CN101465560A - 电源快速切换的方法 - Google Patents

Abstract

电源快速切换的方法，电源切换装置在接入8路电压量：即母线I、母线II各三相电压，进线I、进线II各一路电压；4路电流量：进线I的a、c相电流，进线II的a、c相电流；3路开关位置信号：CB1、CB2、CB3的常开辅助接点；在切换时设有正常切换、事故切换、不正常切换三种启动方式，并设有并联自动切换、并联半自动切换、串联切换和同时切换四种切换方式，并且有并联切换、快速切换、越前相角切换、越前时间切换、残压切换和长延时切换六种判定条件；采用三个中断源硬件机制，各个中断源各自独立；第一中断源固定中断周期，第二中断源对母线I进行频率跟踪，第三中断源对母线II进行频率跟踪。

Description

电源快速切换的方法

技术领域

本发明涉及一种电源快速切换的方法及应用该方法的装置，尤其适用于电厂及工业企业厂用电电源的双向切换。

背景技术

供电的连续可靠是各种用电设备安全运行的基本条件，因此，对供电可靠性要求较高的场合一般配置两路供电电源，两路电源间的成功切换是连续不间断供电的关键。

一、普通电源快切装置应用场合-单母线

普通的电源快速切换装置典型应用于单母线的电源切换，主要应用于电厂厂用电的电源切换。通过一台装置实现对两个开关的双向切换，从而实现单母线上的电源快速切换。

普图电源快速切换装置典型应用场合如附图1所示，应用于电厂厂用电的电源切换，实现对两个开关的双向切换。正常工况，母线由“高压厂用变”分支供电，“起动/备用变”分支作为备用电源，“起动/备用变”可热备用也可冷备用。当“高压厂用变”分支故障时，开关CB1跳开，母线失电。由于电动机负荷的机械惯性，母线上的合成反馈电压将逐渐衰减，其与备用分支电源间的频差、相差、压差将不断变化。普通的快切装置通过跟踪母线残压的频率变化，准确测量母线残压的频率、幅值、相位，进而选择CB2开关的最佳合闸时机，快速、可靠的将供电支路切换至“起动/备用变”分支，使得母线不失电，所带负荷不断电运行。

二、普通电源快切装置应用场合-单母分段

随着钢铁、石化等企业对供电的要求越来越高，电源快速切换装置在这些场合应用也越来越广泛，同时对电源快速切换装置提出了更高要求，需要实现对三个开关的双向切换。目前普通的电源快速切换装置需要采用图2所示的配置方案，配置两台快切装置。

普通快切装置I接入模拟量为：母线I的三相电压，进线I的1路电压(相电压或线电压均可)，母线II的ab线电压，进线I的a、c相电流，进线II的a、c相电流；快切装置I接入的开关量为：进线I开关CB1常开辅助接点，分段开关CB3常开辅助接点，闭锁快切开入。

普通快切装置II接入的模拟量及开入量与快切装置I接入的各量对称。

普通快切装置I通过控制开关CB1、CB3，使得母线I的供电分支在进线I与母线II间切换，保证母线I不失电；快切装置II通过控制开关CB2、CB3，使得母线II的供电分支在进线II与母线I间切换，保证母线II不失电；当一台普通快切装置动作时，输出动作接点至对侧的普通快切装置的闭锁开入，闭锁另外一台普通快切装置。

这种配置方案成本较高，且接线较复杂，每台普通快切装置均需要接入5路电压量，4路电流量，2路开关位置信号，1路互锁信号。

根据目前普通的电源快速切换装置的功能，对于单母分段的应用场合，需要两台快切装置来保证两段母线的互为备用，这样一方面成本高，另一方面接线复杂。因此现场应用对电源快速切换装置提出更高的要求，要求单台电源快速切换装置可以实现对三个开关的双向切换功能、完成两段母线的供电分支切换。

发明内容

本发明目的是提供一种能适用于单母分段接线方式的电源快速切换的方法，通过单台电源切换装置即可实现3路开关的双向快切功能，完成两段母线的供电分支切换。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

电源快速切换的方法，电源切换装置在接入8路电压量：即母线I、母线II各三相电压，进线I、进线II各一路电压；4路电流量：进线I的a、c相电流，进线II的a、c相电流；3路开关位置信号：CB1、CB2、CB3的常开辅助接点，在切换时设有正常切换、事故切换、不正常切换三种启动方式，并设有并联自动切换、并联半自动切换、串联切换和同时切换四种切换方式，并且有并联切换、快速切换、越前相角切换、越前时间切换、残压切换和长延时切换六种判定条件；其特征是：采用三个中断源硬件机制，各个中断源各自独立；第一中断源固定中断周期，第二中断源对母线I进行的频率跟踪，第三中断源对母线II进行频率跟踪。在单母分段的应用场合中，一台本发明电源快速切换装置能够同时且无关联的跟踪两段母线电压的频率变化，在事故及正常情况下实现对3路开关的双向切换：

