一种工业企业厂用电系统无扰动稳定切换方法

摘要

本发明提供一种工业企业厂用电系统无扰动稳定切换方法，通过包括CPU模件的无扰动稳定控制装置控制厂用电系统主馈线、备用馈线、母联三者之间切换，将负荷切换到备用线路上，包括以下步骤，识别运行方式、启动起动方式、选择切换方式、依照切换动作过程和实现方式判断；本发明的有益效果是能够避免在电源切换时造成运行电压中断或设备冲击损坏，简化电源切换操作并减少误操作，以保证用电设备不断电连续运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用电系统切换方法，特别涉及一种工业企业厂用电系统无扰动稳定切换方法。

背景技术

电网中安装有大量的用电设备，由于电网庞大，受自然环境影响较大，设备多，故障的概率较高，易出现供电短时间中断现象，由于化工钢铁企业中压一般为不接地系统，但是由于系统大，系统电容电流大，虽然安装消弧线圈，往往发生单相接地后，迅速发展为多相短路，母线电压将迅速波动；同时由于生产工艺的需要，往往装有大容量的整流变压器，系统中有大量的谐波，对继电保护装置、自动控制设备造成干扰，设备故障率增加，从而造成供电系统异常波动；400V保护往往是热耦、熔断器保护，故障切除时间长(一般200mS以上)；系统有大量成组自启动电机存在时，往往启动电流特别大(有时可能引起保护误动作)，存在母线电压波动大、时间长；对于部分大型企业为保证供电可靠性，中压系统为并列运行，系统中任何设备故障都会引起电源波动，设备越多出现电压波动的概率越高。

以上多种原因造成的系统电压出现较大波动时，极容易造成母线段上部分设备异常停车，以至于导致工艺流程出现异常，甚至流程终止，造成生产紊乱。对系统中的电动机而言，当电压下降至70％以下时，其出力将下降至50％以下，将影响工艺流程的正常进行，许多设备都装有0.5S的低电压保护，当系统出现异常时，即使系统备自投准确动作(母线失压延时往往大于过流时间，即切换时间大于0.5S，更大于交流接触器失电脱扣时间)，也就是即使切换成功，0.5S的低电压保护也已经动作了，同时系统有大量成组自启动电机时，往往自启动电流特别大(有时可能引起保护误动作)，存在母线电压波动大、时间长。如：易造成同步电机失步、失磁、低电压动作而退出运行，此时备用电源只能作为保安电源了，生产工艺流程将出现中断，存在生产安全的极大隐患。

对于中小化工企业而言由于没有大量的高压电机，当系统中出现电压波动时，母线的残压衰减特别快，即系统对电压波动的抵御能力差，同时由于400V开关柜中大部分采用交流接触器，交流接触器的特性为：返回电压30％～70％，在60-80mS内交流接触器就断开，各种原因引起的电压波动，极易造成交流接触器非正常分开，生产工艺流程将出现中断。

对系统中的同步电动机而言，由于励磁电源往往来自同一电源，当电源发生波动时极易出现失磁保护动作；电源电压波动时，极易造成同步电机失步，导致同步电机退出运行；另外当电源出现较长时间波动时，低电压保护将动作，导致同步电机退出运行。同步电机等重要电机退出运行，将造成生产安全的极大隐患，甚至导致严重生产安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据厂用电系统的状态，解决供电线路故障时以最快的速度把负荷切换到备用线路上的无扰动稳定切换方法。

为实现本发明的目的，本发明提供一种工业企业厂用电系统无扰动稳定切换方法，通过包括CPU模件、电源模件、开关量模件、交流量模件、直流模件、出口模件、信号模件和管理模件的无扰动稳定控制装置控制厂用电系统主馈线、备用馈线、母联三者之间切换，将负荷切换到备用线路上，包括以下切换步骤，

CPU模件检测厂用电系统中的断路器开关状态，自动识别厂用电系统是运行于双馈线方式或是双馈线加母联方式；

CPU模件检测到起动逻辑信号后，启动正常切换、事故切换或非正常切换起动方式；

在正常切换起动方式下，进行正常并联切换、正常同时切换或正常串联切换的切换方式选择，在事故切换启动方式下，进行事故非正常同时切换或事故非正常串联切换的切换方式选择，在非正常切换起动方式下，进行非正常串联切换方式；

