王亮寬

（杭州德力西集團(tuán)自動(dòng)化公司，杭州 310023）

1 引言

為保證供電的可靠性，特別是大型醫(yī)院，電力系統(tǒng)經(jīng)常采用2個(gè)或2個(gè)以上的電源進(jìn)行供電，并且相互之間采取適當(dāng)?shù)膫溆梅绞?。?dāng)工作電源失去電壓時(shí)，備用電源由自動(dòng)裝置立即投入，從而保證供電的連續(xù)性，這種自動(dòng)裝置稱為備用電源自動(dòng)投入裝置，簡稱備自投。

110kV及以下等級的變電站一般都采用了備用電源自動(dòng)投入裝置。傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置采用各種繼電器、接觸器、開關(guān)及觸點(diǎn)，根據(jù)不同的運(yùn)行方式構(gòu)成相應(yīng)的備自投回路，其特點(diǎn)是價(jià)格便宜但設(shè)備體積大，開關(guān)動(dòng)作慢，功能較少，接線復(fù)雜，觸點(diǎn)易損壞，改接麻煩，靈活性較差。近幾年普遍采用的是微機(jī)型備用電源自動(dòng)投入裝置，其特點(diǎn)是有完善的故障邏輯判別和可靠的故障響應(yīng)，維護(hù)方便，但一般采用預(yù)制的摸式，只能用于典型的進(jìn)線自投或分段自投。隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)的建設(shè)改造，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，性能要求越來越高，備用電源自動(dòng)投入裝置的邏輯關(guān)系也越變復(fù)雜。傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置和微機(jī)型備自投裝置（即預(yù)制的摸式）已很難滿足現(xiàn)場千變?nèi)f化的要求?？删幊炭刂破鳎≒LC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。該裝置采用可編程控制的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶指令，用軟件編程實(shí)現(xiàn)確定的邏輯、順序、定時(shí)、記數(shù)、運(yùn)算和一些特定的功能，通過數(shù)字或模擬量的輸入/輸出來控制各種類型的生產(chǎn)過程。相比繼電器控制，具有通用性強(qiáng)，靈活性好，接線簡單，功能強(qiáng)，易擴(kuò)展，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，定時(shí)準(zhǔn)確，定時(shí)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，從而逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器控制。由PLC構(gòu)成的備用電源投入裝置相對靈活、多變，可根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，通過編程完成各種復(fù)雜的邏輯和功能，最大限度的滿足不同的現(xiàn)場要求。

2 備用電源自動(dòng)投入裝置的基本原則[1]

（1）當(dāng)工作母線上的電壓低于設(shè)定的無壓定值，且持續(xù)時(shí)間大于時(shí)間定值時(shí)，備自投裝置方可啟動(dòng)。備自投的時(shí)間定值應(yīng)與相關(guān)的保護(hù)及重合閘的時(shí)間定值相配合。

（2）備用電源的電壓工作于正常范圍，備用設(shè)備處于正常的準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，備自投裝置方可動(dòng)作，否則應(yīng)予以閉鎖。

（3）必須在斷開工作電源的斷路器之后，備自投裝置方可動(dòng)作。工作電源消失后，不管其進(jìn)線斷路器是否已被斷開，備自投裝置在啟動(dòng)延時(shí)到達(dá)以后總是先跳該斷路器，確認(rèn)該斷路器在跳位后，方能合備用電源的斷路器。

（4）人工切除工作電源時(shí)，備自投裝置不應(yīng)動(dòng)作。

（5）避免備用電源合于永久性故障狀態(tài)。

（6）備自投裝置只允許動(dòng)作一次。以往傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置通過裝置內(nèi)部電容器的充放電過程來保證只動(dòng)作一次。

3 備自投裝置設(shè)計(jì)