本发明数据采样与数据处理分开进行：第二中断源和第三中断源的中断服务程序用于完成采样操作，采样数据分别存放于数据缓冲区；第一中断源的中断服务程序对采样数据采用全波傅氏算法计算，计算两条母线频率及幅值。

本发明的第一中断源的中断服务程序每个周波计算母线I电压或母线II电压频率变化值，当母线I电压或母线II电压的频率变化值大于预设的频差门槛值0.01～0.03Hz时，更新一次第二或第三中断源中断周期。

本发明的越前时间切换条件根据发合闸命令的导前时间计算预估合闸角，当式(1)中的预估合闸角(θ)为零时，发出合闸命令：

Δt＝快切装置的出口时间+开关固有合闸时间        式(1)

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ\ω}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}*\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)\′*{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2$                          式(2)

其中：Δt为发合闸命令导前时间；θ为预估合闸角；θ₀为目标电源电压和母线残压任意时刻相角差；Δω为母线残压与目标电源间的角速度差；(Δω)′为角速度差的变化率。

式(2)中的半波过零点时刻的θ₀由下述方法计算得到：首先根据式(3)分别计算得到目标电源电压的过零点时刻t1(如图4所示)，母线残压过零点时刻t2；然后根据t1、t2和每周波采样点数计算得到t1到t2时间段内的采样点数；最后再以目标电源电压为基准计算得到t2时刻母线残压与目标电源间的相角差θ₀：

$t_m=t_i-\frac{X_i}{X_{i+1}-X_i}\mathrm{Ts}$       式(3)

其中：tm为曲线过零点时刻；t_i与t_i+1分别为临近过零点tm的两个采样点时刻；X_i与X_i+1分别为t_i与t_i+1时刻的采样点电压幅值；t_i与t_i+1之间的时间间隔为一个采样周期Ts。

式(2)中的其它非过零点时刻相角差θ₀是由采用式(3)已经计算出相邻的6~10个半波过零点的θ₀，采用最小二乘曲线拟合得到。

本发明的有益效果：一台电源快速切换装置即可完成原本需要两台普通电源快速切换装置才能完成的任务，扩大了电源快速切换装置的应用领域，简化了***接线，降低了成本，并且能够减小切换过程中对负荷的冲击。

附图说明

为了对本发明作进一步说明，给出附图：

图1为普通电源快速切换装置的典型应用配置图

图2为普通电源快速切换装置在单母分段场合中的应用配置图

图3为本发明实施案例在单母分段场合中的应用配置图

图4过零点时刻t_m的计算图

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方法。

本发明采用三个中断源方式，通过一台快切装置即可实现两段母线同时且无关联的跟踪，不仅可以应用于图1所述场合，而且可以应用于图2所述场合，完成上述两台普通快切装置的切换功能。按图3所示的方式配置，本发明只需接入8路电压量：即母线I、母线II各三相电压，进线I、进线II各一路电压。4路电流量：进线I的a、c相电流，进线II的a、c相电流；3路开关位置信号：CB1、CB2、CB3的常开辅助接点。

1、本发明具有正常切换、事故切换、不正常切换三种启动方式：

1)正常切换是指正常工况下进行的电源切换。通过装置屏幕菜单或控制台开关或ECS/DCS***手动启动切换，本发明自动识别切换方向，完成开关CB1与CB3、开关CB2与CB3间的双向切换。

2)事故切换是指由于进线故障而引起的切换。将进线I、进线II上的保护装置出口接点接入本发明的“进线1保护启动”开入、“进线2保护启动”开入，由保护装置出口启动切换，实现开关CB1至CB3、开关CB2至CB3的切换。

3)不正常切换是由母线非故障性低压引起的切换。包括两种情况：a.母线I或母线II三相电压持续低压；b、因误操作、开关机构故障等原因造成进线开关CB1或CB2误跳。上述情况下，本发明自动启动切换，实现开关CB1至CB3、开关CB2至CB3的切换。

