CN101917058B

CN101917058B - 备用电源切换方法及***

Info

Publication number: CN101917058B
Application number: CN2010102652374A
Authority: CN
Inventors: 梁俊滔; 陈曙玲
Original assignee: SHENZHEN GUOLIZHENG ELECTRIC POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN GUOLIZHENG ELECTRIC POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN101917058A

Abstract

一种备用电源切换方法及***，包括以下步骤：启动切换，跳开工作电源开关；采集备用电源投入条件；符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件，则执行切换电源动作，投入备用电源；所述达到启动切换，跳开工作电源开关的执行至少包括如下判据的一种或多种，所述判据有：频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动以及频差逆功率启动。采用5种判据之中的至少一种，能够快速、准确的切换电源，以及采用多判断的备用电源投入条件，能够准确的投入备用电源，达到快速、准确的切换并投入备用电源。

Description

备用电源切换方法及***

【技术领域】

本发明涉及电力领域，特别是涉及一种备用电源切换方法及***。

【背景技术】

在石化、冶金等厂矿连续性生产企业，其生产工艺和流程对供电可靠性和连续性提出了很高的要求，供电的中断和电压大幅波动会给企业带来巨大的损失。

如图1，按照传统电力***的n-1准则，为了提高供电可靠性，上述厂矿企业的供电***均采用不少于两个供电电源设计。双进线同时向母线进行供电，母联开关ML断开，I母线和II母线互为备用电源。两条进线来源于同一个电网的不同变电站，当电网发生故障导致其中一段母线(I母线或II母线)失电时，跳开失电母线的进线开关(1DL或2DL)，然后马上将母联ML合上，使失电母线重新受电，以此来提高供电的可靠性。电力***将用来完成这一系列供电电源切换控制的装置统称为备用电源自动投入装置，简称备自投。

由于负荷特性和运行工况的差异，传统的备自投的投入条件通常有三种，即①工作电源已断开(使用“无流”作判据)；②备用电源电压正常(使用“有压”判据)；③负荷母线电压为零(使用“无压”判据)。但条件③却有很大的局限性，因为厂矿企业的主要负荷是各种电动机，当母线失电后电动机群将进入发电机状态，其反馈电压构成了失电母线的残压(如图2)；具有大量电动机负荷的母线失去电源后，特别是具有独立励磁回路的同步电动机，其电压V_M的频率和幅值实际上反映了电动机群剩余的有功(机械惯性)和无功(励磁能量)分量，经常需要数秒才能衰减为零。按条件③投入备用电源，将导致一个较长的停电时间，重新受电后需经历时间较长的机电过渡过程(数秒)，况且此时为了避免大量成组自启动电动机对备用电源的冲击，一般需要切除部分负荷支路，这给等连续性生产企业带来了巨大的经济损失。

此外，厂矿企业的负荷情况复杂，很多大型厂矿配置了自备发电机。在母线失电时，自备发电机由于有独立的励磁回路和动力***，它们对负荷区内的功率和电压消耗均有较强的支撑作用，使得现有的备用电源无法及时切换，及时的投入生产使用。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种备用电源快速的切换方法。

另外，还有必要提供一种备用电源快速的切换***。

一种备用电源切换方法，包括以下步骤：

启动切换，跳开工作电源开关；采集备用电源投入条件；符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件，则执行切换电源动作，投入备用电源；所述达到启动切换，跳开工作电源开关的执行至少包括如下判据的一种，所述判据有：频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动以及频差逆功率启动；

所述频压品质启动判据的条件为：(U_n-U_ab)＞ΔU_p，(U_n-U_bc)＞ΔU_p，(U_n-U_ca)＞ΔU_p，(F_n-F_bus)＞ΔF_p，dF/dt＞50Hz/s，上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz1，所述频压品质启动则执行启动动作；其中U_n和F_n分别指负荷***的额定电压和额定频率；U_ab、U_bc、U_ca是指失电母线的三路线电压；F_bus是指母线的频率；ΔU_p和ΔF_p分别指允许的电压偏差和频率偏差，按照电网供电质量的情况来取值，优选地电压偏差为10～15％U_n和频率偏差为0.2～0.5Hz；dF/dt是指频率滑差；t_dz1代表动作延时；

所述频差启动判据的条件为：F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy，上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz2，所述频差启动则执行启动动作；其中U_bus是测频的母线电压；F_bus是指母线的频率；F_b是指备用电源的频率；ΔF_dz是指频差越限的动作值；U_dy是所述频差启动判据的低压闭锁值；t_dz2代表动作延时；

