用于石化企业电力系统的快速切换方法和装置

摘要

本发明涉及用于石化企业电力系统的快速切换方法和装置，所述方法包括：1）信号采集；2）信号转换；3）根据采集或转换的数字信号和预设的启动条件判断是否发出跳进线开关命令；4）进线开关跳开后，根据预设的切换条件判断是否发出切换命令；5）收到所述跳进线开关命令后，执行跳开所述进线开关的操作；收到所述切换命令后，执行合备用电源操作。本发明的快速切换方法和装置可以敏锐的察觉工作电源的故障状况，迅速切除，并判断出投入备用电源的最佳时机进行切换到备用电源的操作，实验证明，本发明不但可以避免由于系统电源波动造成的停产、减产等问题，而且切换过程中石化企业中的发电机、大型同步机等大型电气设备均能实现平稳过渡。

说明书

技术领域

本发明涉及用于石化企业110kV电力系统的快速切换方法和装置。

背景技术

图1为某300MW机组6KV母线残压特性示意图，V_D为母线残压，弧线 ABCD表示母线残压相量变化轨迹，△U为备用电源电压与母线残压间的差压。

为了分析的方便，我们取一个电源系统与单台电动机为例，将备用电源系统 和电动机等值电路按暂态分析模型作充分简化，忽略绕组电阻、励磁阻抗等，以 等值电势V_S和等值电抗X_S代表备用电源系统，以等值电势V_M和等值电抗X_M来表示电动机，如图2所示。

由于单台电动机在断电后定子电路开路，因此其电势V_M就等于机端电压， 在备用电源合上前，V_M＝V_D。备用电源合上后，电动机绕组承受的电压U_M为：

U_M＝X_M/(X_S+X_M)×(V_S－V_M)

因V_M＝V_D，则(V_S－V_M)＝(V_S－V_D)＝△U

所以，U_M＝X_M/(X_S+X_M)×△U(1)

令K＝X_M/(X_S+X_M)，则

U_M＝K△U(2)

为保证电动机安全，U_M应小于电动机的允许起动电压，设为1.1倍额定电 压U_De，则有：

K△U＜1.1U_De(3)

△U(％)＜1.1/K(4)

设X_S:X_M＝1：2，K＝0.67，则△U(％)＜1.64。图1中，以A为圆心， 以1.64为半径绘出弧线A'－A”，则A'－A”的右侧为备用电源允许合闸的安全区 域，左侧则为不安全区域。若取K＝0.95，则△U(％)＜1.15，图1中B'－B” 的左侧均为不安全区域，理论上K＝0～1，可见K值越大，安全区越小。

假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失 电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A－B段内合上备 用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是快速切换， 是最理想的切换方式。

过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。

在C点后至CD段实现的切换以前通常称为延时切换或短延时切换。

在C-D段捕捉母线残压与备用电源电压第一次相位重合点实现合闸，这就 是同期捕捉切换，相对于上述延时切换或短延时切换，同期捕捉切换合闸时， 由于备用电源电压与母线残压两电压同相，备用电源合上时冲击电流较小，也基 本不会对设备及系统造成危害。

上述快速切换、同期捕捉切换都是在母线频率和角度变化、幅值基本不变的 情况下作出的切换。

当母线电压衰减到20％－40％额定电压后实现的切换通常称为残压切换。 残压切换虽能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机自起动成功与否、 自起动时间等都将受到较大限制。

还有一种切换方式为长延时切换，长延时切换是母线电压衰减到接近于零时 所采取的切换方式。长延时切换是在备用电源的容量不足以承担全部负载甚至不 足以承担通过残压切换过去的负载的自起动时迫不得已的选择。