2、本发明有四种切换方式和六个切换判定条件，结合上述三种启动方式提供完备的切换功能。

电源快速切换装置切换功能简表

以母线I的供电分支由进线I切换至母线II举例说明各切换方式：

1)并联自动切换方式：手动起动切换，并联切换条件满足时，合CB3开关，延时满足“并联跳闸延时”定值，并确认合闸成功后，自动跳开CB1开关。

2)并联半自动切换方式：手动起动切换，并联切换条件满足时，合上CB3开关，跳开CB1开关的操作人工完成。若一定时间内CB1开关仍未跳开，装置告警闭锁；

3)串联切换方式：手动起动切换，发出跳CB1开关命令，待CB1开关跳开且切换条件满足时，合上CB3开关。切换条件包括：快速切换、越前相角切换、越前时间切换、残压切换、长延时切换。

4)同时切换方式：手动起动切换，发出跳CB1开关命令，经定值“同时切换合闸延时”后，无论CB1开关是否跳开，切换条件满足时即发合CB3开关命令。切换条件包括：快速切换、越前相角切换、越前时间切换、残压切换、长延时切换。

以母线I的供电分支由进线I切换至母线II举例说明六种切换判定条件：

1)并联切换条件：母线I与母线II的频差、压差、相差小于“并联切换频差”、“并联切换压差”、“并联切换相差”定值时，并联切换条件满足；

2)快速切换条件：快切装置启动切换后，若当前母线I与母线II的频差、相差小于小于“快切频差”、“快切相差”定值时，快速切换条件满足；

3)越前相角切换条件：快切装置启动切换后，在中断源1的连续两个服务程序中，母线I与母线II的相差跨越“同捕越前相角”定值，且母线I与母线II的频差小于“同捕允许频差”定值时，越前相角切换条件满足；

4)越前时间切换条件：快切装置启动切换后，在中断源1中根据当前母线I与母线II的角差变化速度及其变化率，根据“同捕越前时间”定值，预估母线I的反馈电压与母线II电压的第一次相差为零的合闸点。若预估相差为零，且母线I与母线II的频差小于“同捕允许频差”定值时，越前时间切换条件满足；

5)残压切换条件：快切装置启动切换后，当母线I电压均小于“残压切换幅值”定值时，残压切换条件满足；

6)长延时切换条件：快切装置启动切换后，在“长延时时间”定值设定的延时内，如果上述各切换条件均不满足，则延时结束后长延时切换条件满足，该切换条件作为上述切换条件的总后备；

3、切换过程中为了实现两路母线(母线I和母线II)同时且无关联的频率跟踪，并保证正确的逻辑运算、录波、通讯等功能，本发明的硬件平台采用三个独立的中断源，分别是timer1、timer2和timer3。

l???)timer1采用固定的中断周期，0.833ms启动一次，完成逻辑运算、录波、通讯等功能；timer2用于完成母线I的频率跟踪采样；timer3用于完成母线II的频率跟踪采样。

2)timer2、timer3的中断执行周期由timer1根据母线I、II的频率变化大小进行更新，最快每个周波更新一次。timer2、timer3中断响应后，其中断程序仅执行采样操作，timer2采集母线I的三相电压，timer3采集母线II的三相电压，采样数据存入两个独立的数据缓冲区中。由于timer1、timer2、timer3各自独立，中断服务周期可能不一致，因此timer1中断到来时，两个独立缓冲区中待处理的数据个数也可能不一致，因此timer2、timer3中断服务程序中通过两个全局变量提供待处理数据在缓冲区中的位置标记。timer1中断服务程序对两个数据缓冲区中保存的母线电压采样值采用全波傅氏算法计算频率及幅值，并根据母线频率的变化程度更新timer2、timer3的中断周期。每个周波计算一次频率的变化程度，当母线电压频率变化大于预设的频差门槛时，更新一次timer2(或timer3)的中断周期，这样既可以保证跟踪的快速性，又可以防止跟踪抖动。

4、对于单母分段的接线方式，本发明具有四种切换方向：CB1切换至CB3，CB3切换至CB1，CB2切换至CB3，CB3切换至CB2。因此，timer1的中断服务程序需要根据开关位置及故障情况自动识别切换方向，并自动选择切换时的比较对象，计算相差、频差、压差。例如：正常运行时，CB1，CB2合闸，CB3处于分闸状态，当进线I故障时，保护装置跳开CB1开关，母线I失电，根据CB1开关位置变位及母线I电压跌落，本发明启动。本发明自动选择母线I作为跟踪对象，实时计算母线II与母线I间的相差、频差、压差，选择最佳的合闸时机，合分段开关CB3，使得母线I由母线II带电，保证母线I所带负荷不断电运行。

5、考虑到开关的固定合闸时间，越前时间切换条件根据发合闸命令的导前时间计算预估合闸角，当式(2)中的预估合闸角(θ)为零时，发出合闸命令，确保合闸后对负荷的冲击最小。计算公式为：

