基于PLC的变电站备用电源自动投入控制技术.pdf

Telecom Power Technology 87 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 Telecom Power Technology 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期电源与节能技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.028基于 PLC 的变电站备用电源自动投入控制技术刘文锐（国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北 恩施 445000）摘要：常规的备用电源自动投入控制技术存在线路过载的问题，导致变电故障进一步扩大。因此，设计基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的变电站备用电源自动投入控制技术。提取变电站备用电源自动投入动作特征，判断备用电源母线电压的有压/失压状态，避免母线断线造成自动投入误动作。基于 PLC 控制备用电源自动投入热稳定状态，根据变电站备用电源潮流转移量，预先切除电源部分负荷，并利用PLC预留控制裕度，防止过切负荷的问题。采用仿真实验验证，结果显示该技术控制效果更佳，能够应用于实际生活。关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；变电站；备用电源；自动投入；控制技术PLC Based Automatic Input Control Technology for Backup Power Supply in SubstationsLIU Wenrui(State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Enshi Power Supply Company,Enshi 445000,China)Abstract:The conventional backup point source automatic input control technology has the problem of line overload,leading to further expansion of substation faults.Therefore,a substation backup power automatic input control technology based on Programmable Logic Controller(PLC)was designed.Extract the automatic operation characteristics of the backup power supply in the substation,determine the voltage on/off state of the backup power supply bus voltage,and avoid automatic operation errors caused by bus disconnection.Based on PLC control,the backup power supply is automatically put into a thermal stable state.According to the flow transfer amount of the backup power supply in the substation,part of the power supply load is cut off in advance,and PLC is used to reserve control margin to prevent the problem of over cutting load.The simulation results show that the control effect of this technology is better and it can be applied to real life.Keywords:Programmable Logic Controller(PLC);substation;backup power supply;automatic input;control technology0 引 言基于热备用线路的变电站备用电源自动投入控制技术，主要是在电源侧与负荷侧各配置一个备用电源自动投入装置，以热备用线路电源、负荷双重控制的形式，避免变电站容性无功较高的问题，从而解决主变线路永久性故障的问题1。基于多维分析的变电站备用电源自动投入控制技术，主要是利用一次主设备、二次主设备以及辅助设备相结合的形式，将典型接线区域进行保护，从而提升用户的用电可靠性2。