依照切换动作过程状态，在正常并联切换方式下通过快速切换的实现方式进行切换，在正常同时切换、正常串联切换、事故串联切换、事故同时切换或非正常串联切换方式下进行主馈线、备用馈线之间不同速度的快速、同相、残压或长延时切换的实现方式进行切换。

所述起动方式在正常切换情况下为人工切换信号，使主馈线、备用馈线、母联之间的人工切换；在事故切换、非正常切换情况下通过主馈线或备用馈线的上一级主保护接点、母联失电或开关误跳信号，使主馈线和备用馈线之间的自动切换；非正常切换的起动方式又分为低压和偷跳起动方式。

正常并联切换方式又分为正常并联自动切换方式和正常并联半自动切换方式。

事故切换时启动合闸的对象分支后进行加速保护。

各种切换是指从主馈线向备用馈线切换，或者从备用馈线向主馈线切换。

进一步还包括闭锁、报警、测量显示、事故记录、录波、打印和通信步骤。

所述正常切换起动方式是在系统正常工作时，人工切换主馈线与备用馈线开关后，从主馈线和备用馈线之间双向进行正常并联切换、正常同时切换或正常串联切换的切换方式选择；所述事故切换是在主馈线或备用馈线的上一级主保护接点启动后，从主馈线和备用馈线之间双向进行事故串联切换或事故同时切换的切换方式选择；所述非正常切换是在低压起动或开关偷跳起动后，自启动无扰动稳定控制装置，实现主馈线和备用馈线之间双向切换；

在选择正常并联切换方式时，由人工起动，若并联切换条件满足时还可进行并联自动切换方式或并联半自动切换方式；

在并联自动切换方式时，无扰动稳定控制装置将先合上备用馈线开关，再自动跳开主馈线开关，若起动后并联切换条件不满足、备用馈线开关未合上或主馈线开关未跳开，装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号；

在并联半自动切换方式时，合上备用馈线开关，而跳开主馈线开关的操作由人工完成，若在整定的时间内，人工仍未跳开主馈线，无扰动稳定控制装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号，若起动后并联切换条件不满足或备用馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号；

在正常同时切换方式时，由人工起动切换，先跳主馈线开关，在满足切换判别条件后，合上备用馈线开关，正常同时切换有快速、同相、残压三种切换判别条件下的实现方式，无扰动稳定控制装置快速不成功时自动转入同相或残压切换实现方式，若主馈线开关未跳开，装置将在去耦同时发切换失败和装置闭锁信号；若起动备用馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号；

在正常串联切换方式时，由人工起动切换，先跳开主馈线开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件后，合上备用馈线开关；正常串联切换有快速、同相或残压三种切换判别条件下的实现方式，无扰动稳定控制装置快速切换不成功时自动转入同相或残压切换实现方式；若起动后备用馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号；

在事故同时切换方式时，由主馈线上一级主保护起动，先跳主馈线开关，在满足切换判别条件时，合上备用馈线开关；事故同时切换有快速、同相、残压或长延时四种切换判别条件下的实现方式，无扰动稳定控制装置快速切换不成功时自动转入同相、残压或长延时切换；若起动后备用馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号；若起动主馈线开关未跳开，装置将在去耦同时发切换失败和装置闭锁信号；

在事故串联切换方式时，由主馈线上一级主保护起动，先跳开主馈线开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件时，合上备用馈线开关；事故串联切换有快速、同相、残压和长延时四种切换判别条件下的切换实现方式，无扰动稳定控制装置快速切换不成功时自动转入同相、残压切换或长延时切换；若起动后主馈线开关未跳开或备用馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号；

在母线失电低压起动方式时，母线三相线电压均低于整定值且时间大于整定值时，则无扰动稳定控制装置起动切换方式同时切换或串联切换，其切换条件和切换逻辑与事故切换相同；

在开关误跳偷跳起动方式时，造成主馈线或备用馈线开关误跳开，无扰动稳定装置在满足切换判别条件后，合上备用馈线或主馈线开关，开关误跳有快速、同相、残压和长延时四种切换判别条件下的切换实现方式，装置快速切换不成功时自动转入同相、残压或长延时切换，若起动后备用馈线或主馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

