变电站备用电源自动投入装置--课程设计报告

1.概述
1.1概念
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，备用电源由自动装置立即投入，从而保证供电的连续性，这种自动装置称为备用电源自动投入装置，简称 AAT。

备用电源自动投入是保证电力系统连续可靠供电的重要措施。

备用电源自动投入装置遵循的基本原则如下：
①当工作母线上的电压低于检无压定值，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。

装置引入进线断路器的手跳信号作为闭锁量，一旦采到手跳信号，立即使备自投放电，实现闭锁。

⑤避免备用电源合于永久性故障
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发电。

例如，就主变低压侧分段开关备自投而言，变压器差动保护动作跳主变各侧时，一般表明主变本体发生故障，此时无需闭锁主变低压侧分段开关备自投；而变压器后备保护动作时，可能是低压侧母线或其出线上发生了故障，此时一般应闭锁低压侧分段开关备自投。

⑥备自投装置只允许动作一次。

以往常规的备用电源自动投入装置通过装置部电容器的充放电过程来保证只动作一次。

为了便于理解，微机装置仍然引用充放电这一概念，只不过微机备自投装置由软件通过逻辑判断实现备自投充放电。

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、有闭锁信号或退出备自投时立即放电。

1.2 备用电源的备用方式
备用电源的配置一般有明备用和暗备用两种基本方式。

系统正常时，备用电源或备用设备不工作，处于备用状态，成为明备用；系统正常是，备用电源也投入工作，称为暗备用。

暗备用实际上是两个工作电源互为备用。

图1-1所示为几种备用方式的简单接线图。

图1-1中TV为电压互感器，TA为电流互感器。

（a）明备用
(b) 暗备用之一
(c) 暗备用之二
图1-1 几种备用方式的简单接线图
1.2.1 明备用的控制
有一个工作电源和一个备用电源的接线，即为明备用的配置，如图1-1（a）所示。