所述频差无流启动判据的条件为：F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy，I_a＜I_wl，I_b＜I_wl，I_c＜I_wl；上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz3，所述频差无流启动则执行启动动作；其中U_bus是测频的母线电压；F_bus是指母线的频率；F_b是指备用电源的频率；ΔF_dz是指频差越限的动作值；U_dy是所述频差无流启动判据的低压闭锁值；I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_wl是指用于判别无流的定值；t_dz3代表动作延时；

所述逆功率启动判据的条件为：A相功率方向为流出母线，B相功率方向为流出母线，C相功率方向为流出母线，I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set；上述A相功率方向为流出母线、B相功率方向为流出母线、C相功率方向为流出母线条件之中的至少一条成立，以及I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set之中的至少一条成立，且通过设定的动作延时t_dz4，所述逆功率启动则执行启动动作；其中，I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_set是指逆功率判别的启动电流值；t_dz4代表动作延时；

所述频差逆功率启动判据的条件为：A相功率方向为流出母线，B相功率方向为流出母线，C相功率方向为流出母线；I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set；F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy；上述A相功率方向为流出母线、B相功率方向为流出母线、C相功率方向为流出母线条件之中的至少一条成立，I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set之中的至少一条成立，以及F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy都成立，且通过设定的动作延时t_dz5，所述频差逆功率启动则执行启动动作；I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_set是指逆功率判别的启动电流值；t_dz5代表动作延时。。

优选地，所述启动切换，跳开工作电源开关的步骤还包括功率方向闭锁的判据。

优选地，所述启动切换，跳开工作电源开关的步骤还包括U_bus＜30％U_n的判据和/或F_bus＜40Hz的判据；所述U_bus是测频的母线电压；所述U_n是负荷***的额定电压；所述F_bus是指母线的频率。

优选地，所述启动切换，跳开工作电源开关的步骤还包括备用电源正常的判据。

优选地，所述采集备用电源投入条件包括：

步骤S210，母线失电；

步骤S220，判断频差压差是否越限，是则进入无压备自投逻辑的步骤S270，否则转入判断自备发电机是否退出负荷***的步骤S230；

步骤S230，判断自备发电机是否退出负荷***，是则进入判断同步电动机是否退出负荷***的步骤S240，否则进入判断是否满足同期并网条件的步骤S231；所述判断是否满足同期并网条件的步骤S231，是则投入备用电源S260，否则返回步骤S220；

步骤S240，判断同步电动机是否退出负荷***，是则进入判断是否满足异步电动电源投入准则S250的步骤，否则进入判断是否满足同步电动机电源投入准则的步骤S241；所述判断是否满足同步电动机电源投入准则的步骤S241，是则投入备用电源S260，否则返回步骤S220；

步骤S250，判断是否满足异步电动电源投入准则，是则投入备用电源S260，否则返回步骤S220。

优选地，所述符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件的条件还包括：备用电源正常的判据。

优选地，所述符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件的条件还包括：不平衡电压闭锁的判据。

同时还提供一种备用电源切换***，包括：处理模块，与处理模块连接的同步采样模块、开入采集模块以及开出控制模块；同步采样模块，用于采集电流、电压和频率值；开入采集模块，用于采集开入信号，所述开入信号包括断路器辅助接点位置信号、继电保护信号和控制开关信号中的至少一种；处理模块，用于根据所述同步采样模块所采集的电流、电压和频率值，以及开入采集模块所采集的开入信号，通过对工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件进行判断，发出控制信号；所述工作电源开关跳开的判据包括频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动、频差逆功率启动中的至少一种；开出控制模块，用于根据处理模块所发出的控制信号执行控制动作；

优选地，还包括：与处理模块连接的开出信号模块，用于显示处理模块所产生的控制信号；与处理模块连接的GPS时钟模块，用于矫正备用电源切换***的时钟信息。

优选地，还包括：与处理模块连接的人机交互模块，用于设定相关判据的数值和/或反馈备用电源切换***的工作状态；与处理模块连接的通讯模块，用于传输信号、远距离控制及了解所述备用电源切换***；与处理模块连接的打印机模块，用于打印备用电源切换***的参数；与处理模块连接的电源模块，用于为备用电源切换***提供直流电源。

