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）

0 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

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

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；ω为电压角速度；t为合闸时间；α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。

图1 变压器空载合闸磁通变化特征示意

由图1可知，在α=90°时，磁通表示为φmcosωt-φm，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，从而实现备自投电流控制的目标。

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

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

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

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。

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化情况进行对比，实验结果如表2 所示。

表2 时序即电流涌流峰值变化情况对比 单位：s

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。