1、哈尔滨工业大学毕业设计备用电源自投保护测控装置的设计哈尔滨工业大学本科毕业设计论文 题 目： 备用电源自投保护测控装置的设计 院 （系）： 电气与信息工程学院 班 级： 电气08-3班 姓 名： 李海龙 学 号： 080502030320 指导教师： 王越明 教师职称： 高级工程师 哈尔滨工业大学本科毕业设计论文摘要随着对电网供电可靠性的不断提高，备用电源自投装置开始在电力系统得到普及。为了提高供电可靠并且稳定，从而提出了备用电源自投保护测控装置。本设计着重研究备自投装置的硬件设计和软件实现。 本文首先介绍了备用电源装置的概况以及国内外发展情况，备用电源动作条件，备自投运行方式等。而后对本装置
2、进行硬件设计。 本设计硬件部分包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统、人机交互接口、通信接口、电源回路。本装置的主题是当正常供电线路出现异常或者故障导致供电中断，本装置能检测到此信号，并立即投入进行供电，起到对线路进行持续供电的作用。第1章 绪论 随着经济的蓬勃发展，电力网络的规模越来越大，复杂程度也越来越高，电网建设对供电可靠性的要求也越来越高，为了确保电力系统的稳定性，需要装设各种安全自动装置。备用电源自动投入装置就是其中最常见的一种，该装置动作的正确可靠与否将直接影响到火力发电厂和生产装置区变电所供电的可靠性。备用电源自动投入装置是当工作电源因故障断开以后，能够自动而迅速地
3、将备用电源投入工作或将用户切换到备用电源上去，从而使用户不致于被停电的一种装置，简称“BZT装置”。备用电源自投装置(备自投是)电力系统中为了提高供电可靠性而装设的自动装置，当工作电源因故障或其他原因被断开后，能迅速地将备用电源或其它正常工作的电源投入工作，使工作电源被断开的用户不至于停电的一种自动装置。备自投是保障电网安全，供电可靠的重要装置。为保证供电的可靠性，电力系统经常采用两个或两个以上的电源进行供电，并考虑相互之间采取适当的备用方式。当工作电源失去电压时，备用电源由自投装置立即投入，从而保证供电的连续性。随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也越来越高，为保证电力系统供电正常运行变压器
4、备用电源自投保护测控装置尤为重要。备用电源自投保护装置（下称备自投装置）作为一种花钱少、增加供电可靠性见效快的措施，其应用也越来越广泛，既增加了供电的安全可靠性，同时缩小了停电范围，保证了用户经济建设的持续稳定。一般的变电所都装设了备用电源自投保护测控装置。微机型备用电源自投保护测控装置是当其中一回供电电源停电后，能自动地将停电回路开关断开，并按设定时序自动投入备用电源，快速恢复母线供电。备用电源自投保护测控装置室保证供电系统持续可靠的重要措施。备自投装置室发电厂重要的二次设备，其作用是当主电源发生故障时，能自动将备用电源投入，保证重要设备的供电可靠性。1.2备用电源自投保护测控装置的国内外研
5、究现状 备用电源自投保护技术是随着电力系统的发展而发展的，它与电力系统对运行可靠性要求的不断提高密切相关。同继电保护装置一样，BZT装置经历了从电磁型、整流型、晶体管型集成电路型到微机型的发展历程。电磁型BZT装置主要由低电压继电器、时间继电器、中间继电器、开关辅助接点等组成，接线简单，维护方便，容易掌握，一定范围内能够满足控制要求，因而在20纪80年代得到了广泛的应用。但是，电磁型BZT装置也有着明显的缺点：设备体积大，寿命短，动作速度慢，功能少，程序不可调。20世纪 80年代中期到90年代初期，出现了整流型和晶体管型BZT装置，具有体积小、功率消耗小和防震性能好的优点，但功能与电磁型BZT