采用5种判据之中的至少一种，能够快速、准确的切换电源，以及采用多判断的备用电源投入条件，能够准确的投入备用电源，达到快速、准确的切换并投入备用电源。

进一步地，还包括2个模拟量闭锁判据，能够更加准确、快速的投入备用电源。

【附图说明】

图1为传统电力***供电方式示意图；

图2为失电母线残压相对备用电源的极坐标图；

图3为备用电源和电动机等值电路的暂态分析模型；

图4为备用电源切换方法的流程图；

图5为启动跳开工作电源开关的逻辑图；

图6为频压品质启动逻辑图；

图7为频差启动逻辑图；

图8为频差无流启动逻辑图；

图9为逆功率启动逻辑图；

图10为频差逆功率启动逻辑图；

图11为功率方向闭锁逻辑图；

图12为备用电源投入控制逻辑图；

图13为投入备用电源的逻辑图；

图14为不平衡电压闭锁逻辑图；

图15为备用电源切换***的原理框图。

【具体实施方式】

为了解决备用电源无法及时切换的问题，提供了一种遵循备用电源投入条件和备用电源快速启动的备用电源快速切换方法。

对于用电负荷，应在转速和母线电压大幅下降前投入备用电源，即失电母线残压(众多电动机的合成的反馈电压，俗称为残压)的幅值和频率还较高时，通过寻求备用电源的投入时机，投入备用电源。由于用电负荷的电动机转速和输出力矩仍然较高，备用电源投入瞬间的冲击不大，投入后的机电过渡时间短(几百毫秒)，使全部或绝大部分用电负荷在没有明显扰动的情况下重新受电。

当电动机失电后，电动机群的输入电流变为零，转子电流逐渐衰减，由于机械惯性，转子转速将从额度值逐渐减速，转子电流磁场将在定子绕组中反向感应电势，形成反馈电压。多台电动机联结于同一母线时，由于各电机容量、负载等情况不同，在惰行过程中，部分异步电动机将呈异步发电机特征，而另一些呈异步电动机特征。如图3所示，备用电源与电动机等值电路的暂态分析模型，忽略电动机绕组电阻、励磁阻抗等，和X_M表示负荷***即电动机群的等值电势和等值电抗；

和X_B表示备用电源***的等值电势和等值电抗；ΔV为两个***之间的电压差，Δθ为两个***之间的功角。

在合适的时候投入备用电源，需要讨论两种情况：一是投入备用电源带来的冲击必须在电网的承受范围内；二是是否会损坏电动机和发电机等转动设备。

对于对电网的冲击，主要包括两个部分：稳态分量和合闸瞬间的暂态冲击。稳态分量，由于用电负荷从工作分支转移到备用分支，对电网有功、无功潮流的分布造成影响；此影响属于电网本身所决定的，而且目前的电网规模比较大，基本不会存在该问题。合闸瞬间的暂态冲击，可以从备用电源切换过程中的电气量变化规律与发生短路故障等异常工况相比较，就可以对其冲击作出一个评估。其中，备用电源投入时的冲击电流I_m通过式1获得，失电母线三相短路时短路电流I_d通过式2获得。由于负荷等值阻抗X_M远大于两倍的备用电源阻抗X_B，而

所以I_m远小于I_d。至于冲击的启动时间，由于电动机转速仍很高，负荷的摩擦力矩并未明显增大，所以在几个周波以后，就会重新拉至接近额定转速，从而使冲击电流明显下降，机电过渡过程很短。故快速投入备用电源对电网的扰动在可以接受的范围内。

I_{m} = \frac{ΔV}{X_{B} + X_{M}} < \frac{2 | {\overset{\cdot}{V}}_{B} |}{{2 X}_{B}}

(式1)

I_{d} = \frac{| {\overset{\cdot}{V}}_{B} |}{X_{B}}

(式2)

对于电动机和发电机等转动设备，即对用电负荷的分析。备用电源投入瞬间，电动机承受的冲击可分为有功和无功分量。有功冲击主要体现为电动机转轴承受的冲击，冲击的瞬间大小由功角Δθ决定，持续时间由频差Δf决定，无功冲击由ΔV的幅值决定。现对各种电机的控制区间进行分析：

(1)对于有异步电动机的负荷***，由于其本身就运行在异步工况，而且自身没有励磁电源，所以其可以投入备用电源的区间较宽，具体的有以下几种因素：

备用电源投入瞬间ΔV的幅值太高，会对电机定子绕组的绝缘造成损害。由于母线残压

的幅值是不断下降的，所以只要不在和

反相时投入备用电源，ΔV的幅值就可以得到控制。

备用电源投入瞬间角差Δθ不能太大，否则电动机所带负载将使电机转轴承受远超额定值的扭矩，当Δθ＞90°由于转子感应电势与定子磁场反向，负载获得的瞬间加速度将随角差Δθ增大呈几何增加，使得电机转轴受到损伤，所以应将投入瞬间的角差Δθ控制在90°以内；考虑到控制的误差，投入角差Δθ优选地控制在工程目标值为80°。

备用电源投入时，电动机的转速不能太低，转速越低机电过程越长，自启动电流越大，其它需要特殊启动方式的大型异步电动机甚至于无法完成自启过程重新进入正常工况，导致不间断重新受电失败，对于绝大部分现场应要求在80％额定转速以上，即频差Δf 10Hz以内。

