基于PLC 的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)

劉文銳

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

基于熱備用線路的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)，主要是在電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)各配置一個備用電源自動投入裝置，以熱備用線路電源、負(fù)荷雙重控制的形式，避免變電站容性無功較高的問題，從而解決主變線路永久性故障的問題[1]。基于多維分析的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)，主要是利用一次主設(shè)備、二次主設(shè)備以及輔助設(shè)備相結(jié)合的形式，將典型接線區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，從而提升用戶的用電可靠性[2]。以上2 種控制技術(shù)會受到線路配置、負(fù)荷分配等多種因素的影響，經(jīng)常出現(xiàn)誤動作，影響控制效果[3]。因此，文章結(jié)合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)變電站備用電源自動投入控制技術(shù)。

1 變電站備用電源自動投入的PLC 控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 提取變電站備用電源自動投入動作特征

對于主變壓器而言，負(fù)荷主要集中在高壓側(cè)[4]。通過高壓側(cè)電壓變化情況，判斷備用電源母線電壓的有壓或失壓狀態(tài)。為防止備自投的誤動作問題，增加自動判別條件，公式為

式中：Ua、Ub、Uc為母線線電壓；Uy為有壓定值；Us為無壓定值。當(dāng)母線線電壓平均值大于或等于Uy時，工作電源為有壓工作狀態(tài)；當(dāng)母線線電壓平均值小于等于Us時，工作電源為無壓工作狀態(tài)，無法正常運(yùn)行[5]。在失壓狀態(tài)下，變電站線路以1 主供帶雙臺主變運(yùn)行，備用電源在主供線路故障或無故障跳開之后，采用備用電源恢復(fù)供電。在低壓側(cè)空載狀態(tài)時，變壓器帶負(fù)荷合閘動作的電路特征為

式中：Uk為低壓側(cè)空載狀態(tài)的負(fù)荷合閘動作電壓特征；Um為空載電壓；ω為電壓角速度；t為合閘時間；α為合閘瞬間電壓相位角。變壓器空載合閘的磁通變化特征如圖1 所示。

圖1 變壓器空載合閘磁通變化特征示意

由圖1可知，在α=90°時，磁通表示為φmcosωt-φm，最大磁通能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài)的2 倍。將磁通衰減到一個更小的值，就能通過涌流衰減控制電源電流，從而實(shí)現(xiàn)備自投電流控制的目標(biāo)。

1.2 基于PLC 控制備用電源自動投入熱穩(wěn)定狀態(tài)

根據(jù)變電站備用電源潮流轉(zhuǎn)移量，預(yù)先切除電源部分負(fù)荷，并利用PLC 預(yù)留控制裕度，防止過切負(fù)荷的問題。選用PLC 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）作為控制中樞，按照可編程邏輯控制程序，檢查變電站備用電源的運(yùn)行情況，并利用輸入輸出（Input/Output，I/O）輸入定時控制的自動投入狀態(tài)。將變電站備用電源自動投入使用的現(xiàn)場狀態(tài)與數(shù)據(jù)存儲在I/O 映象區(qū)，并從邏輯控制存儲中心讀取備用電源的投入狀態(tài)。在I/O 映象區(qū)輸入PLC 控制投入動作指令，將控制后的投入動作與電源輸出狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)I/O 中，以循環(huán)的形式進(jìn)行自投控制，直至完成變電站復(fù)電。PLC 組態(tài)配置如表1 所示。

表1 PLC 組態(tài)配置表

表1 中，PLC 進(jìn)行備自投控制工作的過程中，分成備用電源動作狀態(tài)識別、判斷階段；執(zhí)行備自投控制動作階段；輸出鎖存電路，完成備自投控制階段。為防止備用電源容量不足，導(dǎo)致元件過載的問題，根據(jù)潮流轉(zhuǎn)移量，確定合閘動作的預(yù)切負(fù)荷，公式為

式中：Px為合閘動作控制狀態(tài)下，需要切除的負(fù)荷；P-2S為備自投控制前2 s 時，高壓側(cè)的進(jìn)線功率；Py為備自投控制的允許最大運(yùn)行功率。備自投控制合閘動作完成之后，將合閘動作的實(shí)時功率輸入PLC 的I/O 映象區(qū)中，在其中分析計(jì)算過載狀態(tài)的預(yù)切負(fù)荷，公式為