6、装置基本相同。集成电路型BZT装置作为向微机型BZT装置过渡的产品，还没有来得及大面积推广应用，就被性能更为优越的微机型 BZT装置所取代。（1）装置采用整体面板，加强型单元箱，抗强振动、强干扰设计，适应于恶劣环境，可组屏安装也可分散安装于开关柜上运行。 （2）装置具有独立性、完整性和成套性，满足系统测控 保护及 多级调度 的需要 。（3）以高性能 16 位单片机 CPU 为主体，四层电路板设计，使用具有多年运行经验的成熟技术， CPLD 电路的采用， 使系统稳 定性 、可靠性 极高；最新的 JTAG电路设计可实现软件在线升级，维护方便快捷。（4）采用 独立的 12 位 A/D 作为数据采集，
7、保护 测量 精度高；电路 由高可靠 性、高精度的 A/D 转换器、多路开关及有源低通滤波回路、限幅 回路组 成，具有转 换速度快、采样偏差小、功耗低及稳定性高的特点。（5）设有完全独立的测量、保护模拟量输入隔离采样通 道，采 用专门的 模拟和 数字滤波设计，以及高精度交流采样技术，既满足了对测量精度的要求又满足了 对保护动作大动态范围的要求。保护算法成熟、完善、可靠。（6）装置可采集多达 18 路的 开关量 信号 （其 中两 路可选 择 采集脉 冲信号 ），开关量输入回路 采用光电隔离、限压保护措 施，高效的硬件滤波电路，有效地防范了外界干扰信号串入装置的弱电回路，提高了装置的抗干扰性能。（7
8、）开关 量信号 可自 由定义，支持多达 8 个汉字字符显示报警；装置内部建有一常用汉字字库，并可通过后台监控或维护计算机下传特殊的汉字字 符，给现场 应用带来了极大的方便。（8）装置配有大屏幕汉字液晶显示，简洁的操作面板， 采用分 级菜单式 人机对 话系统，友好的、人性化的界面设计，全 汉化的 信息显示，操作简单、快捷、易 学易懂。大屏幕液晶显示屏，中文视窗界面，保护信息、操作信息一目了然，操作简单方便。面板LED指示灯，清晰表明装置正常、异常及动作时的各种状态。（9）装置具有 12 个独立的大电流继电器出口，出口逻辑可在线编程，满足保护跳闸的要求，也可编程完成其它自动化功能。继电 器开出 信
9、号经光电隔离输出， 有效地提高了整套装置的抗干扰性能。可完成一台断 路器的 分合闸控 制，控制 回路具有硬件防跳功能，并提供对断路器的保护，断路器位置信号采集与控制 回路不共用。（10）装置设有各种保护投退软压板，可根据实际情况选 择配置 保护功能 。（11）具有事故顺序记录和事故追忆功能，可保存最后 1 28 次带时间、故障电流、电压信息的事件记录，且永久掉电保持。（12）具有故障录波功能，可以记录下事故或故障前后共 连续 6 0 个波长 ，方便用户分析事故原因。（13）装置可存入 4 套定值，修改、切换运行方式及定值极为方便。（14）装置防误操作功能强，可自行设置用户密码，修改 定值有 多
10、级菜单 确认。（15）装置模拟量采集电路无电位器等任何可调元件，高 精度高 稳定的数 据采集 、严格的出厂质量检验实现现场免调试，现场无需做任何跳线、无需改电阻、无 需调整零飘，仅需通过后台设置、无需 打开机箱 即可完 成精度校准或补偿，在 电站或变电所较为恶劣的电磁环境下长期运行不影响数据的采样精度，维护量 大大减少。（16）设置了专门的频率跟踪电路，使得采样频率可精确 地跟踪 电网频率 ，保证了装置动作的可靠性。（17）装置具有内部硬件 时钟，并可实现 调度、当地通讯 对时 ，也可实现 硬件 对时。可独立于 CPU 工作，且计时准确，月累 积误差一 般小 于 10 秒。芯片还具有主电源掉电
11、情况下的时钟保护电路，时钟靠后备电池维持工 作，同时还具有备 用电源自动切换控制电路，因而可在主电 源掉电和其它一些恶劣环境场合中保 证系统时钟的定时准确性。（18）装置具有工业级 485 总线、 CAN 总线通讯接口。（19）装置集保护、遥测、遥信、遥控、遥脉、录波功能 于一体 ，体现了 综合自 动化设备的优势，充分满足市场需求。（20）装置具有自诊断和自恢复功能，在装置发生异常时 系统能 自动提示 及报警 。装置具有工作电源消失告警功能（即掉电告警功能），并提供独立的继电器硬 接点使用。（21）装置可就地安装在开关柜上，减少大量的二次接线 ，仅通 过通信电 缆或光 纤与上层系统联系，取消了