备用电源投入时，母线的残压不能太低，因为异步电动机转子的励磁电流是通过感应定子交变磁场来的，母线残压太低时，表明其励磁电流大部已经衰减，受电后要重新获取额定的转矩耗时偏长；况且母线残压太低时对频率和相角的测量也是不利的，会影响控制的精度。

(2)对于有同步电动机的负荷***，为了确保备用电源投入后可以将其拉入同步，对投入瞬间的频差Δf和角差Δθ均有较严要求：首先，投入瞬间的频差Δf必须小于5Hz，母线端口残压大于60％，否则需要在投入备用电源前将其与母线断开；其次，频差大小不一样时，对投入角差Δθ的要求不同，为了便于工程实施，按式3和式4划定控制区域。

Δf＜1Hz时，Δθ＜65° (式3)

5Hz＞Δf＞1Hz时，Δθ＜30° (式4)

(3)对于有自备发电机的负荷***，备用电源投入的过程实际上等同于两个解列***重新并网的过程，由于频率过低会损坏发电机的动力***，所以当频差Δf大于3Hz时将发电机强制退出运行；当频差Δf小于或等于3Hz时，按照差频同期并网原则在角差Δθ接近0°时投入备用电源。

结合附图4，基于上述技术思想，提出备用电源切换方法，附图中“+”表示“或”，“&”表示“与”。具体方法包括以下步骤：

S100，启动切换，跳开工作电源开关。结合附图5，具体地，达到启动切换，跳开工作电源开关的快速执行，至少包括如下判据的一种或多种，包括：频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动以及频差逆功率启动。

频压品质启动，结合附图6，频压品质启动的判据通过检测母线的供电情况来确定母线是否失电。具体地，在交流***中频率对应有功功率，电压对应无功功率，只有两者均合格时，供电情况才是正常的。只要电网没有发生解列(电力***或发电设备由于保护或安全自动装置动作或按规定的要求，解开相互连接使其单独运行的操作)，***的频率是唯一的，因此比传统的低压启动的灵敏性和选择性要好得多。主要是通过频率偏差(额定频率减去实测频率，简称频差)和电压偏差(额定电压减去实测电压，简称压差)均大于允许偏差时，则启动切换。

具体地，该频压品质启动判据的条件为：(U_n-U_ab)＞ΔU_p，(U_n-U_bc)＞ΔU_p，(U_n-U_ca)＞ΔU_p，(F_n-F_bus)＞ΔFp，dF/dt＞50Hz/s(该条件在逻辑图中为“非”，取反)，上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz1，该频压品质启动则执行启动动作。其中U_n和F_n分别指负荷***的额定电压和额定频率；U_ab、U_bc、U_ca是指失电母线的三路线电压；F_bus是指母线的频率；ΔU_p和ΔF_p分别指允许的电压偏差和频率偏差，按照电网供电质量的情况来取值，优选地电压偏差为10～15％U_n和频率偏差为0.2～0.5Hz；dF/dt是指频率滑差，即变化率，优选地为小于或等于50Hz/S，因为频率反映机械惯性，下降太快代表测量错误或负荷***已崩溃；t_dz1代表动作延时，优选地取50～100ms。

频差启动，结合附图7，频差启动的判据通过比较母线频率与备用电源频率来确定母线是否失电。具体地，对于大多数连续生产的企业，两个备用电源来源于同一个电网，所以正常运行时两备用电源的频率完全相同；即便电网故障引起短时晃电(晃电是指电网电压瞬时跌落又恢复正常的现象)，只要不造成解列，两备用电源的频率仍然相同；仅在电网解列后，即完全失去电源后，造成负荷***的电动机转速下降才会启动。在同步电动机和自备发电机占较大比重的负荷***，失电后电压下降很慢，该频差启动判据依然可以确保可靠的启动动作。

具体地，该频差启动判据的条件为：F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy，上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz2，该频差启动则执行启动动作。其中U_bus是测频的母线电压(U_bus是指当前被判为失电母线的电压)；F_bus是指母线的频率；F_b是指备用电源的频率；ΔF_dz是指频差越限的动作值，优选地为0.2～0.5Hz；U_dy是该判据的低压闭锁值，由于判据主要应用于母线残压幅值下降缓慢的场合，所以在电压较低时应该闭锁，优选为60～80％U_n；t_dz2代表动作延时，一般取50～100ms。

