变电站380VATS自动电源开关控制系统关键技术方案研究与应用

王建勇，王志华，黄兴，郭明叙，王玉辉

（1.广东电网公司珠海供电局，广东珠海 519000；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东深圳 518057；3.湖北省电力勘测设计院，湖北武汉 430040）

变电站站用电源系统是变电站最重要的工作电源，是稳定变电站低压供电系统电源设备可靠工作之本，其运行工况的正常与否，直接关系到变电站所有设备的安全稳定运行。一旦站用电源系统出现问题，将直接或间接地影响变电站交流二次以及直流系统的供电安全和可靠运行，严重时会扩大事故范围，造成故障停电[1-2]。针对研究目前珠海供电局站用变自动电源ATS控制系统存在的诸多问题，分析了站用电低压侧系统故障的行为，采用软件和硬件技术手段解决了相关固定闭锁问题，为站用电源系统安全供电、稳定可靠运行奠定良好的基础。

1 背景原因

2012年4月17日，珠海供电局110 kV某变电站2号站用变低压侧380 V母线接地短路故障，2号站用变保护动作跳闸，380 V自动电源2号ATS快速开关动作，自投合闸成功，导致把故障点转移到由1号站用变供电，此时由于故障点的存在，致使1号站用变保护动作跳闸，全站380 V站用系统失压，此时导致直接为开关的操作机构、直流充电机系统、交换机通信系统、变压器冷却系统、交流照明系统、消防和防盗系统、变电站遥视系统的交流供电系统瘫痪，380 V低压配电系统全部无压，情况十分严重。为了进一步分析其事故原因，通过保护动作报文分析和动作信号查看发现该站10 kV 1号、2号接地变（兼站用变）380 V零序保护出口跳闸，从而导致1号、2号主变变低，开关跳闸，因而造成10 kV I段、II段母线失压的事件。经过检查发现：

1）该站10 kV接地变（兼站用变）的380 V变低侧采用额定电流为400 A的ATS自动电源开关，即双电源自动切换空气断路器和刀熔开关（即隔离刀闸+熔断器）的配置。低压熔断器的过流熔断功能为反时限特性，无法与380 V零序过流保护的定时限特性配合，导致1号、2号接地变（兼站用变）380 V零序保护动作越级跳开1号、2号接地变（兼站用变）高压侧开关。

2）380 V I、II段出线在G9柜（F）6与G15柜（502ACT柜）的联络空气开关均在投入状态，导致380V I、II段母线环网运行。

3）站用变低压交流电源的ATS自投的闭锁功能和接地变（兼站用变）的“闭锁380 V备自投”接点动作不配合，接地变保护装置的“闭锁380 V备自投”接点动作为100 ms左右，而380 V低压屏的ATS的“闭锁备自投开入”需持续的闭锁开入，开入一消失，则开放380 V备自投，导致接地变380 V零序保护动作闭锁380 V备自投回路失效。

4）该站1号、2号接地变（兼站用变）低压侧380 V的电缆头安装了低压避雷器（三相四线制），而低压避雷器的中性线接线安装错误，穿过接地变（兼站用变）380 V零序CT。

现场继保技术人员对ATS控制系统仔细检查，发现该站低压供电系统380 V ATS开关控制系统自投的闭锁功能与接地变（兼站用变）的“闭锁380 V备自投”接点动作情况不配合，接地变保护装置的“闭锁380 V备自投”接点的动作时间为100 ms左右，开入闭锁信号消失，没有可靠连续闭锁，现场分析要求，380 V低压屏的1号ATS、2号ATS开关控制器的“闭锁备自投开入”需长期闭锁持续的开入直到故障排除，因此，本次故障扩大的主要原因是ATS开关控制器软件设计和硬件二次回路存在比较严重问题，闭锁功能失效，即没有可靠闭锁，从而导致了本次扩大事故的的发生。为避免此类事故的发生，局领导、安委会下达指示，变电管理所及时组织技术力量，安排并要求对全局所有变电站站用变ATS控制器及其回路进行全面普查，同厂家研究开发实施对策。以110 kV鱼林站为例，要求对全局所有运行的变电站ATS控制器进行技术改进，通过软件编程和外部硬件继电器连线相结合的办法，以实现在380 V母线发生故障时，仅切除故障段尽显开关，保证另一段380 V母线不切换，有效地保证了不扩大事故，保证无事故部分正常供电。

