CN100365912C - 中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置的控制方法 - Google Patents

中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置是一种备用电源自动投入装置，实现故障隔离和供电恢复的功能，该装置中心处理器(3)通过输入光电耦合器(2)与外部开关量输入相接，中心处理器(3)与RS485转换电路(1)相接，通过地址总线和数据总线分别与存储器(4)、可编程逻辑控制器(5)、A/D转换电路(10)相接，可编程逻辑控制器(5)的输出端分别与显示器(8)、键盘(9)相接，可编程逻辑控制器(5)的输出端还通过输出光电耦合器(6)接继电器出口(7)；交流输入电路(12)的输出端接滤波及运放电路(11)的输入端，滤波及运放电路(11)的输出端接接A/D转换电路(10)的输入端，A/D转换电路(10)还分别与地址总线和数据总线相接。

Description

中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置的控制方法
技术领域
本发明是一种备用电源自动投入装置，实现故障隔离和供电恢复的功能，特别针对中低压厂用母线分两段以上的场合设计开发出的备用电源自动投入装置，属于电力系统设备制造的技术领域。
背景技术
备用电源自动投入装置广泛应用在电力系统中各电压等级的不同接线方式的场合。典型的应用场合是两条进线、两台变压器分裂运行或一运行一备用，因此常规的备用电源自动投入装置设计成满足单母线或单母线分段(分两段母线)。
厂用电(发电厂、大中型工矿企业等)中低压母线的设计要求如下：
1.发电厂10KV或6KV母线一般按炉分段，由于对备用电源投入速度要求很高，不会配置常规的备用电源自动投入装置，而是采用厂用电快速切换装置。
2.发电厂400V母线分两段或两段以上，如果采用常规的备用电源自动投入装置，需要配置多台，而且多台装置之间也不好配合。
3.考虑到重要负荷(电动机，低厂变等)要求挂在不同的母线分段上，故障后相互间不影响，大中型工矿企业的中低压厂用母线往往分三段以上，每段母线之间装设联络断路器，如果采用常规的备用电源自动投入装置，需要配置多台，而且多台装置之间也不好配合。
因此需要一种针对厂用电中低压母线多分段特点的备用电源自动投入装置。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置的控制方法，解决目前中低压多分段厂用母线采用备用电源自动投入装置产生的配置装置过多，装置相互间不好配合的问题；达到通过一台备用电源自动投入装置实现中低压多分段厂用母线的备用电源自动投入功能的目的。
技术方案：中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置以中心处理器为中心，中心处理器通过输入光电耦合器与外部开关量输入相接，中心处理器与RS485转换电路相接，通过地址总线和数据总线分别与存储器、可编程逻辑控制器、A/D转换电路相接，可编程逻辑控制器的输出端分别与显示器、键盘相接，可编程逻辑控制器的输出端还通过输出光电耦合器接继电器出口；交流输入电路的输出端接滤波及运放电路的输入端，滤波及运放电路的输出端接接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路还分别与地址总线和数据总线相接。
在具体连接方式上，以中心处理器为中心，中心处理器中的CPU芯片“U1”的“TPUC0～TPUC10”端分别与输入光电耦合器中的11个光电耦合电路“U5”的“TPUC0～TPUC10”端相连，11个光电耦合电路“U5”的“KI0～KI10”端与外部开关量输入相接，由中心处理器来处理开关量输入信号；中心处理器中的CPU芯片“U1”通过同步串行接口“SPI”即“MOSI、MISO、SCK”端与SPI/UART转换器“U8”的“MOSI、MISO、SCK”端相连，SPI/UART转换器“U8”的“TX、RX、RST/”端对应连到RS485转换器“U9”的“DI、RO、RE/”端，实现与外部进行通讯的功能；滤波及运放电路的输入端“AI11～AII8”接模拟量输入即交流输入电路的输出端，滤波及运放电路的输出端“AI1～AI8”与A/D转换电路中的两片转换电路“U2”的“CHIA～CH4B”端相连，两片转换电路“U2”的输出端与中心处理器中的CPU芯片“U1”的数据总线连接，由中心处理器来处理交流量的采样值；中心处理器的数据总线和地址总线分别与存储器(4)中的存储芯片“U10、U11”对应的端口相连；可编程逻辑控制器中的CPLD芯片“U3”的“/RD、/WR、/LCDRST、/LCDCS”端与显示器相连，CPLD芯片“U3”的“/KBCS”端与键盘“/KBCS”相连，显示器、键盘的数据总线与中心处理器中的CPU芯片“U1”的数据总线相连；可编程逻辑控制器中的CPLD芯片“U3”的“DO0～DO10”端分别与输出光电耦合器中的11个输出光电耦合电路“U4”的“DO0～DO10”端连接，输出光电耦合电路“U4”的“D0～D10”端最后和继电器出口连接。