Δt＝快切装置的出口时间+开关固有合闸时间    式(1)

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ\ω}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}*\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)\′*{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2$                      式(2)

其中：Δt为发合闸命令的导前时间；θ为预估合闸角；θ₀为目标电源电压与母线残压在某一时刻相角差；Δω为母线残压与目标电源间的角速度差；(Δω)′为角速度差的变化率。

6、越前时间切换条件的式(2)中的θ₀的计算采用以下方法：首先根据式(3)分别计算得到目标电源电压的过零点时刻t1(如图4所示)，母线残压过零点时刻t2；然后根据t1、t2和每周波采样点数计算得到t1到t2时间段内的采样点数；最后再以目标电源电压为基准计算得到t2时刻母线残压与目标电源间的相角差θ₀。

曲线过零时刻如图4所示，tm为曲线过零点时刻；t_i与t_i+1为临近过零点tm的采样点时刻；X_i与X_i+1分别为t_i与t_i+1时刻采样点的电压幅值，t_i与t_i+1之间的时间间隔为一个采样周期Ts。X_i与X_i+1间的正弦曲线可用直线拟合，根据式(3)计算可得过零点时刻的t_m：

$t_m=t_i-\frac{X_i}{X_{i+1}-X_i}\mathrm{Ts}$           式(3)

式(2)中其它非过零点时刻相角差θ₀是采用由(式3)已经计算出相邻的6~10个半波过零点的θ₀，采用最小二乘曲线拟合得到。这样就可以得到任意时刻的θ₀。

Claims (6)

1、电源快速切换的方法，电源切换装置在接入8路电压量：即母线I、母线II各三相电压，进线I、进线II各一路电压；4路电流量：进线I的a、c相电流，进线II的a、c相电流；3路开关位置信号：CB1、CB2、CB3的常开辅助接点；在切换时设有正常切换、事故切换、不正常切换三种启动方式，并设有并联自动切换、并联半自动切换、串联切换和同时切换四种切换方式，并且有并联切换、快速切换、越前相角切换、越前时间切换、残压切换和长延时切换六种判定条件；其特征是：采用三个中断源硬件机制，各个中断源各自独立；第一中断源固定中断周期，第二中断源对母线I进行的频率跟踪，第三中断源对母线II进行频率跟踪。

2、由权利要求1所述的一种电源快速切换的方法，其特征是：数据采样与数据处理分开进行：第二中断源和第三中断源的中断服务程序用于完成采样操作，采样数据分别存放于数据缓冲区；第一中断源的中断服务程序对采样数据采用全波傅氏算法计算，计算两条母线频率及幅值。

3、由权利要求2所述的一种电源快速切换的方法，其特征是：第一中断源的中断服务程序每个周波计算母线I电压或母线II电压频率变化值，当母线I电压或母线II电压的频率变化值大于预设的频差门槛值0.01～0.03Hz时，更新一次第二或第三中断源中断周期。

4、由权利要求1所述的一种电源快速切换方法，其特征是，越前时间切换条件根据发合闸命令的导前时间计算预估合闸角，当式(2)中的预估合闸角θ为零时，发出合闸命令：Δt＝快切装置的出口时间+开关固有合闸时间    式(1)

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ\ω}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}*\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)\′*{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2$                       式(2)

其中：Δt为发合闸命令的导前时间；θ为预估合闸角；θ₀为目标电源电压和母线残压任意时刻相角差；Δω为母线残压与目标电源间的角速度差；(Δω)为角速度差的变化率。

5、由权利要求4所述的一种电源快速切换方法，其特征是式(2)中的半波过零点时刻的θ₀由下述方法计算得到：首先根据式(3)分别计算得到目标电源电压的过零点时刻t1，母线残压过零点时刻t2；然后根据t1、t2和每周波采样点数计算得到t1到t2时间段内的采样点数；最后再以目标电源电压为基准计算得到t2时刻母线残压与目标电源间的相角差θ₀： $t_m=t_i-\frac{X_i}{X_{i+1}-X_i}\mathrm{Ts}$                       式(3)

其中：tm为曲线过零点时刻；t_i与t_i+1为临近过零点tm的两个采样点时刻；X_i与X_i+1分别为t_i与t_i+1时刻的采样点电压幅值；t_i与t_i+1之间的时间间隔为一个采样周期Ts。

6、由权利要求1和权利要求4所述的一种电源快速切换方法，其特征是式(2)中的其它非过零点时刻相角差θ₀是由采用权利要求5的方法已经计算出相邻的6~10个半波过零点的θ₀，采用最小二乘曲线拟合得到。

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