12、大量信号、测量、控 制、保护电缆接入主控室，节省 了投资，提高系统的可靠性。（22）装置采用国际标准的模块化结构，互换能力强。（23)装置具有 “远方 /本地”切换功能，可实现后台计算机遥控操作或单元箱就地操作的选择与切换。 备用电源自动投入装置是当工作电源因故障断开以后，能够自动而迅速地将备用电源投入工作或将用户切换到备用电源上去，从而使用户不致于被停电的一种装置，是保障电网安全，供电可靠的重要装置。当工作电源失去电压时，备用电源由自投装置立即投入，从而保证供电的连续性。同时也保证了供电的可靠性。母线有压：接入的三个相电压均大于等于检无压定值，即用逻辑“与”来判母线无压，可以避免工作电源PT
13、一相或两相断线时备自投的误动。线路有压：接入的进线A相电压大于等于检有压定值。若现场未设置进线PT，可通过“线路检有压”的投退定值屏蔽进线有压的判据。线路无流：工作电源进线的A相电流小于等于进线无流定值。该定值应小于最小负荷电流，以避免负荷电流太小量被误判为进线无流。一般情况接入由其他保护装置向备自投提供的闭锁信号(空接点)。当装置接入24V（+）时,表示备自投功能投入；当装置不接入24V（+）时,表示备自投功能退出。（3）反映工作电源断路器、备用电源断路器和其它相关断路器的开关量断路器位置一般取其辅助接点中的常开接点，此接点闭合表明断路器处于合位，反之，断路器处于跳位。1）当工作母线上的电压
14、低于检无压定值，并且持续时间大于时间定值时，备自投装置方可起动。备自投的时间定值应与相关的保护及重合闸的时间定值相配合。2）备用电源的电压应工作于正常范围，或备用设备应处于正常的准备状态，备自投装置方可动作，否则应予以闭锁。3）必须在断开工作电源的断路器之后，备自投装置方可动作。工作电源消失后，不管其进线断路器是否已被断开，备自投装置在起动延时到了以后总是先跳该断路器，确认该断路器在跳位后，方能合备用电源的断路器。按照上述逻辑动作，可以避免工作电源在别处被断开，备自投动作后合于故障或备用电源倒送电的情况发生。4）人工切除工作电源时，备自投装置不应动作。装置引入手动投切备自投开入，一旦此开入没有
15、施加，立即使备自投放电，实现闭锁。5）在考虑运行方式和保护配置时，应避免备自投装置动作使备用电源合于永久性故障的情况发生，一般通过引入闭锁量或检开关位置，使备自投放电。6）备自投装置只允许动作一次,当备自投充电条件满足时，经15 秒充电时间后，进入充电完毕状态。当放电条件满足时立即放电。根据不同的接线方式，可分为五种运行方式：单母进线备自投，变压器备自投，变压器分段备自投，分段（或桥）断路器备自投及特殊方式备自投。备自投可在软压板中选择投入或退出，运行方式可在装置参数中选择。 1） 单母进线备自投和变压器备自投各有3种备投方式：明备投方式1、明备投方式2和明备投自复方式（各种方式的具体说明见第
16、5节），5种组合方式（每种组合方式可由控制字选择投入或退出）。 2）变压器分段备自投和分段（或桥）断路器备自投各有6种备投方式：明备投方式1、明备投方式2、明备投自复方式、暗备投方式1、暗备投方式2、暗备投自复方式，11种组合方式。3） 特殊方式备自投只有两种方式：明备投方式1和明备投方式2。 分段开关如使用装置自带的操作回路，控制回路断线有操作回路判断，当不使用操作回路时，分段开关跳位、合位由外部引入，如果跳位、合位同时为0，延时3s报控制回路断线。2.1.5 断路器拒动检查 备自投动作逻辑需要判断相应的断路器位置，为防止因断路器拒动，而导致装置一直等待断路器变位而无法终止备自投逻辑，本装置