频差无流启动，结合附图8，频差无流启动的判据通过对工作电源进线无流的判别，可以增加检测可靠性和加快检测速度。具体地，无流即没有有效的功率输入，此时负荷***是失电；而且进行无流检测的速度和可靠性比传统的频率检测的特性好，故可以通过设置较小的频差和较短的动作延时来缩短备自投的启动时间，提高快速切换的成功率。该频差无流启动的判据对于检测工作电源进线对侧开关或电网远方解列造成的负荷***失电具有良好的效果。

具体地，F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy，I_a＜I_wl，I_b＜I_wl，I_c＜I_wl。上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz3，该频差无流启动则执行启动动作。其中U_bus是测频的母线电压；F_bus是指母线的频率；F_b是指备用电源的频率；ΔF_dz是指频差越限的动作值，优选为0.2～0.5Hz；U_dy是该判据的低压闭锁值，由于判据主要应用于母线残压幅值下降缓慢的场合，所以在电压较低时应该闭锁，一般为60～80％U_n；I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_wl是指用于判别无流的定值，应根据现场电流回路的测量精度设定，具体地，I_wl的取值为现场能够准确检测出来的最小电流值，因为测量装置的测量回路存在零漂，现场电流互感器有测量死区，优选地取3～5％的额定电流值；t_dz3代表动作延时，一般取20～50ms。

逆功率启动，结合附图9，逆功率启动的判据通过检测功率的流向。具体地，在正常工况下，负荷从电网获取能量，所以功率方向从电网指向母线，即电流方向为流入母线；当工作进线发生故障后，如故障点在母线与电源之间，负荷***中的电动机群将会向故障点反馈电流，导致故障相电流反向，从母线指向电网。对于配置了自备发电机的厂矿，按照电网的运行规程，用户自备发电机是不能向电网倒送功率的，所以正常工况下也不会产生逆功率，或逆功率的值很小。该逆功率启动判据的优点是响应速度快，只要一有故障点，一般20ms左右即可以可靠的检测出来；尤其对于在母线近端发生的故障具有良好的响应速度和选择性。而且，与装设在电源侧的继电保护装置不同，发生不对称短路故障时，并非故障相的电流最大，这是因为反馈电流的能量是通过非故障相电流提供的，逆功率启动的判据都有所体现。

具体地，该逆功率启动判据的条件为：A相功率方向为流出母线，B相功率方向为流出母线，C相功率方向为流出母线，I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set。上述A相功率方向为流出母线、B相功率方向为流出母线、C相功率方向为流出母线条件之中的至少一条成立，以及I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set之中的至少一条成立，且通过设定的动作延时t_dz4，该逆功率启动则执行启动动作。其中，I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_set是指逆功率判别的启动电流值，对于没有自备发电机的工作情况，优选地设定为10％左右的额定电流值，在其它实施例中，按躲开正常工作情况的逆功率电流设定，优选地为10～20％额定电流值；t_dz4代表动作延时，如母线近端是电缆线路，优选地选取20ms或以上，若为架空线路，因为要避免雷击时避雷器放电导致的误动，按照继电保护运行规程，则设定为80～100ms。

频差逆功率启动，结合附图10，频差逆功率启动的判据通过检测功率的流向，重点考虑到发电机调速机构客观上存在一定的响应时间，当负荷***变化较大时，可能会出现短暂的逆功率工作情况，要确保备自投装置不能误动导致不必要的切换，就必须加入***解列的必要条件-频率的变化，以确保备自投装置动作的选择性。该频差逆功率启动的判据优选地在电网对侧开关的继电保护装置动作完全切断母线与电网的联系后，才执行电源切换的动作。

具体地，该频差逆功率启动判据的条件为：A相功率方向为流出母线，B相功率方向为流出母线，C相功率方向为流出母线；I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set；F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bsu＞U_dy。上述A相功率方向为流出母线、B相功率方向为流出母线、C相功率方向为流出母线条件之中的至少一条成立，I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set之中的至少一条成立，以及F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy都成立，且通过设定的动作延时t_dz5，该频差逆功率启动则执行启动动作。I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_set是指逆功率判别的启动电流值，对于没有自备发电机的工作情况，优选地设定为10％左右的额定电流值，在其它实施例中按躲开正常工作情况的逆功率电流设定，优选地为10～20％额定电流值；t_dz5代表动作延时，如母线近端是电缆线路，一般取20ms以上，若为架空线路，因为要避免雷击时避雷器放电导致的误动，按照继电保护运行规程，则设定为80～100ms。

