CN102545270A

CN102545270A - 电网系统广义同期新方法及其实施装置

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Publication number: CN102545270A
Application number: CN2012100247039A
Authority: CN
Inventors: 熊家寅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种对电网开关控制的广义同期新方法及基于该方法设计的自动控制装置，它以综合的电流定值判据计算为前提，不仅有广义的同期条件合闸功能，还有广义的严重非同期条件分闸功能；它不仅适用于发电机差频并网、线路同频并网工况，还能适用于厂用电快速切换、备用电源自动投入、自动重合闸装置、按频率自动减负荷等工况；它能同各种类型保护装置兼容配套并替代部分功能。它自身配备使用动态的PLC选线器，进一步扩展一机多用、分时复用的灵活性；它在解决当前电网系统开关的自动控制装置种类繁多、功能重复、定值设置相互不配套等方面问题具有一定的实施意义。

Description

电网系统广义同期新方法及其实施装置

技术领域

本发明属于电力系统自动控制领域。

背景技术

目前按照标准JB/T 3950-1999《自动准同期装置》设计的电网系统同期控制装置类型主要有发电机差频并网的自动准同期装置和用于线路同频并网用的自动捕捉同期装置，传统的同期与非同期条件定义是：电网中通过一个开关(俗称同期点)连接的两个有源交流网络在频差(如0-0.5Hz)、相差(如0-±5.4°)、压差(如±3％-±10％)很小允许范围内时认为两个有源交流网络是同期的，可进行并列合闸操作，否则为非同期必须闭锁装置的合闸输出。这种同期和非同期条件的算法和取值在一些教科书中也已有严格的规定，同时主要是对待合开关而言的。而在当今电力控制系统中厂用电快速切装置、备用电源自动投入装置、自动重合闸装置、按频率自动减负荷装置、各种类型的保护装置在方法以及硬件实现上无不涉及到同期和非同期的概念，但这些同期和非同期的概念在算法上与传统的同期装置已经有很大的不同，在参数设置范围等方面已经远远超出传统的同期装置的所规定的参数范围，如现在厂用电电源快速切换装置其压差在30％以上，频差在5Hz以内还要求做差频并网工作，它不仅要求有同期合闸功能，还要求有非同期跳闸功能。又如线路保护装置在已合的开关点检测线路时发现线路出现非正常的对地短路、线路本身短路或断路就必须作分闸操作，其实这种工况在同期并列合闸操作时认为是严重的非同期必须闭锁合闸输出。

从以上的分析可以看出用传统的同期和非同期定义从方法上、参数设置上、功能设置上已经不能完全支持并解释大部分自动装置有关同期与非同期在应用中遇到的所有问题。同时在复杂电网中对同一个开关为控制对象的自动装置存在种类繁多、功能重复、定值设置相互不配套、线路复杂、安全性差等居多问题。

发明内容

首先，我们姑且将仅支持发电机差频并网、线路同频并网设计的同期方法定义为狭义的同期方法，相对狭义的同期方法将能够支持所有有同期、非同期共性装置设计的同期方法定义为广义的同期方法。

本发明指在提出，对电网上所有需要自动控制的开关(或断路器)在同期合闸或非同期分闸操作上都能适用的广义的同期新方法及其相关判据。同时根据广义的同期新方法和相关判据设计出一种能够同时取代多种传统功能的通用自动装置---即广义同期装置(以下简称GTQ)。对每一个具体开关而言，由于其同期合闸与非同期分闸是分时控制的，因此GTQ可根据用户要求分时选择不同的控制模式并通过一个动态的PLC选线器选择不同的输入、输出口以达到一机多用、复用的目的，如GTQ在开关分位时选择开环同频并网模式使用，当开关合上后，可选择低周减载监控模式使用等。

广义的同期与非同期的条件是指：在一个特大的电网系统中，每一段有源线路与系统相比其频差、相差、压差在允许的范围之内，同时这段有源网络电流量在额定的范围内，我们称这段有源线路与大系统是同期的，否则就是非同期的。非同期中有一般非同期与严重的非同期之分，严重的非同期工况是指这段有源线路出现了非正常对地短路、线路本身存在短路、断路等工况。又因自动装置在测试线路时，其PT断线虽然也视同非正常情况一样处理，但就每一个具体自动装置而言严重非同期并不包括PT断线工况。