以上 2 种控制技术会受到线路配置、负荷分配等多种因素的影响，经常出现误动作，影响控制效果3。因此，文章结合可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的优势，设计变电站备用电源自动投入控制技术。1 变电站备用电源自动投入的 PLC 控制技术设计1.1 提取变电站备用电源自动投入动作特征对于主变压器而言，负荷主要集中在高压侧4。通过高压侧电压变化情况，判断备用电源母线电压的有压或失压状态。为防止备自投的误动作问题，增加自动判别条件，公式为 abcyabcs()/3()/3UUUUUUUU+（1）式中：Ua、Ub、Uc为母线线电压；Uy为有压定值；Us为无压定值。当母线线电压平均值大于或等于Uy时，工作电源为有压工作状态；当母线线电压平均值小于等于 Us时，工作电源为无压工作状态，无法正常运行5。在失压状态下，变电站线路以 1 主供带双台主变运行，备用电源在主供线路故障或无故障跳开之后，采用备用电源恢复供电。在低压侧空载状态时，变压器带负荷合闸动作的电路特征为 Uk=Umcos(t+)（2）式中：Uk为低压侧空载状态的负荷合闸动作电压特 征；Um为空载电压；为电压角速度；t 为合闸时间；为合闸瞬间电压相位角。变压器空载合闸的磁通变化特征如图 1 所示。由图1可知，在=90时，磁通表示为mcost-m，最大磁通能够达到稳态的 2 倍。将磁通衰减到一个更小的值，就能通过涌流衰减控制电源电流，从而实现收稿日期：2023-06-12作者简介：刘文锐（1991），男，湖北恩施人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电网建设。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 88 备自投电流控制的目标。t2 dmcostmmmcost-m2 d图 1 变压器空载合闸磁通变化特征示意1.2 基于 PLC 控制备用电源自动投入热稳定状态根据变电站备用电源潮流转移量，预先切除电源部分负荷，并利用 PLC 预留控制裕度，防止过切负荷的问题。选用 PLC 的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）作为控制中枢，按照可编程逻辑控制程序，检查变电站备用电源的运行情况，并利用输入输出（Input/Output，I/O）输入定时控制的自动投入状态。将变电站备用电源自动投入使用的现场状态与数据存储在 I/O 映象区，并从逻辑控制存储中心读取备用电源的投入状态。在 I/O 映象区输入 PLC 控制投入动作指令，将控制后的投入动作与电源输出状态传送到相应的输出数据 I/O 中，以循环的形式进行自投控制，直至完成变电站复电。PLC 组态配置如表 1 所示。表 1 PLC 组态配置表类别配置型号1212C AC/DC/RLYCPU8DI/6DO/2AI模拟量输入模块4 路 AI/413 bits物理尺寸90 mm100 mm75 mm本地板载 I/O数字量为 8 点输入/6 点输出；模拟量为 2 点输入SM 扩展2以太网通信端口1IP 协议IP 地址为 192.168.4.110；子网掩码为 255.255.255.0表 1 中，PLC 进行备自投控制工作的过程中，分成备用电源动作状态识别、判断阶段；执行备自投控制动作阶段；输出锁存电路，完成备自投控制阶段。为防止备用电源容量不足，导致元件过载的问题，根据潮流转移量，确定合闸动作的预切负荷，公式为()-2Sy2Sy0 x2Sy()0()lSPPPPPPP=，（3）式中：Px为合闸动作控制状态下，需要切除的负荷；P-2S为备自投控制前 2 s 时，高压侧的进线功率；Py为备自投控制的允许最大运行功率。备自投控制合闸动作完成之后，将合闸动作的实时功率输入 PLC 的I/O 映象区中，在其中分析计算过载状态的预切负荷，公式为 0,()0()lSjSjSxSjPPPPPPP=,（4）式中：Px 为两相电流大于过载动作定值的状态下，需要切除的负荷；Ps为线路过载时线路的实时功率；Pj为热稳定功率基值。在备自投热稳定状态控制之后，优化变电站备用电源自投控制闭锁条件，以内部闭锁与外部闭锁 2 种方式对备用电源自投装置进行差动保护，从而确保变电站的正常运行。2 仿真实验2.1 实验过程本次实验以 110 kV 变电站为仿真模型。其具有 2 台主变压器，容量均为 50 000 kVA。变电站设备电压等级分为 110 kV 和 10kV，可以满足备用电源自动投入需求。变电站的一次接线仿真模型如图2 所示。X线Y线1PT2PT1CT2CT185186110 kV分段180110 kVB母线1811821#变2#变58158210 kV分段58010 kVII母线110 kVA母线10 kVI母线548549图 2 变电站的一次接线仿真模型由图 2 可知，185、186、182、181、581、582 均 为断路器；548、549 为电源出线程序。