在其它实施例中，步骤S100还包括功率方向闭锁，结合附图11，功率方向闭锁的判据通过利用电流方向和幅值来识别区内是否存在故障点，该区内是指母线和各出线分支。具体地，在生产企业中低压母线的出线分支较多，供配电***内部发生故障的概率较高，也不可能同时提供所有中低压分支和设备的保护信号作为快速电源切换的闭锁信号；由于切换的启动速度远快于传统备自投，所以必须考虑功率方向闭锁与低压保护装置配合执行。因此，备自投装置需要承担起部分识别区内、区外故障的任务，为电源切换的正确性提供保障。

具体地，该功率方向闭锁判据的条件为：A相功率方向为流入母线，B相功率方向为流入母线，C相功率方向为流入母线，I_a＞I_load，I_b＞I_load，I_c＞I_load，U_ab＜U_set，U_bc＜U_set，U_ca＜U_set。上述A相功率方向为流入母线、B相功率方向为流入母线、C相功率方向为流入母线条件必须同时成立，I_a＞I_load，I_b＞I_load，I_c＞I_load条件之中的至少一条成立，以及U_ab＜U_set，U_bc＜U_set，U_ca＜U_set条件之中的至少一条成立，且通过设定的动作延时t_dz6，该功率方向闭锁则执行闭锁动作。I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_load是指正常工况下的最大负荷电流；U_ac、U_bc、U_ca是指失电母线的三路线电压；U_set是指低压闭锁定值，优选为80％额定电压；t_dz6为闭锁延时。该闭锁分为两个阶段，首先是无延时进入暂时闭锁状态，持续一定时间后，进入可靠闭锁状态，此时需要母线电压、频率和功率方向达到返回条件才能重新开放备自投(如上述频差逆功率启动判据等)；如闭锁时间小于预设值的t_dz6闭锁延时，则马上开放备自投。该功率方向闭锁判据优选地适用于一些特大型电动机起动时造成母线电压突降的工况，可以避免备自投误动。

闭锁延时t_dz6的整定，分为两种情况：

一是现场没有装设母线保护，应在确保小于工作电源的远后备保护动作时间的前提下，取值尽量的大。具体地，该远后备保护动作时间是指，当母线或负荷支路发生短路故障时，如果当地装设的继电保护装置没有正确动作(拒动)，装设在工作进线电源侧(母线对侧或上一级)的继电保护动作时间。针对远后备保护动作时间一般设置为当地保护动作时间加上一个级差(一般为300～1000ms)，以减少停电的区域。这是因为当母线故障时，如果现场没有装设母线保护，就必须依靠进线远后备保护动作来切除故障点，而且母线故障多数为永久性故障，所以装置须在远后备保护动作前退出监视状态，以确保不会因低压切换启动而将后备电源投入到故障母线上(远后备保护动作后，故障电流消失)。对于负荷支路发生的故障，则相应保护动作后，装置马上开放所有启动判据，以免发生相继故障时拒动。所以对于这种现场工况，工作电源进线的远后备保护动作时间越长，该功率方向闭锁判据对母线故障和负荷支路故障的选择性越好。

二是现场装设了母线保护，或者基本不存在母线故障的风险，则仅考虑大于负荷支路保护动作时间即可。此时仅当负荷***的支路保护拒动时，装置退出对负荷***的监视状态。

在其它实施例中，步骤S100还包括备用电源正常的判据(该备用电源正常时一般为备用电源额定电压的95％，频率偏差为0.5Hz，即49.5Hz～50.5Hz)，U_bus＜30％U_n(该条件在逻辑图中为“非”，取反)，F_bus＜40Hz(该条件在逻辑图中为“非”，取反)。在一实施例中，上述频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动、频差逆功率启动中至少一判据成立，备用电源正常成立，以及取“反”的功率方向闭锁判据、U_bus＜30％U_n、F_bus＜40Hz成立，则启动切换，跳开工作电源开关。

S200，采集备用电源投入条件。

具体地，结合附图12，步骤S210，母线失电。

步骤S220，判断频差压差是否越限，是则进入无压备自投逻辑S270，否则转入步骤S230。具体地，频差Δf为额定频率的10Hz，压差ΔV为额定电压的60％以上，是则进入下一步骤S230，否则转入传统的无压备自投逻辑S270，即等待所有的负荷***的电压降为零，然后再投入备用电源。

步骤S230，判断自备发电机是否退出负荷***，是则进入步骤S240，否则进入步骤S231。步骤S231，判断是否满足同期并网条件，是则投入备用电源S260，否则返回步骤S220。具体地，检测是否有自备发电机退出负荷***，可以通过检测频差Δf是否大于3Hz，是则强制把自备发电机退出负荷***并进入步骤S240，否则进入步骤S231。步骤S231，判断是否满足同期并网条件，即频差Δf小于或等于3Hz，且自备发电机的相位角与备用电源的相位角Δθ接近0°，若满足则投入备用电源S260，否则返回步骤S220。