GTQ应用的一般线路模型如附图1，它是在复杂的大电网中一个由GTQ控制器及其开关和线路等组成的小网络单元等值模型。

合闸前网络M母线电压瞬时值：

网络N母线电压瞬时值：

式中：Xm、Xn分别为网路M、N等值电抗；

Im、In 分别为网路M、N等值电流；

fm、fn分别为网路M、N在线频率；

分别为网路M、N在线初相角。

网路M与网络N之间的差拍电压。

ΔU＝um+un (3)

网络M和网络N也可能是开环互不连接的独立网络，也可能是外部已经连接的闭环网络，当开关K由分到合连接后都有一个功率再分配的问题，这样开关K必有一定的冲击电流Ik通过。

合闸后网络M、N母线及开关K电流冲击值：

Ik＝ΔU÷(Xm+Xn) (4)

Imk＝Ik×[Xn÷(Xm+Xn)] (5)

Ink＝Ik×[Xm÷(Xm+Xn)] (6)

式中Ik为合闸瞬间开关K的冲击电流，Imk、Ink分别为合闸后网路M、N在线冲击电流

广义的同期条件认为，控制开关K的合、分的最终界定综合因素主要取决于Ik的定值大小，而不是单一允许的频差、相差、压差，但这个定值不是开关K本身固有定值，而是通过网络M和网络N计算后的允许定值(如用M、N网络上过流保护装置的电流定值为参考依据)，Ik在这个允许定值范围内就是开关K同期合闸的条件，反之就是非同期分闸条件。广义的非同期条件不仅是针对待合开关的适用，而且对已合开关也是适用的。

这种同期合闸条件或非同期分闸条件适用于电网上各种自动装置，这也是本发明的同期条件与传统的同期条件的根本区别，它体现了GTQ的通用性。

附图说明

附图1它是在复杂的大电网中一个由GTQ控制器及其开关和线路等组成的小网络单元等值模型：

K为待控开关；

M为一段有源母线，既可以是发电机机端母线，也可以是一段负荷母线或备用电源系统母线；

N为一另段有源母线，既可以是发电机机端母线，也可以是一段负荷母线或备用电源系统母线。

附图2为附图1等值电路图。

附图3为附图1等值相量图。

附图4为GTQ装置具体实施例硬件原理图，图中：

1为16位处理器DSP56F807主片CPU；

2为以MCU为辅片CPU控制的辅助子模块，负责通信、LCD中文显示、工况指示灯、按键管理等；

3为开关电源模块采用双5V和12V三独立输出的组件模块；

4为电压、相位及频率采样电路；

5为光电隔离驱动的输出继电器和输入控制电路；

6为卫星对时接收模块采用标准同步时标板组件；

7为两路三相电源严重非同期检测电路；

8为PLC模拟量输入、开入、开出选线器电路，PLC型号采用Fx2n-128。

附图5为MCU是GTQ装置具体实施例控制用的辅助子模块，图中：

1为MCU辅片CPU；

2为232、485通信口模块，外可接中文打印机、上位机LCD中文显示、工况指示灯、按键管理等；

3为LCD中文显示；

4工况指示灯；

5就地按键。

附图6为GTQ装置具体实施例主监控程序框图，图中：1为上电、复位；2为自检出错；3为按键复位；4为模式与参数？；5为模式与参数设置；6为信号巡检；7为硬件正常？；8为全局闭锁？；9为非同期？；10为开关位置异常？；11为合闸前去偶；12为闭锁、报警等待复位；13为无压合闸或切换启动；14为信号唯一吗？；15为计算发合、跳命令；16)合、跳成功？；17为合闸后去偶；18为显示合闸完成及频率。

附图7为GTQ装置具体实施例严重非同期与PT断线检验用的硬件电路原理图，图中：1为三相电压偶合电容；2为开口三角电压3U₀偶合变压器；3为3U_n电压偶合变压器；4为LM339双电平变换电路；5为光电隔离滤波电路；6为74LS11逻辑与电压信号综合电路；7为开口三角电压3U₀开关电平信号；8为PT断线三相不平衡3U_n开关电平信号；9为严重非同期综合信号。