上述残压切换、长延时切换的方式会引起石化企业大面积的减产、停产 事故，给公司的经济效益造成巨大的损失，甚至可能引发次生的火灾爆炸事 故。

现有石化企业普遍采取备自投方式完成工作电源与备用电源之间的切换，传 统的备自投方式是在外线路因雷击等故障跳闸后，通过检测线路上残压的方 式，将备用电源投入。如图3所示，图3为石化企业电力系统一次回路简图， 母线Ⅰ由进线1供电，母线Ⅱ由进线2供电，两母线Ⅰ、Ⅱ之间通过母联开 关3DL相连，M1～M4为负载线路，正常情况下，进线开关1DL、2DL处于闭 合状态，母联开关3DL处于断开状态。若母线Ⅰ的供电线路进线1因雷击等 故障跳开即进线开关1DL跳开，可通过检测母线Ⅰ上的残压投入作为备用电 源的母线Ⅱ，即合上母联开关3DL。当然，这里选择的是一条正常运行的母 线即母线Ⅱ作为备用电源，在实际中，企业也可根据具体情况选择其它形式 的备用电源，如一台已经启动的备用变压器等。

现有石化企业备自投普遍采用延时切换或短延时切换。现有石化企业采用 的备自投方式，备用电源合上时冲击电流较大，对设备及系统危害性较大，会 引起大面积的减产、停产事故，给公司经济效益造成巨大的损失，甚至可能 引发次生的火灾爆炸事故。

快速切换装置可以实现在极短时间内不停电完成负荷转移，是一种比较 理想的负荷转移切换装置，但现有的快速切换装置只适用于一般的厂用电备 用电源的快速切换，无法适用于石化企业。这是因为，石化企业的电力系统 内部含有发电机、同步电动机等大型电气设备，与一般的厂用电气设备的类 别有较大的差别，如一般厂用的电动机为异步电动机。一般的厂用电气设备 在工作电源跳闸后，形成的是一个无源网络，而石化企业在工作电源如图3 中的进线1跳闸后，由于母线Ⅰ上连接有发电机等设备，它们形成的是一个 有源网络，如果石化企业的电力系统单纯的套用一般厂用电备用电源的快速 切换装置，切换时是不能保证上述发电机、同步电动机等大型电气设备的安 全的。另外，石化系统内部含有很多大容量的风机、压缩机等设备，这些设 备都为转动惯量较大的负载，失压母线即故障母线残压衰减的速度与一般厂 用电的失压母线残压衰减速度存在较大的差异，这些差异也必然决定了石化 企业用电备用电源的快速切换装置不能简单的套用目前仅用于一般工厂的 快速切换装置。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种能使石化企业电力系统在其工作电源与 备用电源之间进行平稳切换的快速切换方法及其装置。

本发明通过如下技术方案实现其发明目的：一种用于石化企业电力系统 的快速切换方法，包括如下步骤：

1)信号采集：采集用于作为工作电源的进线线路上的电压、电流、进 线开关和进线保护装置的状态信号及备用电源的电压信号；

2)信号转换：将步骤1)中采集的模拟信号转换成数字信号；

3)根据采集或转换的数字信号和预设的启动条件判断是否发出跳进线 开关命令；

所述启动条件包括：

失压启动条件：所述进线线路三相进线的电压均小于电压整定值Uzd且 持续时间均大于时间整定值Tzd；

误跳启动条件：所述进线线路三相进线任意一相的电流小于设定的误跳 电流Iwt且所述进线开关跳开；

保护启动的条件：所述进线保护装置启动；

满足除误跳启动条件外的任一启动条件，则发出跳进线开关命令，并启 动切换程序，满足误跳启动条件则直接启动切换程序，满足误跳启动条件说 明进线开关已经跳开，所以无需再次跳开进线开关；