其控制方法是装置上电以后，在初始化程序中对软硬件资源进行初始化定义，在主控制中，进行硬件自检、人机界面显示和键盘操作、串行通讯口通讯；主控制按照固定的采样周期接收采样中断进入采样控制，在采样控制中进行交流量采集和开关量采集，备用电源自动投入控制方法为：
1.)根据采样控制中计算得到的交流量和开关量，判断充电是否完毕，
2.)充电完毕，判断工作电源是否失电，
3.)工作电源失电，跳开工作电源的开关，等待工作电源开关完全跳开以后，再去合上备用电源的开关，等待备用电源开关完全合上以后，结束备用电源自动投入程序，返回主控制；如果工作电源开关没有跳开或者备用电源开关没有合上，同样结束备用电源自动投入控制，返回主控制。
本发明的设计思路是：中低压厂用母线分多段的场合，故障母线除了能和相邻的母线之间实现备用电源自动投入功能外，还要能实现由于某些原因相邻母线的备用电源退出运行时和相隔母线之间的备用电源自动投入功能。从厂用电的规划设计来看，厂用母线一般分2～6段；同时，受硬件成本和结构尺寸的制约，装置的硬件资源也是有限制的。装置的硬件资源按照厂用母线分6段的最大化设计，软件自动识别各条母线的运行状况，以确定哪些母线参加备用电源自动投入功能。例如：
1.当厂用母线分两段时，装置采集两组交流量，每组交流量有5个，分别是每段母线的三相电压、每台变压器(或每条进线)的进线电压和进线电流，这些交流量能够反映母线的运行情况；同时采集三路断路器的开关位置辅助接点，每路开关的位置接点有两对，分别是合位信号和跳位信号，这些信号能够反映断路器的分合状态(断路器合，合位信号为1，跳位信号为0；断路器分，跳位信号为1，合位信号为0)；还需要提供6对跳合闸输出接点接到三路断路器的跳合闸回路里，装置通过驱动这些输出接点能够控制断路器的分合状态。当某段母线故障时，通过计算采集到的反映母线运行特征的交流量，装置能够迅速判断出是哪条母线发生了故障，然后驱动跳闸输出接点，控制故障母线对应的断路器跳开，通过判断此断路器的跳位信号0→1确认此断路器已跳开，隔离故障，再控制备用母线对应的断路器合上，通过判断此断路器的合位信号0→1确认此断路器已合上，供电恢复。
2.当厂用母线分三段时，装置采集的交流量增加一组，采集的断路器开关位置辅助接点增加两路共4对，对应的跳合闸输出接点增加4对，不需要额外增加装置或扩充硬件资源。当某段母线故障时，装置跳开故障母线，合上相邻的备用母线，恢复供电；另外，当相邻的备用母线由于备用电源有故障在检修因此退出运行时，可以合上相隔的备用母线，恢复供电。
考虑到低压厂用母线在设计时节省成本，没有配置电压互感器，母线电压400V直接进装置，因此装置的交流电压采集电路要设计支持最大到400V。
有益效果：在中低压厂用母线分多段的场合，故障母线除了能和相邻的母线之间实现备用电源自动投入功能外，还能实现由于某些原因相邻母线的备用电源退出运行时和相隔母线之间的备用电源自动投入功能。
硬件资源按照厂用母线分6段的最大化设计，软件自动识别各条母线的运行状况，以确定哪些母线参加备用电源自动投入功能。
1.10KV或6KV母线都会配置电压互感器，把母线电压变换成100V接进装置；而400V母线一般不配电压互感器，400V母线电压直接接进装置。本设计电压输入最大支持400V，既满足了400V模式，也兼容了100V模式，通用性强。
2.所有的工作方式都支持工作电源和备用电源的双向切换，即工作电源故障失电后自动切换到备用电源，此时备用电源升为工作电源，故障的工作电源经检修恢复供电后降为备用电源，下次故障时，工作电源再自动切换到备用电源。
3.常规的备用电源自动投入装置要根据不同的系统接线方式人工的来切换装置的工作方式，维护很不方便。本发明能够自动跟踪系统接线方式的变化，智能切换投入运行的工作方式，装置投入运行后无需人工干预。
附图说明
图1是装置的电路框图。
图2是CPU和CPLD的电路原理图。
图3是交流量采集模块的电路原理图。
图4是通讯模块和开关量输入输出模块的电路原理图。
图5是键盘操作模块的电路原理图。