具体实施方式

首先GTQ自动装置在线测试M、N网络严重的非同期和PT断线工况是通过如图7硬件的环境直接得到的，其硬件原理表达式为：

一)严重非同期条件

当PT次级取100V时，三相中有一相或两相非正常接地、三相线路中有严重短路或断路其开口三角电压：

3Um0＝uma+umb+umc＞25V或 (7)

3Un0＝una+unb+unc＞25V (8)

二)、PT断线判据

当PT次级取100V时，PT断线出现三相严重不平衡：

3Umn＝uma0+umb0+umc0＞30V或 (9)

3Unn＝una0+unb0+unc0＞30V (10)

式(7)、(8)、(9)、(10)中：

uma、umb、umc、una、unb、unc分别为M、N网络母线电压互感器次级三相相电压的瞬时值，3Um0、3Un0分别为M、N网络母线电压互感器次级开口三角电压；

uma0、umb0、umc0、una0、unb0、unc0分别为M、N网络母线电压互感器次级三相相电压通过星型连接的三电容偶合后的瞬时值，3Umn、3Unn分别为用三电容偶合三相电压后的中性点与PT次级中性线Un比较后得到3Un综合值。

当GTQ检查出M、N线路有严重非同期工况而非PT断线时，一般应发出分闸命令。

在M、N线路没有出现严重非同期的条件下，GTQ其计算步骤是：

一)、根据网络的性质先取用户给定的允许电流Ik、Imk或Ink、允许频差|fm-fn|、允许相差

允许压差|ΔU|的最大整定值代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)近似算出M、N各种性质网络的合闸后的最小电抗Xm、Xn预测值；

二)、通过适时检测的M、N网络的um、un、fm、fn、

适时值和最小电抗Xm、Xn预测值再次代入式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算出适时的在线电流Ik′、Imk′、Ink′与Ik、Imk或Ink、比较，当适时电流小于最大允许值时即可做同期合闸操作，否则为非同期工况。

本发明各种工况计算模块应用实例说明：

下面以M网络一边为例分别列出网络性质的判别方法和各种工况相应的计算模块。

一)、发电机差频并网工况性质的网络判别及其计算模块：

1、网络性质判别条件

用户要求预置参数：允许冲击电流Imk＜1.2Im(额定电流)、允许频差|fm-fn|＜0.5Hz、允许相差

允许压差|ΔU|＜10％

同时GTQ通过在线测得fm≠fn，fn＝50Hz，

由此可以判断网络M属于发电机差频准同期并网性质，网络N属于系统网络。

2、当GTQ判断K为差频并网同期开关时，由于系统是动态的其滑差大小不一样，因此同传统的同期装置一样应该将开关导前时间转换成适时的预测相角，结合在线的频差、相差、压差和最小电抗Xm、Xn预测值计算出瞬时的Im值才能判断是否合闸。

其导前相角法微分数学模型仍为：

δ_k＝Δω_sT_k+(dΔω_s÷dt)T_k ² (11)