图中。

TI为工作变压器，T2为备用变压器。

正常工作时。

QF1、QF2处于合闸位置，工作母线Ⅲ上的负荷由工作电源通过T1供给；此时QF3合上（也可断开）、QF4断开，T2处于别用状态。

当工作母线Ⅲ因某种愿意失电时，在QF2断开后，QF4合上（QF3断开时，要与QF4同时合上），恢复对工作母线Ⅲ的供电。

1.2.2 暗备用的控制
有两个工作电源互为备用的接线，两回进线或电源同时供电，如图1-1（B）(C)所示。

在图1-1（B）中，正常工作时，母线Ⅲ和母线Ⅳ分别由T1、T2供电，分段断路器QF5处于断开状态。

当母线Ⅲ和母线Ⅳ因某种原因失电时，在进线断路器QF2或者QF4断开后，QF5合上，恢复对工作母线的供电。

这种T1或T2既工作又备用的方式，称为暗备用。

需要指出的是，在图1-1（B）中。

T1或T2也可工作在明备用的方式下。

这样，对于图1-1（B）又有以下备用方式：
（1）备用方式1。

T1、T2分列运行，QF2跳开后QF5由AAT装置自动合上，母线Ⅲ由T2供电
（2）备用方式2。

T1、T2分列运行，QF4跳开后QF5由AAT装置动作自动合上，母线Ⅳ由T1供电。

（3）备用方式3。

QF5合上，QF4断开，母线Ⅲ、Ⅳ由T1供电；当QF2跳开后，QF4由AAT装置动作自动合上，母线Ⅲ和母线Ⅳ由T2供电。

（4）备用方式4。

QF5合上，QF2断开，母线Ⅲ、Ⅳ由T2供电；当QF4跳开后，QF2由AAT装置动作自动合上，母线Ⅲ和母线Ⅳ由T1供电。

2.装置硬件设计
2.1 硬件结构
以图1-1（b）所示的双电源互为备用一次接线为例，其硬件结构如
图2-1所示。

通过电压互感器和电流互感器将母线上的电压和电流反映给电压继电器和电流继电器，其中电流互感器的输出接电流继电器，电压继电器的输出接过压继电器和欠压继电器。

再通过这些继电器的触点将母线有压、无压和母线进线有流、无流反映给PLC。

图2-1 硬件结构示意图
外部电流和电压输入经变换器隔离变换后，由低通滤波器输入至A/D 变换器，经过CPU采样和数据处理后，由逻辑程序完成各种预定的功能。

AAT装置的主要输入与输出有以下几种：
（1）从备用电源自动投入的一次接线方案图【图1-1（b）】可以看出，测量TV3和TV4二次电压来判别母线III和IV上有、无电压，测量的事三相电压并非单相电压。

（2）采用母线III和母线IV进线电流（测量TV1和TV2的二次电流），防止TV断线误判工作母线失压导致误启动AAT装置；利用母线III 和母线IV进线电流闭锁AAT，同时兼做进线断路器跳闸的辅助判据，闭锁用电流只需一相即可。

（3） QF2、QF4、QF5的跳位与合位的信息由跳闸位置继电器和合闸位置继电器的触点来提供，并识别系统运行方式及选择自动投入方式。

（4）引入断路器QF2(或QF4)的合后位置触点，作为手跳断路器后闭锁自动投入和外部闭锁自动投入输入触点。

（5）装置输出3对触点分别跳断路器QF2、QF4、QF5；输出2对触点用于自动投入QF5，输出9对触点用于过负荷联切。

所谓过负荷联切，是指在投入备用电源后，利用母线III和母线IV进线电流，如发生过负荷，切除预先准备切除的若干条不重要的负荷线路。

2.2 PLC选型
从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点11个、开关量输出点
3个。

参照四门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机CPU224（14入/10继电器输出），此最为经济。

2.3 控制系统的I/O点及地址分配
控制系统的输入/输出信号的名称、代号及地址编号如表2-1所示。

表2-1 输入/输出点代号及地址编号
2.4 电气控制系统原理图
如图2-2所示为控制电路图。

图中:SF为急停开关，TA为隔离变压器，专为PLC供电，抗干扰，QF2、QF4、QF5均由PLC的输出继电器控制，图中Q0.0、Q0.1、Q0.2为PLC的继电器触点。

图2-2 控制电路图
如图2-3所示为PLC的外接线图，如有需要，还可以加入扩展模块。

有条件的话可以接入触摸屏，通过对其设定和操作，即可按规定的程序工作。

图2-3 PLC部分接线图
3.装置软件设计
3.1 备用电源自动投入装置的软件原理
在图1-1（B）所示的双电源互为备用一次接线中，有四种基本备用方式，备用方式1和备用方式2是变压器T1和T2各带一组母线分列运行（QF5必处断位），靠母线分段断路器QF5的合闸实现互为供电的两种备用方式，是暗备用方式；备用方式3和备用方式4是一个变压器带母线III和母线IV运行（QF5必处于合位），另一个变压器备用的工作方式，是明备用方式。

图3-1所示为暗备用方式1的AAT装置软件逻辑框图。

图3-1 暗备用方式的AAT装置软件逻辑框图
(1) AAT装置的启动方式。

图1-1（B）接线以备用方式1正常运行时，QF1、QF2的控制开关必在投入状态，变压器T1和变压器T2分别供应电能给母线III和母线IV。

在t3时间元件10-15S充足电后，只要确认QF2已跳闸，在母线由电压的情况下，Y9、H4动作。

QF5就合闸。

这说明工作母线受电侧断路器的控制开关（处合闸位）与断路器位置（处跳闸位）不是对应要启动AAT装置（在备用母线由电压情况下），即AAT装置的不对应启动方式，是AAT装置的主要启动方式
然而，当系统侧故障使工作电源失去电压，不对应启动方式不能使AAT装置启动时，应考虑其他启动方式辅助不对应启动方式。