为避免站用系统失电的风险的发生，变电管理所继保技术人员研究出可行有效地解决方案，同厂家共同研发，因而产生了该项目的研究课题。110 kV变电站接线图如图1所示。

2 实现方案的过程分析

依据该站站用变380 V低压系统及线图进行过程分析，如图2所示。图2为站用变低压交流电源示意图，经过现场调查分析，认为整个过程如下：

1）由于380VI、II段环网运行、低压避雷器中性线接线错误或其他原因，造成接地变（兼站用变）的零序保护动作，跳开1号或2号或全部的站用变高压侧开关。

2）在只跳开1台站用变开关的情况下，由于接地变（兼站用变）的“闭锁380 V备自投”装置和380 V低压屏的ATS控制器闭锁不配合，导致低压系统ATS开关切换，使得零序故障点引入2号站用变，使其2号站用变的零序保护动作，致使10 kV I段、II段母线全部失压。

图1 110 kV鱼林变电站接线图Fig.1 W iring diagram of the 110 kV Yulin Substation

图2 站用变380 V低压交流电源示意图Fig.2 Schematic of the low-voltage AC 380 V power supply for transformers

3 解决方案

3.1 对深圳泰昂能源股份公司生产的IPC-03装置控制方式解决方案

在该方案中，将重点解决站用变保护装置的“闭锁380 V备自投”接点和ATS的控制器之间的配合问题，使得站用变保护装置发出的100 ms左右的脉冲信号能完全闭锁ATS开关。

在珠海供电局60%变电站站用变都使用了深圳泰昂的ATS控制器装置，低压交流屏控制器装置主要型号为IPC-03l、lPC-03、lPC-03G、IPC-03，是深圳泰昂公司在2006年后大量使用的站用交流电源控制主器件，特别是IPC-03系列产品，ATS控制装置在珠海供电局47个变电站都安装运行。对所发现的问题和控制器装置安装情况和现场统计摸底，计划采用增加外回路组合继电器，使得外部闭锁保持的方法解决恒定闭锁的问题。该方法通过现场试验，切实可行，可靠闭锁保持，也是目前最通用，最可靠，但又被忽视的一种方法。它可以是将保护动作较短的脉冲信号通过保持继电器转换成一个保持的接点信号，保持的信号接入IPC-03，将ATS闭锁。该办法适用于任何ATS开关控制器系统。

3.2 软件编程

1）利用装置的现有条件，进行软件程序升级，用软件技术弥补闭锁空白，其内容：增加自充放电条件，保证闭锁功能，使其恒定、可靠性闭锁ATS开关。

2）更换程序存储芯片，其芯片名称为：W27C512。

3）软件说明。380 V系统站用变保护动作脉冲信号发送至保持继电器回路，使继电器线圈KA3或KA4的电励磁动作，吸合辅助触点，通过电路的互锁功能，在主回路未失电情况下一直保持有电互锁状态。依据继电器厂家提供的参数，继电器本身动作时间为≥20 ms，即当保护动作脉冲信号大于20 ms即可形成互锁保持电路，保证能为IPC-03控制器装置提供一个永久恒定的闭锁信号。在IPC-03装置获得闭锁信号后，IPC-03装置进入闭锁状态，在未解除闭锁信号的情况下，IPC-03装置控制ATS开关一直保持闭锁前的状态不投切，不会因ATS开关的切换将故障扩大至另一路。在现场维护人员解除负载故障后，IPC-03装置不再重报闭锁信号时，将闭锁复位按钮开关按一下并在IPC-03装置上按信号复归即可解除IPC-03的闭锁功能。

4）软件程序逻辑图如图3所示。

图3 实现逻辑图Fig.3 Im plement logic diagram

5）该技术方案的研发亮点。①闭锁信号回路使用的电源引至直流电源的控制母线，必须保证有可靠的连续的电源，以免闭锁因失电而错误解除的可能性。②闭锁回路使用的电源为DC110/220 V，无24 V电源的引出，避免了不同设备24 V电源的相互干扰，是系统更可靠，检修更为方便。③继电器的动作时间为≥20 ms，当站用变保护动作脉冲大于20 ms即可形成继电保持回路，保证能为IPC-03装置提供一个恒定的闭锁信号。系统具有很高的灵敏性，确保了在给出保护动作信号短脉冲情况下系统闭锁动作的可靠性。④切换闭锁相关软件源码程序如下（新增加程序）