式中δ_k-理想合闸导前角

Δω_s-系统与机组角频率之差

T_k-并列点开关合闸导前时间

二)、开环线路同频并网工况性质的网络判别及其计算模块：

1、网络性质判别条件

用户要求预置参数：允许电流Imk＜1.5Im、Ink＜1.5In允许频差|fm-fn|＜0.25Hz、允许相差

允许压差|ΔU|＜15％

同时GTQ通过在线测得

由此可以判断网络M、N属于开环线路同期并网性质。

2、当GTQ判断K为开环线路并网同期开关时，即可直接按以上预置定值与GTQ在线测试实时值比较确定是否合闸。

三)、闭环线路同频并网工况性质的网络判别及其计算模块：

1、网络性质判别条件

允许压差|ΔU|＜15％

同时GTQ通过在线测得

由此可以判断网络M、N属于闭环线路同期并网性质，这时实时测试的相角差

实质上是线路的功角。

2、当GTQ判断K为闭环线路并网同期开关时，即直接按以上预置定值与GTQ在线测试实时值比较确定是否合闸。

四)、备用电源快速切换并网工况性质的网络判别及其计算模块：

1、网络性质判别条件

用户要求预置参数：允许电流Imk＜2Im、允许频差|fm-fn|＜5Hz、允许相差

快动允许压差|ΔU|＜65％

同时GTQ在启动信号到来前通过在线测得fm＝fn＝50Hz，启动信号到来后fm≠fn、fn＝50Hz

由此可以判断网络M属于多负荷母线性质，网络N属于系统网络。

2、当GTQ判断K为快速切换待合开关，同时又收到装置以外的启动信号，即转入以下三段式计算模型：

当|ΔU|＞65％

启动快动合闸计算；

当65％＞|ΔU|＞25％，

启动差频同期计算，其数学模型参照发电机差频并网模型执行；

当25％＞|ΔU|＞0不管相位条件进行合闸操作。

五)、广义的GTQ快速切换功能完全适用于各种切换功能的备用电源自投装置，它包括：母线分段开关自投、进线开关自投、进线变压器自投。其计算数学模型可完全参照备用电源快速切换模块执行，所不同的是GTQ的合闸融入了快切计算原理，它比传统的备自投更为安全可靠，切换成功率更高。

六)、自动重合闸并网工况性质的网络判别及其计算模块

1、GTQ自动重合闸的使用方法：

自动重合闸主要用于线路保护上，现在一般为线路上远距离两点的双开关配合控制使用，当远距离的线路上出现故障时由其他的两台线路保护装置对两开关实施分闸，然后由线路一端的自动重合闸装置执行快速的无压使能合闸功能，另一台自动重合装置执行检同期的线路并网延时合闸功能，两台线路保护装置和两台自动重合闸装置前后配合使用，采用GTQ后，由于GTQ已经有非同期线路分闸保护功能，因此无需再使用其他线路保护装置。使用GTQ后，其中一台GTQ执行：线路非同期分闸或无压使能合闸。另一台GTQ执行：线路非同期分闸或检同期的线路并网延时合闸

2、GTQ检同期的线路并网延时合闸并网性质判别和合闸操作依据，除增加GTQ一个合适的启动延时参数外，其他方面同以上两种性质的线路并网其中之一参照执行。

七)、GTQ用于按频率自动减负荷工况：

GTQ在用于备用电源快速切换时，已经设置有低压减载和低频减载两种减载执行子程序，其实这两种减载方式可以复合使用更为合理，作为一个附加功能可以作为一个特殊条件的非同期分闸功能使用，也可以按单独使用模式使用。GTQ的频率检测范围0---70Hz。

八)、GTQ与各种保护装置配合使用或取代部分功能说明：

GTQ与过去传统的同期装置主要不同之处在于：它不仅可以适时判别在线开关两端网络的性质然后实施相应的合闸计算程序，同时还可以对在线的已合开关点线路进行非同期分闸，因此它能取代多种保护装置的部分功能，应该说所谓保护装置主要执行的是某开关点非同期的分闸功能，他与传统的同期装置执行的是反向操作，对于每一具体开关而言，其合、分是分时控制的，因此同一装置具有合、分两重功能是绝对可行的。

GTQ引入非同期分闸概念后，由于其同期条件和非同期条件主要定值指标是Ik，这样就能与大部分的保护装置兼容使用，也可以独立使用，它能有效地解决现在电网中各种保护装置、切换装置与同期并网装置的定值不一致、不配套甚至混乱造成的安全问题。

反过来如果大部分的微机保护装置设计中融入GTQ同期合闸模块，那也就是现在意义的GTQ装置。GTQ能够兼容或替代部分保护功能使用的保护装置主要有：各种电网电流保护装置、各种电网距离保护装置、各种电网纵联保护装置、各种电力主设备保护装置等。

总之，本发明的优点在于：它用一台装置对电网中每一个独立开关实行统一的自动的合、分两重分时控制，采用统一的允许电流Ik作为同期或非同期综合判据，从而扩大了自动装置同期合闸判别条件，这也是本GTQ装置的根本所在。根据本发明专利的方法设计的自动装置，既可以替代各种单一功能的同期合闸控制装置，同时又可以替代其他单一功能的非同期分闸控制装置，这在解决当前电网系统自动控制装置种类繁多、功能重复、定值设置相互不配套、线路过于复杂、安全系数差等问题方面有一定的实施意义。