4)进线开关跳开后，根据预设的切换条件判断是否发出切换命令；

5)收到所述跳进线开关命令后，执行跳开所述进线开关的操作；收到 所述切换命令后，执行合备用电源操作；

其特征在于，

所述步骤1)还包括采集所述进线线路上的功率、频率信号、与所述进 线线路相连的故障母线的电压信号；

所述启动条件还包括：

逆功率启动条件：所述进线线路的三相进线中任意一相进线的功率反向 且该相频率的变化量>整定频率△fzd；

无流启动条件：所述进线线路三相进线的电流均小于设定的无流电流 Iwl且三相频率的变化量均大于整定频率△fzd；

所述切换条件包括快速切换条件：与跳开的所述进线线路相连的故障母 线的任意一相电压与备用电源对应相的电压波形的频差小于M₁Hz，且角差小 于W₁度；满足则发送快速切换命令。

本发明方法根据石化企业特点，增加了启动条件，可以快速察觉工作电 源的异动情况，以便迅速作出反应，顺利完成快速切换。

本发明还可以作以下改进：增设同期捕捉切换条件：与跳开的所述进线 线路相连的故障母线的任意一相电压与备用电源对应相的电压波形的频差 小于M₂Hz，且角差小于W₂度；若不满足快速切换条件，判断是否满足同期捕 捉切换条件，满足则发送同期捕捉切换命令。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)还包括采集与所述进线线路相 连的故障母线的电流信号，并增设残压切换条件：与跳开的所述进线线路相 连的故障母线的电压〈40％故障母线额定电压Un，和长延时切换条件：从所 述切换程序启动后延时N秒，且与跳开的所述进线线路相连的故障母线的电 流<IzdA；若不满足同期捕捉切换条件，判断是否满足残压切换条件，满足 则延时T秒发送残压切换命令，不满足则判断是否满足长延时切换条件，满 足则发送长延时切换命令。

对于110kV电力系统，上述参数的推荐取值范围为：△fzd取值范围为 0.02～0.5Hz，Iwl取值范围为0.5～2A，Uzd取值范围为20％～90％进线线路额 定电压，Tzd取值范围为0.1～～5秒，Iwt取值范围为0.5～2A，M₁＝1，M₂＝1.5， W₁＝20，W₂＝30，N＝7，Izd＝0.5，T＝0.5。

本发明还提供一种用于石化企业电力系统的快速切换装置，包括：

信号采集模块：采集用于作为工作电源的进线线路上的电压、电流、进 线开关和进线保护装置的状态信号及备用电源的电压信号；

数据转换模块：将信号采集模块采集的模拟信号转换成数字信号；

数据处理模块：根据信号采集模块或数据转换模块输出的数字信号和预 设的启动条件判断是否发出跳进线开关命令；

所述启动条件包括：

失压启动条件：所述进线线路三相进线的电压均小于电压整定值Uzd且 持续时间均大于时间整定值Tzd；

误跳启动条件：所述进线线路三相进线任意一相的电流小于设定的误跳 电流Iwt且所述进线开关跳开；

保护启动的条件：所述进线保护装置启动；

满足除误跳启动条件外的任一启动条件，发出跳进线开关命令，并启动 切换程序，满足误跳启动条件则直接启动切换程序，满足误跳启动条件说明 进线开关已经跳开，所以无需再次跳开进线开关；

数据处理模块还用于在进线开关跳开后，根据预设的切换条件判断是否 发出切换命令；

开合闸执行机构：收到所述数据处理模块发出的跳进线开关命令后，执 行跳开所述进线开关的操作；收到所述数据处理模块发出的切换命令后，执 行合备用电源操作；

其特征在于，

所述信号采集模块还用于采集所述进线线路上的功率、频率信号、与所 述进线线路相连的故障母线的电压信号；

所述启动条件还包括：

逆功率启动条件：所述进线线路的三相进线中任意一相进线的功率反向 且该相频率的变化量>整定频率△fzd；

无流启动条件：所述进线线路三相进线的电流均小于设定的无流电流 Iwl且三相频率的变化量均大于整定频率△fzd；

所述切换条件包括快速切换条件：与跳开的所述进线线路相连的故障母 线的任意一相电压与备用电源对应相的电压波形的频差小于M₁Hz，且角差小 于W₁度；满足则发送快速切换命令。