步骤S240，判断同步电动机是否退出负荷***，是则进入步骤S250，否则进入步骤S241。步骤S241，判断是否满足同步电动机电源投入准则，是则投入备用电源S260，否则返回步骤S220。具体地，检测是否有同步电动机退出负荷***，是则进入步骤S250，否则进入步骤S241。步骤S241，判断是否满足同步电动机电源投入准则，即投入瞬间的频差Δf小于5Hz，端口残压即母线与负荷线路之间的连接端口处的大于备用电源的电压60％，同时频差在Δf小于1Hz且角差Δθ小于65°，或者频差在Δf小于5Hz大于1Hz且角差Δθ小于30°，若满足则投入备用电源S260，否则返回步骤S220。

步骤S250，判断是否满足异步电动电源投入准则，是则投入备用电源S260，否则返回步骤S220。具体地，负荷***电压

和备用电源电压同相，备用电源投入瞬间的角差Δθ小于90°，优选地为80°，负荷***的电动机转速在额定值的80％以上，频差在10Hz以内，若满足则投入备用电源，否则返回步骤S220。

上述步骤中的自备发电机和同步电动机是否已退出，即负荷***中是否有自备发电机和同步电动机，可以通过监视设备对负荷***进行监视，判断负荷***中是否有自备发电机和同步电动机。要确保整个备用电源投入过程的安全性和成功率，关键是通过实时监视负荷***中自备发电机和同步电动机的运行工况来决定投入界限。同时异步电动机的电源投入准则最宽松，如果不满足证明快速投入备用电源的时机已完全丧失。

在其它实施例中，上述步骤S230、步骤S240以及步骤S250中至少一步骤成立，则进入投入备用电源的步骤S260。即，判断自备发电机是否退出负荷***的步骤，判断同步电动机是否退出负荷***的步骤以及判断是否满足异步电动电源投入准则的步骤，其中的至少一个成立，都满足备用电源投入的条件。

S300，结合附图13，该工作电源开关跳开以及符合备用电源投入条件，则执行切换电源动作，投入备用电源。

在其它实施例中，该执行完成切换电源动作还符合不平衡电压闭锁判据。结合附图14，该不平衡电压闭锁判据，当发生区外短路故障时，工作电源开关跳开以后，故障点消失，母线三相电压应该基本平衡；否则认为***中仍然存在短路点，应该闭锁备自投装置。该不平衡电压闭锁判据主要用于闭锁负荷支路发生的不对称短路故障。

U_max和U_min分别是母线三个线电压的最大值和最小值，U_n是额定电压值。该不平衡电压闭锁判据的特点是仅在断开工作电源和投入备用电源之间投入，且仅作暂时闭锁，一旦特征量消失，马上开放备用电源投入的控制逻辑。具体地，(U_max-U_min)＞20％Un，工作电源进线开关已经断开，且两条件必须同时成立，则为暂时闭锁。该不平衡电压闭锁判据在投入备用电源的逻辑图中表示为取反，即为“非”。

在一实施例中，该执行完成切换电源动作还需再次检测是否符合备用电源正常的判据(该备用电源正常时一般为备用电源额定电压的95％，频率偏差为0.5Hz，即49.5Hz～50.5Hz)。当工作电源开关跳开、备用电源投入条件、备用电源正常以及不平衡电压闭锁(该条件在逻辑图中为“非”，取反)全部满足，则执行完成切换电源动作，投入备用电源。

基于上述备用电源切换方法，有必要提供一种备用电源切换***，结合附图15进行阐述。

该备用电源切换***包括处理模块10、与处理模块10连接的同步采样模块20、开入采集模块30以及开出控制模块40。

同步采样模块20，用于采集备自投控制所需的电流、电压和频率值，具体地采集向厂矿等连续性生产企业的供电线路、备用电源线路、母线或负荷线路及其支路等中至少一线路的交直流的电流、电压和频率值。该同步采样模块20的采样频率优选地为3200点/秒，同时通过“过零比较电路”测量各路电压信号的频率。每个同步采样模块20均设计了电气隔离和低通滤波电路，满足工业现场的抗扰度要求。

开入采集模块30，用于采集开入信号，该开入信号包括断路器辅助接点位置信号、各分支继电保护信号和控制开关信号等一些开入控制信号。具体地，该开入采集模块30优选地采集220V/110V的开入信号，且采用的了光电隔离技术，具有良好的抗干扰性，