/**************开入量扫描处理*************/

uint16 kr_scan（void）

{

KR_SCAN_T*pscan；

uint16 j，bit_val，kr_read；

kr_read=kr165_read（）；

i（f!（FIO0PIN&KR_9））kr_read|=1<<8；

i（f!（FIO0PIN&KR_10））kr_read|=1<<9；

pscan=&kr_scan_data[0]；

fo（r j=0；j

{

bit_val=1<

i（f（kr_read&bit_val）!=（kr_signal.bits&

bit_val）） //有变位

{

pscan->cnt++；

if（pscan->cnt>= pscan->time）

{

pscan->cnt=0；

if（kr_read&bit_val） kr_signal.

bits|=bit_val； //合

else kr_signal.bits&=

～bit_val； //分

kr_signal.leap|=bit_val；

}

}

else//无变位

{

pscan->cnt=0；

}

pscan++；

}

return kr_signal.leap；

}

/**************开入量等信号处理*************/

void central_signal_dea（l void）

{

uint32 tmp，leap；

uint16 i，mail；

i（f PRM_SYS>3）return；

i（f intercom.debug_mode）return；

mail=0；

i（f dev_inf->leap）

{

i（f dev_inf->status）central_alarm_se（t ALM_

ZZGZ）；

tmp=（1<

i（f dev_inf->leap&tmp）

{

i（f dev_inf->status&tmp）

{

protect_close（）；

bzt_close（）；

}

else

{

protect_open（）；

bzt_open（）；

}

}

}

i（f OSSemAccep（t CentralSem））

{

mail=intercom.central_mail；

intercom.central_mail=0；

}

i（f mail&0x01）//*信号复归*

{

i（f（dev_inf->status&（（1<

（1<

{

central_alarm_cl（r ALM_ZZGZ）；

}

central_alarm_clr（ALM_QHDZ）；

prt.inf->status&=prt.enable|（ ～（0x7f<<12））；

prt.Ibc&=（prt.inf->status）&（0x7f<<12）；

if（!（kr_bits_read（）& （1<

lock_clr（LOCK_EXT）；//复归外部闭锁

bzt_sem_post（2）；

}

leap=kr_deal（）；

if（leap）

{

tmp=kr_bits_read（）；

if（PRM_SYS==SYS_ATS）

{

if（RD_BITS（leap，0x03））

{

if（（tmp&0x03）!=0x03）lock_

set（LOCK_JXFW）；

else lock_clr

（LOCK_JXFW）；

}

}

else

{

if（（（leap>>3）&0x03）||（mail&0x02））

{

i=（tmp>>3）&0x03；

if（i==0x01）

{

lock_clr（LOCK_ZDWT）；

lock_clr（LOCK_ZDBS）；

bzt_open（）；

bzt_sem_post（3）；

}

else

{

lock_set（LOCK_ZDWT）；

bzt_close（）；

}

}

}

if（RD_BIT（leap，KR_LOCK））//外部开入

闭锁输入

{

i（f RD_BIT（tmp，KR_LOCK））lock_se（t LOCK_EXT）；//切换闭锁；

else i（f PRM_SYS!=SYS_ATS）lock_cl（r LOCK_EXT）；

}

if （（RD_BIT （leap， KR_KXTZ）） &&（PRM_SYS==SYS_ATS））

{

if （RD_BIT （tmp， KR_KXTZ））central_alarm_se（t ALM_KXTZ）；

else central_alarm_clr（ALM_KXTZ）；

}

}

i（f prt.inf->leap&0x0fff）//*电压异常*

{

fo（r i=0；i<4；i++）

{

i（f i==3&&PRM_SYS<3）break；

i（f（prt.inf->status>>（3*i））&0x07）