所述备用电源可以为与所述故障母线通过母联开关相连的一条正常运 行的母线，也可以为一台已经启动的备用变压器。

作为对本发明的优选实施方式，所述信号处理模块包括主芯片和从芯 片，主、从芯片通过SPI(SerialPeripheralInterface的缩写)总线相 连，所述数据转换模块和所述开合闸执行机构均与所述主芯片相连，所述主 芯片上还设有用于与电脑相连的RS232通信调试口，所述从芯片上设置有GPS 对时接口、键盘接口、显示器接口、打印接口、用于与电厂DCS系统相连的 两个485通信接口和用于连接电脑的RS232通信调试口。

本发明将用于逻辑判断的主芯片和用于连接外部设备的从芯片分开，有 利于提高主芯片的处理速度。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：1)本发明的快速切换方 法和装置可以敏锐的察觉工作电源的故障状况，迅速切除，并判断出投入备 用电源的最佳时机进行切换到备用电源的操作，实验证明，本发明不但可以 避免由于系统电源波动造成的停产、减产等问题，而且切换过程中石化企业中 的发电机、大型同步机等大型电气设备均能实现平稳过渡，无大幅度振荡， 保持良好状态，充分保证了这些大型设备的安全，真正实现了石化企业电力 系统工作电源的不停电转移；

2)另外，本发明推荐采用同期捕捉切换方式做快速切换方式的备用切 换方式，即对可能出现的无法采取快速切换的情况，本发明能够选择基本不 会对设备及系统造成危害的同期捕捉切换方式，经实验表明，本发明基本能控 制石化企业电力系统工作电源与备用电源的切换全部以快速切换方式或同 期捕捉切换的方式进行，其中快速切换方式占90％以上；

3)本发明还进一步加设了残压切换或长延时切换条件，当必须进行残 压切换或长延时切换时，本发明也充分考虑了石化企业电力系统的特点，严 格控制在母线电压或电流衰减到一定值后再进行延时切换，以便充分保证上 述发电机、大型同步机等大型电气设备的安全。

附图说明

图1为某300MW机组6KV母线残压特性示意图；

图2为单台电动机的切换分析模型；

图3为石化企业电力系统一次回路简图；

图4为本发明具体实施例的石化企业110kV电力系统快速切换装置的原 理框图；

图5为本发明具体实施例的石化企业110kV电力系统快速切换装置的判 断逻辑图；

图6为本发明具体实施例的石化企业110kV电力系统快速切换装置的信 号处理模块的连接示意图。

具体实施方式

下面结合本发明具体实施例——石化企业110kV电力系统快速切换装置 和图3～6对本发明作进一步说明：

本实施例的快速切换装置，包括：

信号采集模块：用于采集作为工作电源的进线1上的电压Ua、Ub、Uc、 电流Ia、Ib、Ic、功率Pa、Pb、Pc、频率fa、fb、fc、进线开关1DL和进 线保护装置4DL的状态信号及故障母线电压、电流信号和备用电源的电压信 号；

数据转换模块：将信号采集模块采集的模拟信号转换成数据处理模块能 识别的数字信号；

数据处理模块：根据信号采集模块或数据转换模块输出的数字信号和预 设的启动条件判断是否发出跳进线开关命令；进线开关跳开后，根据预设的 切换条件判断是否发出切换命令；

