CN101719688B - 基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法 - Google Patents

基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法 Download PDF

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Abstract

基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法，电压幅值判据、电流幅值判据以及功率方向变化判据三者构成，以功率从变电站内部流向外电网即功率反向作为外电源故障检测的主判据；以母线电压低于“低压设定值”作为灵敏度调节辅助判据；以进线电流大于设定值作为防止误判辅助判据；功率方向的变化特征如下：功率方向的变化最终反映为电压和电流之间相位关系的变化：当进线发生短路故障时，某二相间电压与相对应的电流夹角在90～270度之间，从而构成判据，形成一个有效可靠的起动方法，能够在第一时间准确识别出电源侧发生的故障，从而快速起动电源切换。

Description

基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法
技术领域
本发明涉及一种工业企业电源快速切换装置的起动方法，主要适用于石化、钢铁、冶金、煤炭等工业企业的中高压变电所，可以在工作电源发生故障情况下快速起动切换，将备用电源投入。
背景技术
工业企业变电站一般采用双电源供电模式以提高供电可靠性。根据运行方式的不同，备用电源分为热备用和冷备用。当工作电源发生各种影响到生产负荷正常运行的异常或故障后，必须快速地将备用电源投入，以保证生产的正常进行。目前通常使用备自投装置来实现工作电源和备用电源之间的切换，但由于备自投装置自身的特点导致备用电源投入需要若干秒，此时工作母线电压已经降至20％以下，即使备用电源投入，生产负荷也会因工作电压太低而跳机，大量电机的再启动基本已无法实现。更有一些工业企业索性将备自投退出运行。
针对上述情况，基于发电厂厂用电源快速切换装置(以下简称装置)的成熟经验，结合工业企业变电站的特点，开发出专门用于该领域的工业企业电源快速切换装置，利用快速及同期捕捉原理可以在几百毫秒内，最快100ms左右就将备用电源投入，使工作母线电压保持在70％以上，确保生产负荷的连续运行。随着在石化、钢铁等企业的顺利实施和成功应用，极大地降低了企业因故障等计划外停电造成的损失，取得了良好的社会效益和经济效益，得到用户的充分肯定。装置之所以能够在很短的时间内完成电源的切换，快速及同期捕捉的实现方式固然重要，同样重要的就是要能够在故障发生后尽快地起动切换逻辑。在发电厂厂用电源快速切换装置中，主要由接入到装置的外部保护动作信号来起动切换，但在工企变电站，由于管辖范围、距离等种种原因，外部保护的动作信号经常无法接入到装置，所以迫切需要装置自身来判断工作电源故障起动切换。
发明内容
本发明的目的是，提出一种工业企业电源快速切换的起动方法，通过切换装置自身采集的相关信息，由切换装置自身准确判断出电源侧发生的故障，快速起动切换，将备用电源投入，以解决在工企变电站经常遇到的电源侧故障无法快速识别的问题。
本发明的技术方案是：基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法，由电压幅值判据、电流幅值判据以及功率方向变化判据三者构成，以功率从变电站内部流向外电网(即功率反向)作为外电源故障检测的主判据；以母线电压低于“低压设定值”作为灵敏度调节辅助判据；以进线电流大于设定值作为防止误判辅助判据；
功率方向的变化特征如下：功率方向的变化最终反映为电压和电流之间相位关系的变化：当进线发生短路故障时，某二相间电压与相对应的电流夹角在90～270度之间，即若满足下列三式中任一式条件，则表示外部电源发生短路故障，其中，Ia、Ib、Ic表示A、B、C三相相对应的进线电流；Uab、Ubc、Uca表示母线的三个相间电压：
1)
Figure G200910264318XD00021
且Uab或Uca小于“低电压设定值”、Ia大于门槛值；
2)
Figure G200910264318XD00022
且Uab或Ubc小于“低电压设定值”、Ib大于门槛值；
或3)
Figure G200910264318XD00023
且Uca或Ubc小于“低电压设定值”、Ic大于门槛值。
本发明所述基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法的检测方法是：利用装置采集到的工作母线电压及进线开关处的电流来计算该开关处的有功功率方向。然后根据该方向的变化以及电压电流幅值的变化来确定工作电源是否发生故障。
本发明的有益效果是：本发明利用变电站母线电压、电流以及功率方向的特征判据就可以判断外部电源是否故障，主要有如下特点。
Figure G200910264318XD00024
本发明判据的主要部分基于功率方向变化规律，灵敏度高，物理概念清晰明确。
Figure G200910264318XD00025
本发明判据自动适应系统结构变化或运行方式变化，即与系统的运行方式、电网的结构无关。
Figure G200910264318XD00026
本发明判据动作灵敏度可以调节，调节方法简单明确，实用性强。
Figure G200910264318XD00027
本发明判据的电流门槛可以有效地防止变电站空载运行时逻辑出现误判断的可能。
本发明由切换装置自身准确判断出电源侧发生的故障，快速起动切换，将备用电源投入，以解决在工企变电站经常遇到的电源侧故障无法快速识别的问题，本发明方法简单、明确、灵敏，能够自动适应系统的各种运行方式和系统结构的变化。最终的判据可以非常容易地集成到备用电源自动投切装置或电源快速切换装置中。硬件和外部输入都不需要做任何改动。
附图说明
图1故障前后功率方向变化示意图
其中图1A故障前功率方向变化示意图，
图1B为故障后功率方向变化示意图
图2故障前后相间电压与电流的相位关系
图3本发明最终的判断逻辑
具体实施方式
基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法，本发明利用故障前后功率方向的变化进行判别。正常运行时，所有的电动机负荷从外部电网吸收功率，此时方向是由外电网向内电网流动。当进线电源发生短路故障时，所有的电动机短时作为一个发电机运行，该发电机在母线上形成残压并会向短路故障点输送一定的功率。从工业企业变电站角度而言，功率方向变成从内电网向外电网流动。以功率从变电站内部流向外电网(即功率反向)作为外电源故障检测的主判据。以母线电压低于“低压设定值”判据作为灵敏度调节手段。以进线电流大于设定值判据作为防止误判手段。
如图3，整个判据要不断地做如下判断：
Figure G200910264318XD00031
计算各相功率方向；
判断母线电压幅值是否低于“低电压设定值”
判断电流的幅值是否门槛值；。
当上述三个条件都满足时经过短延时起动切换逻辑。
图1所示，显示了正常运行时和进线发生故障时功率方向的变化。正常运行时，所有的电动机负荷从外部电网吸收功率，此时方向是由外电网向内电网流动。当进线电源发生短路故障时，所有的电动机短时作为一个发电机运行，该等值发电机在母线上形成残压并会向短路故障点输送一定的功率。从工业企业变电站角度而言，功率方向变成从内电网向外电网流动。
功率方向的变化最终反映为电压和电流之间相位关系的变化。进线故障前后相间电压与电流的相位关系可以用图2来表示(以BC相间电压与A相电流为例)：正常运行时，夹角
Figure G200910264318XD00034
在-90～90度之间；当进线发生短路故障时，夹角
Figure G200910264318XD00035
在90～270度之间。将上述的功率方向变化规律转化为如下数学方程。若满足下列任一方程，则表示外部电源发生短路故障。其中，Ia、Ib、Ic表示进线三相电流；Uab、Ubc、Uca表示母线三个相间电压，α以表示最大灵敏角，一般取30或45度。
图3中逻辑符号的定义：
“&”表示逻辑“与”；“+”表示逻辑“或”。当
Figure G200910264318XD00036
Uab或Uca小于“低电压设定值”，Ia大于门槛值；
或
Figure G200910264318XD00041
Uab或Ubc小于“低电压设定值”，Ib大于门槛值；
或
Figure G200910264318XD00042
Uca或Ubc小于“低电压设定值”，Ic大于门槛值时起动。
当外部电源发生短路故障时，工业企业变电站的母线相关相电压会有一定程度的减小，同时为了确保功率方向计算的准确性，最终的判据中还必须有低电压和电流幅值门槛辅助判据。最终判据如图3所示。
最终的判据中设计有“低电压设定值”接口。对于本判据而言，该设定值在实际使用中起到“灵敏度”调节作用。尽管外部电源故障时功率方向会发生变化，然而不是每次故障都会影响工业企业变电站母线电压水平。换言之，若母线电压不影响工业企业内部电动机的运行，即使外部电源故障该判据也不会进行不必要的起动。设定值越高，判据灵敏度越高；设定值越低，判据灵敏度越低。
实际运行中若变电站未带负荷，则电流几乎为零。此时电流相量与相间电压相量之间算出的夹角是不可信的。所以电流门槛还可以防止变电站空载运行时功率方向误判断。
低电压设定值”的范围是额定电压的70-90％、相电流的门槛值是0.1In；t为延时，固定为25ms。