图6是FLASH和SRAM的电路原理图。
图7是装置的控制流程图。
图8是6KV厂用母线(分三段)的电气接线示意图。
图9是装置的接线原理图。
图10是1#、2#变压器之间备用电源自动投入的逻辑框图。
图11是1#、3#变压器之间备用电源自动投入的逻辑框图。
图12是2#、3#变压器之间备用电源自动投入的逻辑框图一。
图13是2#、3#变压器之间备用电源自动投入的逻辑框图二。
以上的图中有：RS485转换器1、输入光电耦合器2、中心处理器(CPU)3、存储器4、可编程逻辑控制器(CPLD)5、输出光电耦合器6、继电器出口7、显示器8、键盘9、A/D转换电路10、滤波及运放电路11、交流输入电路12。
具体实施方式
本发明的硬件实现如图1所示，包括中心处理器(CPU)、可编程逻辑控制器(CPLD)、存储芯片FLASH、SRAM、RS485通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块、交流量采集模块、键盘操作模块。
该装置以中心处理器3为中心，中心处理器3通过输入光电耦合器2与外部开关量输入相接，中心处理器3与RS485转换电路1相接，通过地址总线和数据总线分别与存储器4、可编程逻辑控制器5、A/D转换电路10相接，可编程逻辑控制器5的输出端分别与显示器8、键盘9相接，可编程逻辑控制器5的输出端还通过输出光电耦合器6接继电器出口7；交流输入电路12的输出端接滤波及运放电路11的输入端，滤波及运放电路11的输出端接接A/D转换电路10的输入端，A/D转换电路10还分别与地址总线和数据总线相接。
以中心处理器3为中心，中心处理器3中的CPU芯片“U1”的“TPUC0～TPUC10”端分别与输入光电耦合器2中的11个光电耦合电路“U5”的“TPUC0～TPUC10”端相连，11个光电耦合电路“U5”的“KI0～K110”端与外部开关量输入相接，由中心处理器3来处理开关量输入信号；中心处理器3中的CPU芯片“U1”通过同步串行接口“SPI”即“MOSI、MISO、SCK”端与SPI/UART转换器“U8”的“MOSI、MISO、SCK”端相连，SPI/UART转换器“U8”的“TX、RX、RST/”端对应连到RS485转换器“U9”的“DI、RO、RE/”端，实现与外部进行通讯的功能；滤波及运放电路11的输入端“AII1～AII8”接模拟量输入即交流输入电路12的输出端，滤波及运放电路11的输出端“AI1～AI8”与A/D转换电路10中的两片转换电路“U2”的“CHIA～CH4B”端相连，两片转换电路“U2”的输出端与中心处理器3中的CPU芯片“U1”的数据总线DB BUS连接，由中心处理器3来处理交流量的采样值；中心处理器3的数据总线DB BUS和地址总线ADDRESS BUS分别与存储器4中的存储芯片“U10、U11”对应的端口相连；可编程逻辑控制器5中的CPLD芯片“U3”的“/RD、/WR、/LCDRST、/LCDCS”端与显示器8相连，CPLD芯片“U3”的“/KBCS”端与键盘9“/KBCS”相连，显示器8、键盘9的数据总线DB BUS与中心处理器3中的CPU芯片“U1”的数据总线DB BUS相连；可编程逻辑控制器5中的CPLD芯片“U3”的“DO0～DO10”端分别与输出光电耦合器6中的11个输出光电耦合电路“U4”的“DO0～DO10”端连接，输出光电耦合电路“U4”的“D0～D10”端最后和继电器出口7连接。
各个模块的工作原理如下：
1.32位的CPU，寻址空间达16M字节，具有较高的执行速度和较强的功能，进行保护逻辑运算，同时完成事件记录、故障录波。
2.CPLD用来进行逻辑控制。
3.FLASH用来存放装置运行的程序以及保护定值和保护事件。
4.SRAM作为时钟芯片以及存放遥信事件。
5.交流量采集模块。电压、电流等交流量首先经过互感器变换成小电压信号，然后经过放大器，进入A/D转换器转换后，进入CPU。
6.开关量输入模块。开入量经过光电隔离，进入CPU，再由CPU处理开入量状态。
7.开关量输出模块。CPU发出命令，由CPLD进行逻辑控制来输入开出量，再经过光电隔离转变成+24V信号输出。
8.键盘操作模块。按键闭合信号通过总线缓冲器后和CPU的数据总线相连，由CPU来处理信号。
9.RS485通讯模块。CPU的同步串行接口(SPI)经过SPI/UART转换器后，再经过RS485转换器与外部进行通讯。
图2～图6是主要的电路原理图，主要的电路器件型号如下：
元件代号  功能名称 具体型号
U1  中心处理器(CPU) MC68332ACFC16(132)
U2  AD转换器 MAX125