所述切换实现方式中的快速切换是在切换起动瞬间，如主馈线和备用馈线的参数在定值范围之内则可进行快速切换，即主馈线和备用馈线间的相角差、频率差保持在定值范围之内，快速切换时间小于0.2S，采用快速开关切换；

所述切换实现方式中的同相切换是在相角差为零时，实现切换，装置根据实时的频率、相角、幅值的变化规律，计算出在母线残压与备用电源电压向量第一次相位重合时的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令；

所述切换实现方式中的残压切换是当母线残压衰减到20％-40％额定电压后实现的切换，残压切换作为快速切换和同相切换的后备功能，起动和原有馈线分闸的条件与首次同相切换方式相同，只是备用馈线的合闸条件与首次同相切换方式有所不同。只有当母线电压衰减到某个允许值时，才可合上备用馈线。合闸时无须判据相角或频率差，这是不同步的切换方式，残压切换虽能保证设备安全，但由于停电时间过长，设备自起动成功与否、自起动时间等都将受到较大限制。

所述切换实现方式中的长延时切换是在设定的时间结束之前无法满足快速、同向或残压上述任何一种切换判别条件时，执行延时切换，长延时时间控制切换仅作为安全备用方式，正常情况无扰动稳定控制装置在设定的参数下，是不会发生这种切换方式，通常只有当短时间内同时发生多次故障时才可能发生这种切换方式。

本发明的有益效果是能够避免在电源切换时造成运行电压中断或设备冲击损坏，简化电源切换操作并减少误操作，以保证用电设备不断电连续运行。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件结构示意图。

图2为本发明实施例的供电一次系统简图。

图3为本发明残压特性和可能的切换位置示意图。

图4为本发明无扰动稳定切换方法步骤简图。

图5为本发明人工起动并联切换逻辑图。

图6为本发明人工起动同时切换逻辑图。

图7为本发明人工起动串联切换逻辑图。

图8为本发明事故非正常起动同时切换逻辑图。

图9为本发明事故非正常起动串联切换逻辑图。

图10为本发明的偷跳起动切换逻辑图。

其中：1DL、3DL-主馈线断路器开关，2DL、4DL-备用馈线断路器开关，5DL-母联断路器开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明实施例的切换方法通过采用主CPU模件和从CPU模件的双CPU模件的无扰动稳定控制装置来实现，分别完成测量、逻辑和切换等主要功能，以及完成显示、通信、打印等辅助功能，主、从CPU模件间进行数据交换。主、从CPU模件完成模拟量及开关量测量、计算、判断，处理结果信号经光耦隔离输出，将从现场PT、CT来的电压、电流信号经过高精度电流输出型电压、电流互感器隔离、滤波转换为小信号供主CPU使用。各种信号以继电器空接点方式输出，可接光字牌、DCS系统或其它智能设备；各种开关量信号(空接点)经继电器和光电两级隔离转换为小信号供主CPU使用；主CPU发出的出口跳合闸指令由逻辑组合并经光电隔离和中间继电器隔离放大后由干簧继电器空接点输出。

本实施例的供电一次系统采用双馈线加母联的配置运行方式，如图2所示，是鉴于冗余的原因，将电力负荷分配在两段母线中。母联包括母线I段、母线II段和母联断路器开关，两段母线之间的母联断路器开关正常情况下处于分闸状态，主馈线和备用馈线断路器开关都处于合闸状态；一旦一条馈线出现故障，切换是在故障馈线的断路器开关和母联断路器开关之间进行：故障线路断路器开关分闸，母联断路器开关合闸，切换成功之后，两条母线由一条馈线供电。一旦刚跳开的馈线上的故障排除之后，可通过人工起动方式的切换方法恢复到初始供电状态。本实施例切换方法起动后，以最短的时间进行切换，而且切换中不会对用户带来任何危险，切换方法可以从任一馈线起动，不论故障线路是主馈线或备用馈线。

本实施例切换方法的起动方式和切换方式分为以下几种情况，如图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示：