本发明具体实施例硬件说明：

下面是以广义的同期方法原理设计的GTQ实例

一)、本GTQ的主要特点在于：选用Motorola公司的16位处理器DSP56F807为主片CPU，采用MCU为辅片CPU。主片CPU负责计算、主程序的处理，辅片CPU负责通信、LCD中文显示、按键管理、工况灯输出，它们之间用串口连接，这样有利于提高主片的使用空间、计算速度、和抗干扰能力等。DSP56F807主频为80MHz，指令速度40MIPS，大容量的嵌入式内存Flash、RAM和BOOTFlash能满足大程序、多数据储存要求。64个定时\计数器、两个异步串口局域网管理模块、16路A\D转换模块完全能满足GTQ多路PT采集的需要。

二)、本GTQ的特点还在于独特的选线功能：

由于GTQ同期装置需要满足多种控制场合同期控制的功能，但在某一个时间段，只能执行其中一种功能，同外接的选线器相似，通过选线器GTQ可以分时对应多个开关对象(同期点)进行监控。所不同的是该选线器设置在GTQ内部，用户随时可通过PLC通信口连接的上位机独立编程实现灵活的选线功能，因此该选线器是一个动态的选线器，它的工作原理是：

1、主CPU只对一个开关模型如图1的控制接入一组公共的PT，它们是：PTm和PTn

2、主CPU输出16个公共开出量，它们是：合闸、分闸m、分闸n、加速、减速、加压、减压、前加速保护、后加速保护、低压减载1、低周减载1、低周减载2、合闸成功、合闸失败告警、合闸前去偶、合闸后去偶.

3、开入量共16路，其中10个开入量分别对应一个要监控的开关对象，它们分别是K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10，这10个要监控的开关既可以是十个不同的同期点开关，还可以是同一个同期点的一个开关，只是当选线K1、K2......K10再一次选择为同一开关时，其模式、参数、外部开入\开出量与前一次已经不同而已，这样就实现了GTQ在一个开关上的分时复用功能。这样对于一个具体开关对象而言用同一装置实现合、分两重控制功能是绝对可行的。这10个开入量通过PLC编程互锁以提高选择的唯一性。另外六个开入量为公共的开入量，它们分别定义为闭锁、无压使能、合闸反馈、跳闸反馈、手动启动、自动启动。

4、GTQ投入使用前首先要对10个选线开关的参数定值和工作模式进行预置，该预置操作主要是通过GTQ控制装置面板的四个功能键复合使用进行，这四个功能键为：功能选择键、增量键、减量键、复位键。

12路开关参数定义为了编程方便起见统一定义为：

参数1.开关导前时间；

参数2.合闸允许电流倍值；

参数3.快动合闸允许频差；

参数4.同期合闸允许频差；

参数5.合闸允许相差或功角；

参数6.合闸允许压差；

参数7.跳闸延时；

参数8.启动延时。

10路开关的预置工作模式为：

模式1.发电机差频并网；

模式2.开环线路同频并网；

模式3.闭环线路同频并网；

模式4.母线M或母线N一边的备用电源快速切换；

模式5.母线M和母线N的双边快速切换(主要用于分段母线自投)；

模式6.自动重合闸；

模式7.按频率自动减负荷；

模式8.其它保护联动1(预留)；

模式9.其它保护联动2(预留)；

模式10.其它保护联动3(预留)。

本发明中动态的PLC选线器的意义还在于：

由于以上开关参数定值设置的定义是一样的，只是定值的取值范围有较大的差异，因此10个被控开关对象都可以选择设置成以上10种工作模式之一，因此就有10×10＝100组开关定值模式设置方式，但每一次只能同时设置10组开关定值及模式储存，并通过选线输入端K1、K2........K10之一选择其中一组开关定值及模式投入计算运行。这就是说当用户现场GTQ使用的需要发生变化时，可以重新定义10组开关的控制参数及模式，然后通过动态的PLC重新对主CPU的PT量、开入量、开出量独立编程重新分配。它体现GTQ在使用功能上扩展的灵活性。