Claims (3)

1.基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法，其特征由电压幅值判据、电流幅值判据以及功率方向变化判据三者构成，以功率从变电站内部流向外电网即功率反向作为外电源故障检测的主判据；以母线电压低于“低电压设定值”作为灵敏度调节辅助判据；以进线电流大于设定值作为防止误判辅助判据；
功率方向的变化特征如下：功率方向的变化最终反映为电压和电流之间相位关系的变化：当进线发生短路故障时，某二相间电压与相对应的电流夹角在90～270度之间，即若满足下列三式中任一式，则表示外部电源发生短路故障，其中，Ia、Ib、Ic表示A、B、C三相相对应的进线电流；Uab、Ubc、Uca表示母线的三个相间电压：
1)
Figure FSB00000564143600011
且Uab或Uca小于“低电压设定值”、Ia大于门槛值；
2)
Figure FSB00000564143600012
且Uab或Ubc小于“低电压设定值”、Ib大于门槛值；
或3)
Figure FSB00000564143600013
且Uca或Ubc小于“低电压设定值”、Ic大于门槛值；
α表示最大灵敏角，取30或45度。
2.由权利要求1所述的基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法，其特征是低电压设定值的范围是额定电压的70-90％。
3.由权利要求1所述的基于功率方向的工业企业电源快速切换装置起动方法，其特征是相电流的门槛值是额定电流的10％。
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