3.1 電力系統(tǒng)主接線及運(yùn)行要求

圖1為南陽第一人民醫(yī)院0.4kV系統(tǒng)主接線，其中Ⅱ段母線為重要負(fù)荷。

圖1 南陽第一人民醫(yī)院0.4kV系統(tǒng)主接線圖

系統(tǒng)運(yùn)行要求：①1#、2#、3#進(jìn)線正常工作運(yùn)行時(shí)，三條進(jìn)線各帶一段負(fù)載；②若1#進(jìn)線停電，2#、3#進(jìn)線正常運(yùn)行，則3#進(jìn)線通過QF6帶Ⅰ段負(fù)載；③若3#進(jìn)線停電，1#、2#進(jìn)線正常運(yùn)行，則1#進(jìn)線通過QF6帶Ⅲ段負(fù)載；④若2#進(jìn)線停電，1#、 3#進(jìn)線正常運(yùn)行，則1#進(jìn)線通過QF4帶Ⅱ段負(fù)載；⑤若1#、2#進(jìn)線停電，3#進(jìn)線正常運(yùn)行，則3#進(jìn)線通過QF5帶Ⅱ段負(fù)載；⑥若2#、3#進(jìn)線停電，1#進(jìn)線正常運(yùn)行，則1#進(jìn)線通過QF4帶Ⅱ段負(fù)載；⑦以上幾種情況下備自投動(dòng)作后，若進(jìn)線恢復(fù)送電，則斷開母聯(lián)開關(guān)，恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 備自投動(dòng)作情況分析及邏輯框圖

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三條進(jìn)線各帶一段負(fù)載。根據(jù)運(yùn)行要求，對每條進(jìn)線電源失電后的備自投情況做出分析：

（1）若1#進(jìn)線停電，2#、3#進(jìn)線正常運(yùn)行時(shí)合3#母聯(lián)；當(dāng)1#進(jìn)線恢復(fù)時(shí)，分3#母聯(lián)，合1#進(jìn)線，恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

動(dòng)作過程為：當(dāng)檢測到1#進(jìn)線失壓，備自投保護(hù)啟動(dòng)跳1#進(jìn)線，確認(rèn)跳開后，合3#母聯(lián)。后當(dāng)檢測到1#進(jìn)線電壓正常時(shí)，跳3#母聯(lián)，確認(rèn)跳開后合1#進(jìn)線。

備自投充電條件：備自投允許、3#母聯(lián)在分位、1#進(jìn)線在合位、Ⅰ段母線有壓、3#進(jìn)線有壓，條件具備后，經(jīng)20s備自投充電完成。

備自投動(dòng)作條件：備自投充電完成、1#進(jìn)線失電（TVj1、TVm1均無壓）。

自復(fù)充電條件：3#母聯(lián)在合位、1#進(jìn)線在分位、Ⅰ段母線有壓、3#進(jìn)線有壓，1#進(jìn)線有壓，條件具備后，經(jīng)設(shè)定時(shí)間后自復(fù)充電完成。

自復(fù)動(dòng)作條件：自復(fù)充電完成。

邏輯框圖見圖2。

（2）3#進(jìn)線停電，1#進(jìn)線正常運(yùn)行時(shí)合3#母聯(lián)；當(dāng)3#進(jìn)線恢復(fù)時(shí)，分3#母聯(lián)，合3#進(jìn)線，恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

動(dòng)作過程為：當(dāng)檢測到3#進(jìn)線失壓，備自投保護(hù)啟動(dòng)跳3#進(jìn)線，確認(rèn)跳開后，合3#母聯(lián)。后當(dāng)檢測到3#進(jìn)線電壓正常時(shí)，跳3#母聯(lián)，確認(rèn)跳開后合3#進(jìn)線。

圖2 1#進(jìn)線失電情況下備自投及自復(fù)邏輯框圖

備自投充電條件：備自投允許、3#母聯(lián)在分位、3#進(jìn)線在合位、Ⅲ段母線有壓、1#進(jìn)線有壓，條件具備后，經(jīng)20s備自投充電完成。

備自投動(dòng)作條件：備自投充電完成、3#進(jìn)線失電（TVj3、TVm3均無壓）。

自復(fù)充電條件：3#母聯(lián)在合位、3#進(jìn)線在分位、Ⅲ段母線有壓、1#進(jìn)線有壓，3#進(jìn)線有壓，條件具備后，經(jīng)設(shè)定時(shí)間后自復(fù)充電完成。

自復(fù)動(dòng)作條件：自復(fù)充電完成。

邏輯框圖見圖3。

圖3 3#進(jìn)線失電情況下備自投及自復(fù)邏輯框圖

（3）若2#進(jìn)線停電，1#進(jìn)線正常運(yùn)行合1DP10；若1#進(jìn)線停電，3#進(jìn)線正常運(yùn)行，則合4DP4；當(dāng)2#進(jìn)線恢復(fù)時(shí)，則分開備自投動(dòng)作時(shí)所合的開關(guān)，合2#進(jìn)線，恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