一、正常切换起动方式

正常切换指系统正常工作时，人工切换主馈线与备用馈线开关。正常切换是双向的，可以由主馈线切向备用馈线，也可以由备用馈线切向主馈线。该功能由人工起动，在控制台、DCS系统或装置面板上均可进行。正常切换起动方式下可进行正常同时切换方式、正常并联切换方式或正常串联切换方式。

如图6所示，正常同时切换方式指人工起动同时切换，先跳主馈线(备用馈线)开关，在满足切换判别条件后，合上备用馈线(主馈线)开关。正常同时切换有：快速、同相、残压三种切换判别条件下的切换实现方式，无扰动稳定控制装置快速切换不成功时自动转入同相或残压切换。若主馈线(备用馈线)开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号；若起动后备用馈线(主馈线)开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

如图7所示，正常串联切换指人工起动切换，先跳开主馈线(备用馈线)开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件后，合上备用馈线(主馈线)开关。正常同时有切换，快速、首次同相、残压三种切换判别条件下的切换实现方式，快切不成功时自动转入首次同相或残压切换。若起动后备用馈线(主馈线)开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

如图5所示，正常并联切换指由人工起动，若并联切换条件满足时还可进行并联自动切换方式或并联半自动切换方式；

在并联自动切换方式时，无扰动稳定控制装置将先合上备用馈线(主馈线)开关，再自动跳开主馈线(备用馈线)开关，若起动后并联切换条件不满足、备用馈线(主馈线)开关未合上或主馈线(备用馈线)开关未跳开，装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号；

在并联半自动切换方式时，合上备用馈线(主馈线)开关，而跳开主馈线(备用馈线)开关的操作由人工完成，若在整定的时间内，人工仍未跳开主馈线，无扰动稳定控制装置将在闭锁同时发出切换失败和装置闭锁信号，若起动后并联切换条件不满足或备用馈线开关未合上，装置将在闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号；

二、事故切换起动方式

事故切换指主馈线(备用馈线)上一级主保护接点起动(指变压器或发变组差动保护等)，事故切换是双向的，可以由主馈线切向备用馈线，也可以由备用馈线切向主馈线，事故切换起动方式下可进行事故同时切换方式或事故串联切换方式。

如图8所示，事故同时切换由主馈线(备用馈线)上一级主保护起动，先跳主馈线(备用馈线)开关，在满足切换判别条件时，合上备用馈线(主馈线)开关。同时切换有：快速、同相、残压、长延时四种切换判别条件下的实现方式，无扰动稳定控制装置快速切换不成功时自动转入同相、残压切换或长延时切换。若起动后备用馈线(主馈线)开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。若起动后主馈线(备用馈线)开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号。

如图9所示，事故串联切换，由主馈线(备用馈线)上一级主保护起动，先跳开主馈线(备用馈线)开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件时，合上备用馈线(主馈线)开关。串联切换有：快速、首次同相、残压、长延时四种切换判别条件下的实现方式，快切不成功时自动转入首次同相、残压切换和长延时切换。若起动后主馈线(备用馈线)开关未跳开、备用馈线(主馈线)开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

三、非正常切换起动方式

非正常切换起动方式由装置检测到非正常情况后自行起动，非正常切换是双向的，可以由主馈线切向备用馈线，也可以由备用馈线切向主馈线。非正常起动方式下可进行低压切换方式和偷跳切换方式。

低压切换方式时，当母线三相线电压均低于电压整定值且时间大于时间整定值时，则进行低压同时切换或低压串联切换，其切换条件和切换逻辑与保护起动的事故切换方式相同。

如图10所示，偷跳切换方式时，因各种原因(包括人为误操作)造成主馈线(备用馈线)开关误跳开，装置在满足切换判别条件后，合上备用馈线(主馈线)开关。该切换有：快速、同相、残压、长延时四种切换判别条件下的切换实现方式，无扰动稳定控制装置快速切换不成功时自动转入同相、残压切换和长延时切换。若起动后备用馈线(主馈线)开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