17、设有断路器拒动检查功能。此功能可通过控制字投退。装置发出断路器跳合闸命令10s后，若判断出断路器未能变位，则立即终止相应的备自投过程，并收回跳合闸命令，同时发断路器拒动信息。 2.1.6 线路PT断线告警（1）进线1PT断线判据为：检线压1或检同期1投入时，若进线电压U1小于有压定值，经10秒报进线1PT断线，断线消失后延时2.5秒返回。（2）进线2PT断线判据为： 检线压2或检同期2投入时，若进线电压U2小于有压定值，经10秒报进线2PT断线，断线消失后延时2.5秒返回。2.1.7 母线PT断线告警（1） I母PT断线的判据为： 1）正序电压小于30%Un时，I1有流或1DL在跳位、3DL在
18、合位I2有流； 2）负序电压大于8%Un。满足以上任一条件延时10秒报I母PT断线，断线消失后延时2.5秒返回。（2） II母PT断线的判据为： 1）正序电压小于30%Un时，I2有流或2DL在跳位、3DL在合位I1有流； 2）负序电压大于8%Un。 满足以上任一条件延时10秒报II母PT断线，断线消失后延时2.5秒返回。2.1.8 过负荷联切 备自投动作后，当备用电源容量不足时，应切除一部分次要负荷，以确保供电安全。暗备投方式可以起动过负荷联切功能，由过负荷联切软压板控制。在备自投动作合上备用开关后，自动将过负荷联切功能投入所整定的时间。两轮联切功能有各自的动作定值和时间定值。备自投动作以后
19、，在投入的整定时间内，监视备用电源一相电流，当电流超过定值以后，过负荷联切启动，其后在不受投入的整定时间的控制，直到启动返回或所有各轮联切动作后，过负荷联切自动退出。联切出口接点数量不足时，可通过外部增加继电器扩展出口。过负荷联切功能可通过相应的软压板投退。两轮过负荷联切动作逻辑框图见图2-1。图中: “GFH”表示过负荷联切的软压板；“Tgfhtr”表示过负荷联切投入时间；“IL1,IL2”表示备用电源一相电流；“Igfh1”表示过负荷联切一轮定值；“Igfh2”表示过负荷联切二轮定值；“Tgfh1”表示过负荷联切一轮时限；“Tgfh2”表示过负荷联切二轮时限；“0.5s”表示跳闸脉冲宽度为
20、0.5秒。 图2-1 过负荷联切逻辑图2.1.9 分段（或桥）断路器保护 装置接入分段（或桥）断路器的三相保护CT的电流，并自产零序电流。相电流充电保护和零序电流充电保护，两种保护可通过软压板选择投入或退出。分段开关充电保护在暗备自投动作以后，分段（或桥）断路器由跳变合的可整定时间内自动投入。整定时间内若保护未起动，则时间到后自动退出，直至下次暗备自投动作，分段（或桥）断路器再次由跳变合；整定时间内保护起动，则一直投入，直至故障切除、保护返回后才自动退出。 装置还配置相互独立的两段过流和一段零序过流分段（或桥）断路器保护。这些保护独立于备自投逻辑，并可通过软压板分别投退。相电流充电保护动作逻辑
21、框图见图2-2，零序电流充电保护动作逻辑框图见图2-3，过流I段保护动作逻辑框图见图2-4，过流II段保护动作逻辑框图见图2-5，零序过流保护动作逻辑框图见图2-6。图2-2 相电流充电保护动作逻辑图图中: “ICD”表示相电流充电保护的软压板；“Tcdtr”表示分段开关充电保护投入时间；“Ia,Ib,Ic”表示母联三相电流；“Iset”表示相电流充电保护定值；“Tcd”表示相电流充电保护时限。图2-3 零序电流充电保护动作逻辑图图中: “LXCD”表示零序电流充电保护的软压板；“Tcdtr”表示分段开关充电保护投入时间；“3Io”表示由母联三相电流产生的零序电流；“Ioset”表示零序电流充
