大幅度提高继电保护的管理水平和专业人员的素质。

随着微处理器的性能价格比不断提高，现代化通信技术的迅速发展，以及标准化协议的陆续推出，自上世纪90年代以来，变电站的综合自动化成了热门话题。

所谓综合自动化，就是将变电站中一切功能由微机实现，如继电保护、自动装置、远方控制、远方监视、故障测量记录等功能，合理地实现分工协调，通过变电站就地通信网络把实现这些功能的微机设备联接在一起组成一个完整的变电站综合二次系统，同时通过接到通信网上的通信接口设备与上级调度和生产管理部门实时地直接进行联系。

变电站综合自动化系统应当是电网调度自动化系统与生产管理现代化系统的一个有机组成部分，它必须在总体规划的要求下，进行具体的安排，使之服从整个调度运行管理与生产管理的全面需要。

以此为根本前提，要求所设计的变电站综合自动化系统的结构先进合理，需要采用新技术的环节，和只有采用新技术才能解决的问题，应当尽可能地采用最先进的技术和设备，以期取得最大的技术、经济效果，并能为今后的系统发展及技术发展留有空间。

2.微机备用电源自动投入装置概述

备用电源自动投入装置（以下简称BZT装置）是电力自动装置的一种，其主要功能是：

解决供电可靠持续性，

当正常供电电源因供电线路故障或电源本身发生事故而停电时，它可将负荷自动、迅速切换至备用电源，使供电不至于中断，从而确保企业生产连续正常运转，把停电造成的经济损失降到最低程度。

常用的备用电源自动投入方式主要有：

备用变压器自动投入、母联断路器自动投入、线路及母联断路器自动投入三种。

现在备用电源自动投入装置，很多已采用了“虚拟逻辑编程”概念，也就是将装备的各种输入、输出模拟量、开关量，通过与、或、非等逻辑门电路定义，来实现各种保护功能，包括一些逻辑定义的输出，仍然可以定义作为另外的逻辑门电路输入。

这一类技术目前已经实用化，并且仍在不断发展中。

这种类型的备自投装置有良好的人机交互界面和操作环境，能够进行灵活的逻辑设计，具有直观明确的功能逻辑流程图，既能够充分发挥人的主观能动性，也便于日常的运行维护。

在企业高、低压供电系统中，只有重要的低压变电所和10KV及以上的高压变电所，才装设了BZT装置。

但因供电系统主接线方式大多数为单母线分段接线或桥接线方式，故一般采用母联断路器互为自动投入的BZT装置。

在过去，不论是新建变电所，还是改造老变电所，设计的BZT装置均由传统的继电器来实现，这种BZT装置因设计不完善或继电器本身存在的问题，而发生的拒动或误动故障率较高，所以有些企业用户供电系统虽已装设了BZT装置，但考虑到发生事故时不扩大停电事故，将其退出，这样BZT装置的作用就没有发挥出来。

近年来，随着微机BZT装置的不断完善与快速发展，在一些老高压变电所的改扩建及新建高压变电所的设计中，逐步广泛采用分段断路器微机备用电源自动投入装置。

目前，许多企业用户在高压供电系统中为何要采用微机BZT装置呢？

是由于该装置与传统的BZT装置相比较，具有以下特点和优点，因而在工业的高压供电系统中获得了广泛的应用。

1）装置使用直观简便。

可以在线查看装置全部输入交流量和开关量，以及及全部整定值、预设值、瞬时采样数据和大部分事故分析记录。

装置液晶显示屏状态行还实时显示装置编号、当前工作状态、当前通讯状态，备自投“充电”、“放电”状态以及当前可响应的键。

2）装置调试方便，工作量小。

交流量测量数度调整由软件方式完成，其调试和开入/开出试验均由装置通过显示界面和键盘操作完成。

3）具有完善的事故分析功能。

包括保护动作事件记录、保护投退记录、装置运行记录、开入量变位记录和进行无流记录等。

4）具有完善的数字信号和接点信号系统。

5）具备掉电不停的实时时钟。

该实时实钟自动进行闰年调整，计时至2050年，且装置能接受微机监控系统的校时。

6）采取了完善的软、硬件措施，来提高装置自身的可靠性和保护动作的准确性，从而保证了供电的可靠性。

3.微机备用电源自投入装置工作原理

3.1微机备用电源自投入装置硬件原理

从电网一次设备CT及PT采样来的电压、电流信号经精密电压、电流变换器采样，经低通滤波后再经8选1多路开关、高精度运算放大器放大、限幅保护，变换成一定幅度的交流电压信号，经A/D转换产生的数字量通过单片机来运算、处理，CPU同时还接受经光电隔离的脉冲信号和遥控输入信号量以及通过键盘查询、整定定值等操作产生的输入信号量。

所有这些经A/D转换的数字量以及外部输入的信号量经CPU综合运算、处理，当满足动作条件时便发出相应的跳、合闸信号和告警信号到驱动接口电路，接着驱动接口电路将这些信号送到出口继电器板，出口继电器板上的跳、合闸继电器触点接通断路器的跳、合闸回路，告警信号继电器接通告警回路。

同时，CUP发出相应的位置、状态信号。

所有信号测量、保护动作值、跳合闸变位记录、整定过程、查询过程、故障类型、故障波形、遥信量、电网频率、时间等均能在LCD上显示。

本装置有一个经光电隔离的串行通信RS485/RS422接口，利用它可以与远方调度中心进行通信，实现遥控、遥信、遥调、遥测等功能。

同时具有定值的远方查询及整定、远方保护压板投退等远方控制功能。

工作原理如图5所示。

图5：

装置工作原理图

3.2微机备用电源自投入装置软件总体结构

电力系统继保护是一个高度实时可靠的控制系统，电力系统故障会在无法预知的时刻到达，而微机保护软件必须在故障发生时能够在严格的时限内作出响应，即使在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着保护控制的致命失败。

换句话说，就是对保护要求高度的可确定性，能对装置运行的最好和最坏情况作出精确的估计，严格满足保护动作快速性。

针对实时快速的要求，过去微机保护程序，尤其是高压、超高压设备，都采用了“定时采样中断，以修改中断返回地址的方式进入故障处理程序”的结构，进入故障处理之后采样中断继续采样获得最新数据，而保护算法用到什么物理量，就马上拿来进行计算。

这种结构保证了故障处理中继电保护动作的快速性，更为重要的一点是，它琮能够在处理速度不是很快的单片机上达到非常理想的效果。

CSC246数字式备用电源自投入装置采用了更适合于中低压电力系统的软件总体结构设计方案：

实时多任务操作系统。

目前单片机芯片本身的性能大幅度提高，随着应用的复杂化，一个嵌入式控制器系统可能要同时控制与监视很多外设，要求有实时响应，有很多处理任务，各个任务之间有很多信息传递。

实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于操作系统之上的各个任务，操作系统根据各个任务的要求，进行资源管理、信息管理、任务调度、异常处理等工作。

在操作系统中，每个任务均有一个优先级，操作系统根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。

实时多任务操作系统，以分时方式运行多个任务，看上去好像是多个任务“同时”运行。

操作系统的主要功能模块有调度和中断处理，任务管理，事件管理，定时器管理