central_alarm_se（t ALM_JX1YC+i）；

else central_alarm_clr

（ALM_JX1YC+i）；

}

}

i（f!（prt.Ibc&（0x07<<12）））central_alarm_clr（ALM_GFH）；//过流自动消失

i（f!（prt.Ibc&（0x01<<15）））central_alarm_clr（ALM_MLGL）；//母联过流消失

i（f!（prt.Ibc&（0x07<<16）））central_alarm_clr（ALM_LXGL）；//零序过流消失

if （lock_read （）） central_alarm_set（ALM_QHBS）；

else central_alarm_cl（r ALM_QHBS）；

alarm_ou（t central_alarm_read（））；//*

声光告警开出*

i（fmail&0x01）kc_cmd（XH_GJ，CMD_OFF，0）；

prt.inf->leap=0；

dev_inf->leap=0；

}

3.3 外回路组合继电器闭锁接线方式

图4是外部闭锁组合继电器接线，图5是IPC-03接线图，具体硬件回路闭锁方式可在图4中实现。

图4 外部保持闭锁组合继电器接线图Fig.4 W iring diagram of the external latching combined relay

图5 IPC-03接线图Fig.5 IPC-03 w iring diagram

4 实现闭锁的方式

站用变保护动作脉冲信号发送至外回路组合继电器保持回路，使得继电器线圈3KA（见图4）带电励磁，吸合辅助触点，通过电路的互锁功能，在主回路未失电情况下一直保持有电互锁状态。继电器厂家提供的参数，继电器动作时间为≤20 ms，即站用变保护动作信号脉冲大于20 ms即可形成互锁保持电路，保证能为IPC-03装置提供一个恒定的闭锁信号。

在IPC-03装置获得闭锁信号后，IPC-03装置进入闭锁状态，在未解除闭锁信号的情况下，IPC-03控制ATS一直保持闭锁前的状态不投切，不会因ATS的切换将故障扩大至另一路站用变系统。

在现场维护人员解除负载故障后，只需将闭锁自复位旋钮开关SA1打至解锁位置解除IPC-03的闭锁功能，旋钮开关自动复位保证下次可闭锁。在手动解除故障闭锁输入后，闭锁ATS切换程序继续延时15 s后才完全解除闭锁，此15 s为充电时间。

5 PLC控制方式及法国索高美控制器解决方案

除IPC-03装置作为ATS主控制器件外，通过现场调查统计，目前珠海供电局有4个变电站采用PLC技术作为ATS开关的主控制器件，其余是法国生产的索高美以及韩国生产的ATS控制器主件。在实践试验中，对以PLC、法国索高美、韩国产的为主控制器件的380 V低压系统交流屏中，采用外回路组合继电器逻辑互锁，增加保持继电器的方法解决站用变保护动作脉冲恒定闭锁的问题。该方法是将保护动作较短的脉冲信号通过保持继电器转换成一个恒定保持的接点信号，闭锁保持的信号接入PLC、法国索高美将ATS开关闭锁。该方法可长时间固定闭锁，可靠，人为手动复归。

现场运行维护人员在解除380 V母线故障后，只需将闭锁自复位旋钮开关SA1打至解锁位置解除PLC的闭锁功能，旋钮开关自动复位保证下次可靠闭锁。在手动解除故障闭锁输入后，闭锁ATS切换程序继续延时15 s后才完全解除闭锁，该15 s为充电时间。

接线方式如图6（保持闭锁通用接线方式）、图7所示。

图6 通用外部保持继电器的接线图Fig.6 W iring diagram of the universal external latching relay

通过对一系列的ATS开关控制系统的软件编程和硬件回路继电器的逻辑连接，可靠地实现了当380 V I段母线故障时，ATS开关控制系统不动作切换，有序可靠地保证了事故不扩大范围，稳定了另一半站用变电源系统的可靠供电，实现了变电站计算机后台系统、通信系统、直流系统、站内摇视系统以及操作机构二次系统的电源稳定。

6 结语

正确分析掌握变电站380 V交流系统ATS开关

图7 PLC接线图Fig.7 PLC w iring diagram

自动电源切换原理，熟悉站用变交流系统接线方式，是安全、准确地进行交流系统技术研发跟进的重要保证。本文通过事故现状和研发背景的论证分析，通过过程处理几种方案和现场的全面有效试验、应用实践，从技术手段上，杜绝在站用变380 V低压侧短路故障时，保护动作后保证ATS开关不切换，不造故障扩大的事实，有序的保证了另一路交流系统的稳定可靠供电。通过该项软件技术的研发以及软件和硬件双重实施应用情况看，采取的技术思路对头、背景分析和软件流程逻辑正确、符合运行需要、电力行业技术领先、技术创新亮点多，办法新颖，符合珠海供电局当前运行实际和站用电安全需要。通过查询相关资料，在南方电网系统乃至国家电网系统均未找到防止上述潜在风险问题的有效办法，技术唯一。可在电网系统推广之。

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