当 110 kV 线路或 1#变跳闸时，110 kVA 母线失压，变电站启用备用电源。而 548、549 随着 110 kV 线路跳闸失去电源，母线电压无法达到自投装置启动值。在分步切投的控制模式下，模拟主变正常投入的情况，以主变充 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 89 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 刘文锐：基于 PLC 的变电站备用电源 自动投入控制技术电再投入负荷的形式完成自动投入。主变在短时间内承受多次冲击，冲击大小与负荷投入时序有关。实验将备自投控制的稳态时序设定为M与N这2种。其中：M 为变压器备用电源在充电后的 300 ms 合闸主变中压侧，再经 300 ms 合闸低压侧时，第二次合闸冲击达到的稳态时序值；N 为在充电后的 300 ms 合闸主变中压侧，再经 300 ms 合闸低压侧在充电后的 1 s 合闸主变中压侧，再经 300 ms 合闸低压侧时，第二次合闸冲击达到的稳态时序值。2.2 实验结果在其他条件均一致的情况下，将文献 1 基于热备用线路的变电站备用电源自动投入控制技术的时序即电流涌流峰值变化情况、文献 2 基于多维分析的变电站备用电源自动投入控制技术的时序即电流涌流峰值变化情况以及文章设计的基于 PLC 的变电站备用电源自动投入控制技术的时序即电流涌流峰值变 表 2 时序即电流涌流峰值变化情况对比 单位：s备用电源自动投入动作文献 1 基于热备用线路的变电站 备用电源自动投入控制技术文献 2 基于多维分析的变电站 备用电源自动投入控制技术文章设计的基于 PLC 的变电站 备用电源自动投入控制技术稳态时序 1稳态时序 2稳态时序 1稳态时序 2稳态时序 1稳态时序 2TR_A8.638.655.435.423.523.51TR_B9.279.245.455.443.533.52TR_C9.858.765.625.613.553.55TR_D10.3610.585.986.323.854.50TR_E11.2311.236.246.784.154.82TR_F11.6212.636.157.164.055.01TR_G1.0In1.0In1.5In1.0In2.0In2.0InTR_H0.5In1.2In1.0In0.5In2.0In1.5In化情况进行对比，实验结果如表 2 所示。表 2 中：TR_A 为跳主供线动作；TR_B 为跳主变中低压侧投入动作；TR_C 为合备供线动作；TR_D 为合主变中压侧动作；TR_E 为合主变低压侧动作；TR_F为备投成功动作；TR_G为第一次冲击电流峰值；TR_H 为第二次冲击电流峰值。在其他条件一致的情况下，采用文献 1 基于热备用线路的变电站备用电源自动投入控制技术后，稳态时序 1 冲击电流峰值在直接合闸的 11.62 s 达到最大值；稳态时序 2 冲击电流峰值在直接合闸的 12.63 s 达到最大值，衰减时间较长，影响自动投入控制效果。使用文献 2 基于多维分析的变电站备用电源自动投入控制技术后，稳态时序 1 冲击电流峰值是在直接合闸的 6.24 s 达到最大值；稳态时序 2 在直接合闸的 7.16 s 达到最大值。使用文章设计的基于 PLC的变电站备用电源自动投入控制技术之后，稳态时序1 冲击电流峰值是在直接合闸的 4.15 s 达到最大值；稳态时序 2 在直接合闸的 5.01 s 达到最大值，衰减时间较慢，可以满足稳态时序与电流投入控制需求，3 结 论近年来，我国电能需求持续增加，供电可靠性与电能质量对于人们的生产生活造成较大的影响。电力系统的规模持续扩大，受到的不确定性因素较多，更容易发生大规模的停电事故。备用电源是变电站保持稳定运行的关键，其自动投入装置能够预先设定备用电源投入模式，更加快速地恢复供电。利用 PLC，设计变电站备用电源自动投入控制技术，将备用电源自投动作控制得更加精准，为变电站的稳定使用提供保障。参考文献:1 马骏毅，赵 杰，吴 林，等.基于热备用线路的联合备用电源自动投入方法 J.电器与能效管理技术，2023（2）：35-38.2 黄秀娟，潘成程，沙俊民，等.基于多维分析的 500kV 变电站站用电交流系统可靠性提升可行性措施研究 J.电工技术，2023（4）：206-210.3 孔德全，黄小龙，薛少华，等.基于三元锂离子电池的变电站直流应急电源自动维护研究 J.自动化技术与应用，2023，42（2）：129-131.4 殷攀程，刘 鑫，袁明哲，等.链式网络中区域备用电源自动投入的风险控制及策略优化 J.四川电力技术，2022，45（3）：89-94.5 王文林，张 杰，李泽辰，等.35 kV 配电网带相角差合环转供电研究与实践 J.山东电力高等专科学校学报，2021，24（5）：11-14.