22、电保护定值；“Tocd”表示零序电流充电保护时限。图2-4 过流I段保护动作逻辑图图中: “GL1”表示过流I段保护的软压板；“Ia,Ib,Ic”表示母联三相电流；“Iset1”表示过流I段保护定值；“t1”表示过流I段保护时限。 图2-5 过流段保护动作逻辑图图中:“GL2”表示过流II段保护的软压板；“Ia,Ib,Ic”表示母联三相电流“Iset2”表示过流II段保护定值；“t2”表示过流II段保护时限。 图2-6 零序过流保护动作逻辑图图中: “LX”表示零序过流保护的软压板；“3Io”表示由母联三相电流产生的零序电流；“Iseto”表示零序过流保护定值；“t0”表示零序过流保护时限。2
23、.1.10 遥测、遥信、遥控功能遥测量主要有：I0(外接)、Uab1、Ubc1、Uab2、Ubc2、P、Q、COS和有功电度、无功电度。分段电流Ia、Ib、Ic接自保护CT，故从其计算得出的P、Q和COS等遥测量仅供参考。装置使用母电压Uab1、Ubc1和Ia、Ic，采用两表法计算得出母联断路器处的P、Q和COS，并通过积分计算得出分段断路器处的正反向有功电度和无功电度，正方向为母指向母。所有这些量都在当地实时计算，实时累加，且计算完全不依赖于网络，精度达到1级。 遥信量主要有：1路遥信开入、变位遥信及事故遥信，并作事件顺序记录，遥信分辨率小于2ms。 遥控：一组遥控输出可用于桥开关或分段开关
24、的遥控分合。 首先将 手动投切备自投开入 接入24V，在软压板菜单中将备自投功能投入，在装置参数中选择备自投的运行方式。本备自投共五种运行方式：单母进线备自投、变压器备自投、变压器分段备自投、 进线分段备自投及特殊方式备自投。2.2.1 单母进线备自投适用于线路开关备投,主接线见图2-7。图2-7 单母进线备自投主接线（1）原理简介装置引入母线电压（Uab、Ubc），用于母线有压、无压判别。引入两段进线电压（UL1、UL2）作为自投准备及动作的辅助判据，可经控制字“1#(2#)进线电压检查”选择是否使用。每个进线开关各引入一相电流(IL1、IL2)，是为了更好的确认进线开关已跳开。装置引入1D
25、L、2DL开关位置接点，用于系统运行方式、自投准备及自投动作判别。装置输出接点有跳1DL、2DL，合1DL、2DL各两付接点。带磁保持的保护或备投动作信号输出和装置故障信号输出。使用接线原理 可参考附录B,图B.1。1） 线路备投（明备投方式1）1#进线运行，2#进线备用，即1DL在合位，2DL 在分位。当1#进线电源因故障或其他原因被断开后，2#进线备用电源应能自动投入，且只允许动作一次。为了满足这个要求，设计了类似于线路自动重合闸的充电过程，只有在充电完成后才允许自投。动作逻辑框图见图2-8。充电条件：a.母线三相有压，当2#线路电压检查控制字投入时，2#线路有压（UL2）； b.1DL在
26、合位, 2DL 在分位。经15 秒后充电完成。放电条件：a.当2#线路电压检查控制字投入时，2#线路无压（UL2）； b.2DL 在合位； c.其他外部闭锁信号(闭锁备自投开入、手动投切备自投开入、断路器拒动)； d.整定控制字中 明备投方式1 选择退出。动作过程：当充电完成后,母线无压，当2#线路电压检查控制字投入时，UL2 有压，IL1 无流，经“明备投方式1延时”跳开1DL，确认1DL 跳开后，合2DL。 图2-8 单母进线明备投方式1逻辑图图中: “MB1”表示明备投方式1控制字；“Uab,Ubc,Uca”表示母线三相线电压；“UL2”表示2线路任一线电压；“IL1”表示1线路任一相电
27、流；“Iwl”表示线路无流定值；“Uyy”表示母线有压定值；“Uwy”表示母线无压定值；“ULwy”表示线路无压定值；“ULyy”表示线路有压定值；“tmb1”表示明备投方式1延时定值；“kzz”表示断路器拒动控制字；“kz2”表示2#线路电压检查控制字；“0.5s”表示跳合闸脉冲宽度为0.5秒。(2) 线路备投（明备投方式2）方式2 过程同方式1、2#线路运行，1#线路备用。动作逻辑框图见图2-9。充电条件：a.母线三相有压，当1#线路电压检查控制字投入时，1#线路有压（UL1）；b.2DL在合位,1DL 在分位。经15 秒后充电完成。放电条件：a.当1#线路电压检查控制字投入时，1#线路无