在实际应用中，使用最多的辅助启动方式是采用低电压来检测工作母线是否失去电压。

在图4-8(A)中，电力系统的故障导致工作母线III失压，母线III 进线无电流，备用母线IV有电压，通过Y2启动t1时间元件，跳开QF2，AAT装置动作。

可见，图4-8（A）是低电压启动AAT装置部分，是AAT装置的辅助启动方式，这种辅助启动方式能反映功过母线失去电压的所有情况，但着中国辅助启动方式的主要问题是如何克服电压互感器二次回路断线的影响。

可见AAT装置启动具有不对应启动和低电压启动两部分，实现了工作母线任何原因失电均能启动AAT装置的要求。

同时可以看出，只有在QF2跳开后，QF5才能合闸，实现了工作电源断开后AAT装置才动作的要求；工作母线（母线III）与备用母线（母线IV）同时失去电压，AAT不动作；备用母线（母线IV）无压，根据图4-8逻辑框图，AAT装置也不动作。

（2）AAT装置的充电过程。

微机型备用电源自动投入装置为了保证正确动作且只动作一次，在逻辑中设计了类似自动重合闸装置的充电过程（10-15S）。

只有充电完成后AAT装置才进入工作状态。

如图4-8（C）所示要使AAT装置进入工作状态，必须要使时间元件t3充足电，充电时间需10-15秒，这样才能为Y11装置动作准备好条件。

AAT装置充电条件是：①变压器T1T2分列运行，即QF2处合位、QF4处合位QF5处跳位，所以与门Y5动作；②母线III和母线IV均三相有压（说明QF1、QF3均合上，工作电源均正常），与门Y6工作。

在满足上述条件，没有AAT装置的放电信号情况下，与门Y7的输出对事件原件t3进行充电。

当经过10-15S充电过程后，为与门Y11准备好了动作条件，即AAT装置动作准备好了条件。

一旦与门Y11的另一输入信号（AAT装置动作命令）到来，AAT装置就动作，最终合上QF5断路器。

（3）AAT装置的放电功能。

对AAT装置的放电功能，就是在某些条件下要取消AAT装置的动作能力，实现AAT装置的闭锁。

t3的放电条件有：①QF5处合位（AAT装置动作成功后，备用工作方式1不存在了，t3不必再充电）；②母线III和母线IV均三相无压（T1、T2不投入工作，t3禁止充电；T1、T2投入工作后t3才开始充电）；备用方式1和备用方式2闭锁投入（不去用备用方式1、备用方式2的备用方式）。

这三个条件满足其中之一，t3会瞬间放电，闭锁AAT装置。

可以看出,T1、T2投入工作10-15S，等t3充足电后，AAT装置才有可能动作。

AAT装置动作使QF5合闸后，t3瞬时放电；若QF5合于故障上，则由QF5上的加速保护使QF5立即跳闸，此时母线III（备用方式2工作时为母线IV）三相无压，Y6不动作，t3不可能充电。

于是,AAT装置不再动作，从而保证了AAT装置只动作一次。

(4) AAT装置的动作过程。

当备用方式1运行15秒后，AAT装置的动作过程如下：工作变压器T1故障时，T1保护动作信号经H1使QF2跳闸；工作母线III上发生短路故障时，T1后备保护动作信号经H1使QF2跳闸；工作母线III的出线上发生短路故障而没有被该出线断路器断开时，同样由T1后备保护动作经H1使QF2跳闸；电力系统故障使母线III失压时，在母线III无进线电流、母线IV有压的情况下经时间t1使QF2跳闸；QF1跳闸时，母线III失压、母线III进线无电流、母线IV有压的情况下经时间t1使QF2跳闸，或QF1跳闸时连跳QF2跳闸。