5、整机工作过程：

第一步，当用户通过选线器PLC选择了10路开关其中之一后，通过编程PLC将主CPU的公共输入量PTm、PTn，选择接入该开关对应的线路中，由于该开关的工作模式、定值参数已经确定，因此其它开入量和开出量必须根据模式的不同选择使用并编程接入对应的该开关。当接线编程无误，装置即可投入监控运行。

第二步，当GTQ投入监控后，通过提取预置参数和在线测试值进行计算如发现M、N网路性质(包括开关位置)同预置模式不一致时，GTQ将进入闭锁状态，同时通过合闸失败告警出口告警通知用户，并显示超出测控范围。它体现GTQ软、硬件双重闭锁功能，进一步提高了装置使用的安全和可靠性能。

第三步，当GTQ投入监控后，发现M、N网路性质同预置模式一致时，如果是同期并网模式GTQ则立即转入同期并网子程序计算合闸，如果是其他模式则立即转入该模式的监控子程序模块进行监控，当外部驱动信号到来时才能转入该监控以后的合、分控制程序。

第四步，当GTQ进行一次合、分控制工作后，可再次选择本开关或其他开关另一个性质的分、合控制模式，同时PLC选线器将相应的输入、输出量倒入相应的开关上，然后重启GTQ执行另一个监控程序。

三)、本发明设计的特点还在于：严重的非同期与PT断线判别是用如图7硬件的设计直接得到的，图7的工作原理是：用开口三角电压3U₀＞25V判别三相线路的一相或两相非正常接地、三相中短路或断路故障，用三电容偶合得到三相电压的中性点然后与Un比较得到3U_n＞30V判断PT断线等三相电压严重不平衡，以上两信号既可以单独使用，还可以用以上两判别结果通过逻辑或门得到了总的综合严重的非同期判别信号。

Claims

1.电网系统广义同期方法及其实施装置，其特征在于：一种对电网开关控制的广义同期新方法及基于该方法设计的自动控制装置，它以综合的电流定值判据计算为前提，不仅有广义的同期条件合闸功能，还有广义的严重非同期条件分闸功能，它不仅适用于发电机差频并网、线路同频并网工况，还能适用于厂用电快速切换、备用电源自动投入、自动重合闸装置、按频率自动减负荷等工况；它能同各种类型保护装置兼容配套并替代部分功能；它自身配备使用动态的PLC选线器，进一步扩展一机多用、分时复用的灵活性。它在解决当前电网系统开关的自动控制装置种类繁多、功能重复、定值设置相互不配套等方面问题具有一定的实施意义。

2.如权利要求1所述的电网系统广义同期新方法及其实施装置，其特征在于：它以综合的允许电流定值判据算法为前提，以通用的交流电路运算表达式为基础，它同时兼顾使用允许频差、允许相差(功角)、允许压差等相关参数，并结合在线测试与开关有关的电网络适时的频差、相差、压差量，然后自动判别本开关使用的工况性质，最后进入相应的计算模块实施合、分控制操作。

3.如权利要求1所述的电网系统广义同期方法及其实施装置，其特征在于：不仅有广义的同期条件合闸功能，还有广义的严重非同期条件分闸功能，因此能与各种类型保护装置兼容配套并替代部分功能。

4.如权利要求2所述的电网系统广义同期方法及其实施装置，其特征在于：对于在复杂的大电网中一个由广义同期控制器及其开关和线路等组成的小网络单元，其控制参数统一设置为1.开关导前时间；2.合闸允许电流倍值；3.快动合闸允许频差；4.同期合闸允许频差；5.合闸允许相差或功角；6.合闸允许压差；7.跳闸延时；8、启动延时。

5.如权利要求1所述的电网系统广义同期方法及其实施装置，其特征在于：它自身配备使用动态的PLC选线器，通过用户自主编程适时转换主CPU的PT量、开入量、开出量，配合开关预置控制模式及预置参数，能达到总的开关控制选择模式100种，体现了一机多用、分时复用的灵活性。

6.如权利要求3所述的电网系统广义同期方法及其实施装置，其特征在于：电网开关点严重的非同期和PT断线组合硬件判别电路，它由三相电压电容偶合电路、开口三角电压偶合变压器电路、三相不平衡电压偶合变压器电路，LM339双电平比较变换电路、光电隔离滤波电路、74LS11逻辑电路与电压信号综合电路等组成。