動(dòng)作過程為：①當(dāng)檢測到2#進(jìn)線失壓，1#進(jìn)線運(yùn)行正常時(shí)備自投保護(hù)啟動(dòng)跳2#進(jìn)線，確認(rèn)跳開后，合1#母聯(lián)。后當(dāng)檢測到2#進(jìn)線電壓正常時(shí)，跳1#母聯(lián)，確認(rèn)跳開后合2#進(jìn)線；②當(dāng)檢測到2#進(jìn)線失壓，1#進(jìn)線未運(yùn)行且3#進(jìn)線運(yùn)行正常時(shí)備自投保護(hù)啟動(dòng)跳2#進(jìn)線，確認(rèn)跳開后，合2#母聯(lián)。后當(dāng)檢測到2#進(jìn)線電壓正常時(shí)，跳2#母聯(lián)，確認(rèn)跳開后合2#進(jìn)線。

備自投充電條件：備自投允許、1#母聯(lián)在分位、2#母聯(lián)在分位、1#進(jìn)線在合位且Ⅰ段母線有壓或3#進(jìn)線在合位且Ⅲ段母線有壓，條件具備后，經(jīng)20s備自投充電完成。

備自投動(dòng)作條件：備自投充電完成、2#進(jìn)線失電（TVj2、TVm2均無壓）。

自復(fù)充電條件：2#進(jìn)線在分位、Ⅱ段母線有壓、2#進(jìn)線有壓1#母聯(lián)在合位且1#進(jìn)線有壓或2#母聯(lián)在合位且3#進(jìn)線有壓，條件具備后，經(jīng)設(shè)定時(shí)間后自復(fù)充電完成。

自復(fù)動(dòng)作條件：自復(fù)充電完成。

邏輯框圖見圖4。

圖4 2#進(jìn)線失電情況下備自投及自復(fù)邏輯框圖

3.3 備自投裝置硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上備自投動(dòng)作及自恢復(fù)邏輯框圖分析，其開關(guān)量輸入有進(jìn)線及母聯(lián)開關(guān)位置共6個(gè)，模擬量輸入有三條進(jìn)線的AB，BC相電壓及三段母線的AC相電壓共9個(gè)，繼電器輸出量有備自投動(dòng)作4個(gè)，自復(fù)8個(gè)，運(yùn)行指示3個(gè)。選用西門子公司S7-200的CPU224一只，模擬量擴(kuò)展模塊EM231三只，繼電器輸出擴(kuò)展模塊EM222四只即可實(shí)現(xiàn)。另外，需要電壓變送器9只，將交流380V電壓變?yōu)檗D(zhuǎn)為直流0～5V供EM231模塊采樣；需要指示燈3個(gè)指示備自投準(zhǔn)備就緒；需要轉(zhuǎn)換開關(guān)做手動(dòng)操作和自動(dòng)操作切換；DC 24V電源模塊1個(gè)給各模塊供電。

3.4 備自投裝置編程

根據(jù)所選硬件設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對各輸入輸出進(jìn)行I/O地址分配，后備自投動(dòng)作邏輯框圖進(jìn)行編程。下面以1#進(jìn)線停電，2#、3#進(jìn)線正常運(yùn)行時(shí)合3#母聯(lián)的動(dòng)作過程為例說明備自投裝置的PLC編程。

I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

PLC程序如圖5所示。

圖5 PLC程序

4 備自投裝置現(xiàn)場調(diào)試及運(yùn)行

試驗(yàn)前斷開進(jìn)線變壓器高壓側(cè)斷路器，在變壓器低壓側(cè)（即三條進(jìn)線端）各加上交流380V電壓，并由不同開關(guān)控制，后分別斷開各開關(guān)以摸擬運(yùn)行中的進(jìn)線停電情況。用上位機(jī)與PLC模塊通信后，將PLC程序下載到PLC模塊中，通過在線監(jiān)視各輸入輸出量及程序運(yùn)行情況，對PLC程序進(jìn)行修改及優(yōu)化．調(diào)試后備自投裝置能做到手動(dòng)自動(dòng)切換、備自投充電指示及不同情況下的自動(dòng)投入及自復(fù)。該套備自投裝置現(xiàn)在已投入運(yùn)行兩年之久，運(yùn)行正常。

5 結(jié)論

基于PLC實(shí)現(xiàn)的備用電源自動(dòng)投入裝置相對靈活、多變。其用軟件編程取代硬件接線，最大限度的滿足千變?nèi)f化的現(xiàn)場要求；采用可靠性高、安裝方便的可編程控制器（PLC）保證了系統(tǒng)的可靠性?？删幊炭刂破骺赏耆〈鷤鹘y(tǒng)的繼電接觸控制，在電氣控制系統(tǒng)中可全面推廣應(yīng)用。

[1] 國家電力調(diào)度通信中心．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)規(guī)定匯編[M].北京：中國電力出版社,2000.