28、压（UL1）； b.1DL 在合位； c.其他外部闭锁信号(闭锁备自投开入、手动投切备自投开入、断路器拒动)； d.整定控制字中 明备投方式2 选择退出。动作过程：当充电完成后,母线无压，UL1 有压，IL2 无流，经明备投方式2延时跳开2DL，确认2DL 跳开后，合1DL。图2-9 单母进线明备投方式2逻辑图图中: “MB2”表示明备投方式2控制字；“Uab,Ubc,Uca”表示母线三相线电压；“UL1”表示1线路任一线电压；“IL2”表示2线路任一相电流；“Iwl”表示线路无流定值；“Uyy”表示母线有压定值；“Uwy”表示母线无压定值；“ULwy”表示线路无压定值；“ULyy”表示线路有
29、压定值；“tmb2”表示明备投方式2延时定值；“kzz”表示断路器拒动控制字；“kz1”表示1#线路电压检查控制字；“0.5s”表示跳合闸脉冲宽度为0.5秒。（3）自负方式（明备投自负方式）当备自投动作,投入备用电源以后,只要失电进线电压恢复正常,均使主进线投入工作状态。动作逻辑框图见图2-10。 充电条件：a.母线三相有压，b.2DL（或1DL）在合位,1DL（或2DL）在分位；c.明备投动作。经15 秒后充电完成。放电条件：a.1DL（或2DL）在合位；b.其他外部闭锁信号(闭锁备自投开入、手动投切备自投开入、断路器拒动)；c.整定控制字中 明备投自复方式 选择退出。动作过程：当充电完成后
30、,UL1（或UL2）有压，经明备投自复方式延时 跳开2DL（或1DL），确认2DL（或1DL） 跳开后，合1DL（或2DL）。图2-10 单母进线明备投自复方式逻辑图图中: “MZF”表示明备投自复方式控制字；“Uab,Ubc,Uca”表示母线三相线电压；“UL1”表示1线路任一线电压；“UL2”表示2线路任一线电压；“Uyy”表示母线有压定值；“ULyy”表示线路有压定值；“tzf”表示明备投自复方式延时定值；“kzz”表示断路器拒动控制字；“0.5s”表示跳合闸脉冲宽度为0.5秒。2.2.2 变压器备自投适用于变压器备投,主接线见图2-11。图2-11 变压器备自投主接线 原理是装置引入母
31、线电压（Uab、Ubc），用于母线有压、无压判别。引入两主变高压侧进线电压（UL1、UL2）作为自投准备及动作的辅助判据，可经控制字中“1#(2#)进线电压检查”选择是否使用。每个主变低压侧各引入一相电流(IL1、IL2)，是为了更好的确认主变高压侧进线开关已跳开。装置引入1DL、2DL、4DL和5DL开关位置接点，用于系统运行方式、自投准备及自投动作判别。装置输出接点有跳1DL、2DL、4DL和5DL，合1DL、2DL、4DL和5DL各四付接点。带磁保持的保护或备投动作信号输出和装置故障信号输出。（1） 变压器备投（明备投方式1）1#主变运行，2#主变备用，即1DL和5DL在合位，2DL和4
32、DL 在分位。当1#主变因故障或其他原因被断开后，2#备用主变应能自动投入，且只允许动作一次。为了满足这个要求，设计了类似于线路自动重合闸的充电过程，只有在充电完成后才允许自投。动作逻辑框图见图2-12。充电条件：a.母线三相有压，当2#主变电压检查控制字投入时，2#主变高压侧有压（UL2）； b.1DL和5DL在合位, 2DL和4DL 在分位。经15 秒后充电完成。放电条件：a.当2#主变电压检查控制字投入时，2#主变高压侧无压（UL2）； b.2DL或4DL 在合位； c.其他外部闭锁信号(闭锁备自投开入、手动投切备自投开入、断路器拒动)； d.整定控制字中 明备投方式1 选择退出。动作过程：当充电完成后,母