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)以110 kV 變電站為仿真模型。其具有2 臺主變壓器，容量均為50 000 kVA。變電站設(shè)備電壓等級分為110 kV 和10kV，可以滿足備用電源自動投入需求。變電站的一次接線仿真模型如圖2 所示。

圖2 變電站的一次接線仿真模型

由圖2 可知，185、186、182、181、581、582 均為斷路器；548、549 為電源出線程序。當(dāng)110 kV 線路或1#變跳閘時，110 kVA 母線失壓，變電站啟用備用電源。而548、549 隨著110 kV 線路跳閘失去電源，母線電壓無法達(dá)到自投裝置啟動值。在分步切投的控制模式下，模擬主變正常投入的情況，以主變充電再投入負(fù)荷的形式完成自動投入。主變在短時間內(nèi)承受多次沖擊，沖擊大小與負(fù)荷投入時序有關(guān)。實(shí)驗(yàn)將備自投控制的穩(wěn)態(tài)時序設(shè)定為M與N這2 種。其中：M為變壓器備用電源在充電后的300 ms 合閘主變中壓側(cè)，再經(jīng)300 ms 合閘低壓側(cè)時，第二次合閘沖擊達(dá)到的穩(wěn)態(tài)時序值；N為在充電后的300 ms 合閘主變中壓側(cè)，再經(jīng)300 ms 合閘低壓側(cè)在充電后的1 s 合閘主變中壓側(cè)，再經(jīng)300 ms 合閘低壓側(cè)時，第二次合閘沖擊達(dá)到的穩(wěn)態(tài)時序值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在其他條件均一致的情況下，將文獻(xiàn)[1]基于熱備用線路的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)的時序即電流涌流峰值變化情況、文獻(xiàn)[2]基于多維分析的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)的時序即電流涌流峰值變化情況以及文章設(shè)計(jì)的基于PLC 的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)的時序即電流涌流峰值變化情況進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 時序即電流涌流峰值變化情況對比 單位：s

表2 中：TR_A 為跳主供線動作；TR_B 為跳主變中低壓側(cè)投入動作；TR_C 為合備供線動作；TR_D 為合主變中壓側(cè)動作；TR_E 為合主變低壓側(cè)動作；TR_F 為備投成功動作；TR_G 為第一次沖擊電流峰值；TR_H 為第二次沖擊電流峰值。

在其他條件一致的情況下，采用文獻(xiàn)[1]基于熱備用線路的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)后，穩(wěn)態(tài)時序1 沖擊電流峰值在直接合閘的11.62 s 達(dá)到最大值；穩(wěn)態(tài)時序2 沖擊電流峰值在直接合閘的12.63 s 達(dá)到最大值，衰減時間較長，影響自動投入控制效果。使用文獻(xiàn)[2]基于多維分析的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)后，穩(wěn)態(tài)時序1 沖擊電流峰值是在直接合閘的6.24 s 達(dá)到最大值；穩(wěn)態(tài)時序2 在直接合閘的7.16 s 達(dá)到最大值。使用文章設(shè)計(jì)的基于PLC的變電站備用電源自動投入控制技術(shù)之后，穩(wěn)態(tài)時序1 沖擊電流峰值是在直接合閘的4.15 s 達(dá)到最大值；穩(wěn)態(tài)時序2 在直接合閘的5.01 s 達(dá)到最大值，衰減時間較慢，可以滿足穩(wěn)態(tài)時序與電流投入控制需求，

3 結(jié) 論

近年來，我國電能需求持續(xù)增加，供電可靠性與電能質(zhì)量對于人們的生產(chǎn)生活造成較大的影響。電力系統(tǒng)的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，受到的不確定性因素較多，更容易發(fā)生大規(guī)模的停電事故。備用電源是變電站保持穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，其自動投入裝置能夠預(yù)先設(shè)定備用電源投入模式，更加快速地恢復(fù)供電。利用PLC，設(shè)計(jì)變電站備用電源自動投入控制技術(shù)，將備用電源自投動作控制得更加精準(zhǔn)，為變電站的穩(wěn)定使用提供保障。