U3  可编程逻辑控制器(CPLD) XC95108
U4，U5  光电耦合电路 TLP521
U6  八总线缓冲器 74HC540
U7  八总线收发器(三态) SN74AHC245
U8  SPI/UART转换器 MAX3100CEE
U9  RS485转换器 MAX485
U10  FLASH存储芯片 AM29F400BT
U11  SRAM存储芯片 IS61C1024L
本发明的控制实现如图7所示，装置上电以后，在初始化程序中对软硬件资源进行初始化定义。在主程序中，进行硬件自检、人机界面显示和键盘操作、串行通讯口通讯。主控制按照固定的采样周期接收采样中断进入采样控制，在采样控制中进行交流量采集和开关量采集。虚线框里是备用电源自动投入控制方法：
1.根据采样控制中计算得到的交流量和开关量，判断充电是否完毕。
2.充电完毕，判断工作电源是否失电。
3.工作电源失电，跳开工作电源的开关，等待工作电源开关完全跳开以后，再去合上备用电源的开关，等待备用电源开关完全合上以后，结束备用电源自动投入程序(备用电源自动投入成功)，返回主控制；如果工作电源开关没有跳开或者备用电源开关没有合上，同样结束备用电源自动投入控制(备用电源自动投入失败)，返回主控制。
假设厂用母线分三段，如图8所示，装置对外接线具备如下特征：
1.交流量连接三段母线电压(Ua1、Ub1、Uc1、Ua2、Ub2、Uc2、Ua3、Ub3、Uc3)、三
条进线的进线电压(UL1、UL2、UL3)和进线电流(IL1、IL2、IL3)。
2.开关量输入连接5个断路器的开关位置辅助接点。
3.开关量输出连接5个断路器的操作回路。
如图9所示，三段母线电压Ua1、Ub1、Uc1、Ua2、Ub2、Uc2、Ua3、Ub3、Uc3分别接到装置的XDL-1、XDR-1、XDL2、XDR-2、XDL-3、XDR-3、XDL-4、XDR-4、XDL-5、XDR-5、XDL-6、XDR-6端子上。三条进线的进线电压UL1、UL2、UL3分别接到装置的XDL-7、XDR-7、XDL-8、XDR-8、XDL-9、XDR-9端子上。三条进线的进线电流IL1、IL2、IL3分别接到装置的XDL-10、XDR-10、XDL-11、XDR-11、XDL-12、XDR-12端子上。1DL～5DL的开关位置辅助接点(开关的合位信号和跳位信号)分别接到装置的XA2-7、XA2-8、XA2-9、XA2-10、XA2-11、XA2-12、XC2-11、XC2-12、XC2-13、XC2-14端子上。跳、合闸输出端子XC1-1、XC1-2、XC1-3、XC1-4、XC1-5、XC1-6、XC1-7、XC1-8、XC1-9、XC1-10、XC1-11、XC1-12、XC1-13、XC1-14、XC1-15、XC1-16、XC2-1、XC2-2、XC2-3、XC2-4分别接到1DL～5DL的操作回路的跳、合闸回路里。RS485通讯电缆分别接到XB-1、XB-2、XB-3、XB-4端子上。
如图10所示，1#变压器和2#变压器分裂运行，并且此时5DL分，1#变压器和2#变压器之间实现备用电源自动投入功能。
如图11所示，1#变压器和3#变压器分裂运行，并且此时4DL分，1#变压器和3#变压器之间实现备用电源自动投入功能。
如图12所示，2#变压器(带I段和II段母线)和3#变压器(带III段母线)分裂运行，并且此时4DL合、5DL分，2#变压器和3#变压器之间实现备用电源自动投入功能。
如图13所示，2#变压器(带II段母线)和3#变压器(带I段和III段母线)分裂运行，并且此时4DL分、5DL合，2#变压器和3#变压器之间实现备用电源自动投入功能。

Claims (1)

1.一种中低压多分段厂用母线备用电源自动投入装置的控制方法，其特征是装置上电以后，在初始化程序中对软硬件资源进行初始化定义，在主控制中，进行硬件自检、人机界面显示和键盘操作、串行通讯口通讯；主控制按照固定的采样周期接收采样中断进入采样控制，在采样控制中进行交流量采集和开关量采集，备用电源自动投入控制方法为：
1.)根据采样控制中计算得到的交流量和开关量，判断备用电源充电是否完毕，
2.)充电完毕，判断工作电源是否失电，
3.)工作电源失电，跳开工作电源的开关，等待工作电源开关完全跳开以后，再去合上备用电源的开关，等待备用电源开关完全合上以后，结束备用电源自动投入程序，返回主控制；如果工作电源开关没有跳开或者备用电源开关没有合上，同样结束备用电源自动投入控制，返回主控制。
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