本实施例的切换方法，通过主从CPU模件每时每刻比较母线电压和备用馈线的电压，对被测电压的幅值、频率差、相角差进行以下同步判断：该相角差指母线电压和备用馈线电压之间的相角差，构成同步判据的相角差界值可根据超前或滞后母线电压分别进行调整，调度典型界值为频率差小于±30°；母线电压和备用馈线电压的频率差反应了用电设备及其动态负荷断电后的运转并指示是否允许进行，确定为通常的界值1Hz；备用馈线的电压是进行切换的另一个重要判据，只有当馈线电压存在时方可执行切换，本实施例的最小备用电压被整定为正常电压的80％；母线电压在确定切换方式时也起重要作用，如果母线电压值低于设定电压值，则不允许进行切换，本实施例的设定电压值设定为正常电压值的70％。

如图3、图4所示，根据上述判据条件和不同的切换动作状态，本实施例切换方法的切换方式通过选择以下的实现方式实现，快速切换、同相切换、残压切换或长延时切换，

快速切换：如主馈线和备用馈线间的相角差、频率差在定值范围之内，才可以进行快速切换。快速切换时间应小于0.2S，因而采用快速开关切换。快速切换通常由相位角来界定，选值为55°，如果开关的固有合闸时间为100ms，则合闸命令发出时的角度约需提前35°，即可以实现备用电源电压与母线残压向量夹角20°以内快速切换，同时对于设备是安全的。

同相切换：即在相角差为零时，实现切换，装置切换时根据实时的频率、相角、幅值的变化规律，计算出在母线残压与备用电源电压向量第一次相位重合时的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。实现精确地过零点即首次同相，且不受负荷变化影响，对设备的自起动很有利，同相切换作为快速切换的后备功能。

残压切换：当残压衰减到20％-40％额定电压后实现的切换，残压切换作为快速切换和同相切换的后备功能。起动和原有馈线分闸的条件与首次同相切换方式相同，只是备用馈线的合闸条件与首次同相切换方式有所不同。只有当母线电压衰减到某个允许值时，才可合上备用馈线。合闸时无须判据相角或频率差，这是不同步的切换方式。

长延时切换：如果在一设定的时间结束之前无法进行上述任何一种快速切换方式，可执行延时切换。为此，时间控制切换方式仅作为安全备用方式。正常情况在设定的参数下是不会发生这种切换方式。只有当短时间内同时发生多次故障时才可能发生这种切换方式。

起动后加速保护步骤是切换至备用馈线开关时，同时输出一对空接点，用于投入备用馈线分支保护装置的后加速保护功能，接点闭合持续时间为5秒。起动后加速空接点共三对，分别对应主馈线保护、备用馈线保护和母联保护。

在本实施例切换方法的闭锁及报警步骤中，保护闭锁为防止备用馈线误投入故障母线，切换方法通过装置提供了保护闭锁开入量接口回路，当某些保护动作时，如过流、电弧光母线保护等，装置将闭锁出口回路，同时给出“保护闭锁”信号并等待复归。

出口闭锁当装置因软压板投入或控制台闭锁装置投入时，装置将闭锁出口并给出出口闭锁信号，如装置软压板退出或控制台解除闭锁时，装置将自动解除闭锁，恢复运行。装置软压板包括出口投入/退出和装置快速切换、同相切换、残压切换、长延时切换分别投入或退出。

在开关位置异常及去耦合步骤中，装置在正常运行时，不停地对所有开关的状态进行检查，如检测到开关位置异常，即不满足无扰动稳定控制装置的就绪条件时，装置将闭锁出口，同时发开关位置异常信号，工作开关误跳除外。切换过程中如发现一定时间内该跳的开关未跳开或该合的开关未合上，装置将根据不同的切换方式分别处理并给出位置异常闭锁信号。如：同时切换切换中，若该跳开的开关未能跳开，将造成两电源并列，此时装置将执行去耦合功能，跳开刚合上的开关。此时，将不响应任何外部操作及起动信号，只能人工复归解除，如闭锁或故障仍存在，需待故障或闭锁条件消除后复归才有效。

本实施例的切换方法在以下几种情况下，需对装置进行复归操作，以备进行下一次动作：进行了事故切换后；发出开关位置异常、保护闭锁、PT断线等闭锁信号后，且为不可自动恢复；装置发生故障后。

本实施例一种厂用电系统无扰动稳定切换方法能够避免在电源切换时造成运行电压中断或设备冲击损坏，简化电源切换操作并减少误操作，以保证用电设备不断电连续运行。