开合闸执行机构：收到所述数据处理模块发出的跳进线开关命令后，执 行跳开所述进线开关的操作；收到所述数据处理模块发出的切换命令后，执 行合备用电源操作。

如图3所示，本实施例选择与母线Ⅰ通过母联开关3DL相连的母线Ⅱ作 为备用电源，进线1为母线1的工作电源。

数据处理模块具体进行的判断操作如下：

数据处理模块根据信号采集模块或数据转换模块输出的数字信号判断 是否满足以下条件：

如图5所示，逆功率启动条件：进线1的三相进线中任意一相A相或B 相或C相进线的功率Pa或Pb或Pc反向且该相频率的变化量△f>整定频率 △fzd；

无流启动条件：进线1三相进线A相、B相和C相的电流Ia、Ib、Ic均 小于设定的无流电流Iwl且三相频率fa、fb和fc的变化量均大于整定频率 △fzd；

失压启动条件：进线1三相进线A相、B相和C相的电压Ua、Ub和Uc 均小于电压整定值Uzd且持续时间均大于时间整定值Tzd；

误跳启动条件：进线1三相进线A相、B相和C相任意一相如图5列举 的A相的电流Ia小于设定的误跳电流Iwt且进线开关1DL跳开；

保护启动的条件：进线保护装置4DL启动；

满足除误跳启动条件外的任一启动条件，则发出跳进线开关命令，并启 动切换程序，满足误跳启动条件则直接启动切换程序，满足误跳启动条件说 明进线开关已经跳开，所以无需再次跳开进线开关。

开合闸执行机构收到所述数据处理模块发出的跳进线开关命令后，执行 跳开所述进线开关的操作。

进线开关跳开后，数据处理模块由上至下进一步判断是否满足：

快速切换条件:与跳开的进线1相连的故障母线即母线Ⅰ的任意一相如 A相电压与备用电源即母线Ⅱ对应相即A相的电压波形的频差小于1Hz，且 角差小于20度；

同期捕捉切换条件母线Ⅰ的任意一相电压如A相与母线ⅡA相的电压波 形的频差小于1.5Hz，且角差小于30度；

残压切换条件：母线Ⅰ的电压〈40％母线Ⅰ额定电压Un；

长延时切换条件：从所述切换程序启动后延时7秒，母线Ⅰ的电流<0.5A (双重判断条件的设置，有利于防止长延时误动情况的发生)；

满足则停止后续判断并发送相应的切换命令即快速切换命令或同期捕 捉切换命令或残压切换命令或长延时切换命令，其中，残压切换命令在残压 切换条件满足后延时0.5秒发送。

本发明针对石化企业特点，设置多种启动条件，考虑全面，使本发明的 快速切换装置具有非常高的灵敏性和准确性，可以快速察觉供电系统的异常 情况，使装置具有更高的快速切换成功概率。

快速切换、同期捕捉切换、残压切换、长延时切换都为现有的切换方式。

如图6所示，信号处理模块包括主芯片即图6中的主CPU系统和从芯片 即图6中的从CPU系统，主、从芯片通过SPI总线相连。信号采集模块采集 的电压、电流等交流量输出到数据转换模块的DSP系统，信号采集模块采集 的进线开关、进线保护装置的开关量信号输出到数据转换模块的光电隔离 器，数据转换模块与主芯片相连，主芯片还通过光电隔离器与开合闸执行机 构的出口继电器和信号继电器相连，以控制进线开关1DL的跳开和母联开关 3DL的合闸，主芯片还可通过RS232通信调试口与便携式电脑相连。从芯片 上设置有GPS对时接口、键盘接口、显示器接口、打印接口、用于与电厂DCS 系统相连的两个485通信接口和用于连接电脑的RS232通信调试口。本发明 将用于逻辑判断的微机芯片和用于连接外部设备的微机芯片分开，有利于提 高主芯片的处理速度。

2010年石化供电系统110kV进线共发生6起故障，快速切换装置均成功切 换，切换时间在150ms以内。切换时发电机、同步电动机等大型设备均实现平稳 过渡，相关装置如生产机泵也没有受到影响，避免了由于系统电源的波动造成停 产、减产等问题，实现了负荷的不停电转移，下表1是2010年快速切换装置的 动作情况：

表1

以上6次动作，故障母线上均挂有自备发电机，发电机负荷比用电负荷稍 小，约占80～90％左右，带有发电机的系统切换时不跳发电机，带着发电机完成 切换。

本发明方法和装置同样适用于石化企业中其它电压等级的电力系统，当然， 整定值需要作相应的调整，以使其更好的适应具体的应用环境。