QF2跳闸后，在确认已跳开（断路器无电流）、备用母线有压情况下，Y11动作，QF5合闸。

当合于故障上时，QF5上的保护加速动作，QF5跳开，AAT装置不再动作。

可见，图4-8所示的AAT装置逻辑框图完全满足AAT装置的基本要求。

3.2程序
变电站备用电源自动投入装置的软件设计对应的简要程序如图3-2所示。

可根据实际应用情况适当改变程序以达到工作要求。

图3-2 简要程序
3.3 AAT装置参数整定
整定的参数有低电压元件动作值、过电压元件动作值、AAT装置充电时间、AAT装置动作时间、低电流元件动作值等。

(1) 低电压元件动作值。

低电压元件用来检测工作母线是否失去电压的情况，当工作母线失压时，低电压元件应可靠动作。

为此，低电压元件的动作电压应低于工作母线出线短路故障切除后电动机自启动时的最低母线电压；工作母线（包括上一级母线）上的电抗器或变压器后发生短路故障时，低电压元件不应动作。

考虑上述两种情况，
低电压元件动作值一般取额定电压的25%。

(2) 过电压元件动作值。

过电压元件用来检测备用母线（暗备用时是工作母线）是否有电压的情况。

如图中以备用方式1、备用方式2运行时，工作母线出现故障被该出线断路器断开后，母线上电动机自启动是备用母线出现最低运行电压Umin，过电压元件应处动作状态。

故过电压元件动作电压Uop为
Uop=
Umin KrelKrNtv
式中：Krel为可靠系数，取1.2；Kr为返回系数，取0.9；Ntv为电压互感器变比。

一般Uop不应低于额定电压的70%。

(3) AAT装置充电时间。

图所示以备用方式1、备用方式2运行时，当备用电源动作于故障上时，由设在QF5上的加速保护将QF5跳闸。

若故障是瞬时性的，则可立即恢复原有备用方式，为保证断路器切断能力的恢复，AAT装置的充电时间应不小于断路器第二个“合闸—跳闸”间的时间间隔。

一般间隔时间取10~15s。

可见，AAT装置的充电时间是必需的，且充电时间应为10~15s.
(4) AAT装置动作时间。

AAT装置动作时间是指由于电力系统的故障使工作母线失压跳开，工作母线受电侧断路器的延时时间。

因为网络短路故障时低电压元件可能动作，显然此时AAT装置不能
动作，所以设置延时是保证AAT装置动作选择性的重要措施。

AAT装置的动作时间Top(t1、t2)为
Top=Tmax+△t
式中：Tmax为网络发生使低电压元件的短路故障时，切除短路故障的保护最大动作时间；△t为时间常数，取0.4s。

(5) 低电流元件动作值。

设置低电流元件用来防止TV二次回路断线时误启动AAT，同时兼做断路器跳闸的辅助判据。

地电流元件动作值可取TA二次侧额定电流值的8%。

心得体会
通过本次课程设计，使自己加强了学习与生产、理论与实际的联系，对专业知识有初步了解，巩固已学基础知识，加强了劳动观念、实践观念，切实提高了动手实践能力，为毕业后走向工作岗位和进一步的学习奠定基础。

在这次课程设计过程中中，我最直接的感受是，实际工作真的很复杂，很辛苦。

但是这是一个人走向社会必须承担的压力之一。

所以这正是课程设计的意义所在。

通过设计，我提前体验了工作，为毕业走向工作岗位打下了基础。

成长是每个人的必经之路，无论憧憬也好，排斥也罢，我们都迟早要面对。

作为学生，要充分利用在校的课余时间，保证学业的同时，尽可能的多参加社会实践，为自己创造机会接触外面的社会。

我始终坚信，付出总会有收获，并且一个小的成功是下一个成功的必要准备，机会总是垂青那些有准备的人。

我们每个人所能做的，不是抱怨与成功人士的差距，而是争取机会奋起直追，成功的得来不是靠运气，而是凭借一朝一夕积累的能力。

特别感老师在课程设计过程中给予我的指导和帮助。

感设计过程中帮助我的其他老师和同学们。

参考文献
1、《变电站综合自动化现场》，中国电力，丁书文主编；
2、《电力工程电气设计200例》，中国电力，卓乐友等编著；
3、《现代电气控制及PLC应用技术》，航空航天大学，王永华编著；
4、《电力工程基础》，机械工业，丽华主编
5、《电力系统继电保护》，中国电力，保会主编。