处理模块10，用于根据同步采样模块20所采集的电流、电压和频率值，以及开入采集模块30所采集的开入信号，通过上述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件的判断，发出控制信号。该工作电源开关跳开的判据的成立，包括如上所述的：频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动、频差逆功率启动的判据中的至少一条判据成立，备用电源正常，取“反”的功率方向闭锁判据、U_bus＜30％U_n以及F_bus＜40Hz同时成立。该满足备用电源投入条件，即可按异步电动机的条件判别，该异步电动机的条件最为宽松。

该处理模块10还包括主处理模块11和从处理模块12，用于处理比传统的备自投***更多、更复杂的数据。该主处理模块11用于根据接收到的电流、电压和频率的值进行处理；该从处理模块12用于把采集到的电流、电压和频率传输给主处理模块11，或者接收主处理模块11所处理得到的结果并生成控制信号。该主处理模块11为高速的RISC MPU，从处理模块12为ASIC芯片。

开出控制模块40，用于根据处理模块10所发出的控制信号执行控制动作。具体地，控制相应断路器的分合或控制开关的分合。该开出控制模块40采用光电耦合和小型密封继电器设计，具有很高的环境适应力，能够用于不同环境的工厂企业。

在其它实施例中，备用电源切换***还包括与处理模块10连接的开出信号模块50，用于显示处理模块10所产生的控制信号，如装置故障、切换完毕、切换失败、开关位置异常等。该开出信号模块50采用光电耦合和小型密封继电器设计，接点容量为220V/5A。

在其它实施例中，备用电源切换***还包括与处理模块10连接的人机交互模块60，用于设定相关判据的数值或反馈备用电源切换***的工作状态。

在其它实施例中，备用电源切换***还包括与处理模块10连接的通讯模块70，用于传输信号，可远距离控制及了解该备用电源切换***。该通讯模块70为双以太网通讯模块、双RS485通讯模块或wifi通讯模块等。

在其它实施例中，备用电源切换***还包括与处理模块10连接的GPS时钟模块80，用于矫正备用电源切换***的时钟信息，确保电源切换的及时和准确。

在其它实施例中，备用电源切换***还包括与处理模块10连接的打印机模块90，用于打印备用电源切换***的参数或当前备用电源切换***的工作状态等，例如测量的电流、电压及频率等。

在其它实施例中，备用电源切换***还包括与处理模块10连接的电源模块100，用于为备用电源切换***提供直流电源，确保正常工作。所提供电源包括正负5V、12V及24V等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种备用电源切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动切换，跳开工作电源开关；

采集备用电源投入条件；

符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件，则执行切换电源动作，投入备用电源；

达到所述启动切换，跳开工作电源开关的执行至少包括如下判据的一种，所述判据有：频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动以及频差逆功率启动；

所述频压品质启动判据的条件为：(U_n-U_ab)＞ΔU_p，(U_n-U_bc)＞ΔU_p，(U_n-U_ca)＞ΔU_p，(F_n-F_bus)＞ΔF_p，dF/dt＞50Hz/s，上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz1，所述频压品质启动则执行启动动作；其中U_n和F_n分别指负荷***的额定电压和额定频率；U_ab、U_bc、U_ca是指失电母线的三路线电压；F_bus是指母线的频率；ΔU_p和ΔF_p分别指允许的电压偏差和频率偏差，按照电网供电质量的情况来取值；dF/dt是指频率滑差；t_dz1代表动作延时；

所述频差启动判据的条件为：F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy1，上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz2，所述频差启动则执行启动动作；其中U_bus是测频的母线电压；F_bus是指母线的频率；F_b是指备用电源的频率；ΔF_dz是指频差越限的动作值；U_dy1是所述频差启动判据的低压闭锁值；t_dz2代表动作延时；

所述频差无流启动判据的条件为：F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy2，I_a＜I_wl，I_b＜I_wl，I_c＜I_wl；上述条件必须同时满足，通过设定的动作延时t_dz3，所述频差无流启动则执行启动动作；其中U_bus是测频的母线电压；F_bus是指母线的频率；F_b是指备用电源的频率；ΔF_dz是指频差越限的动作值；U_dy2是所述频差无流启动判据的低压闭锁值；I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_wl是指用于判别无流的定值；t_dz3代表动作延时；

所述频差逆功率启动判据的条件为：A相功率方向为流出母线，B相功率方向为流出母线，C相功率方向为流出母线；I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set；F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy3；上述A相功率方向为流出母线、B相功率方向为流出母线、C相功率方向为流出母线条件之中的至少一条成立，I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set之中的至少一条成立，以及F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy3都成立，且通过设定的动作延时t_dz5，所述频差逆功率启动则执行启动动作；I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_set是指逆功率判别的启动电流值；Udy₃是所述频差逆功率启动判据的低压闭锁值；t_dz5代表动作延时。

2.根据权利要求1所述的备用电源切换方法，其特征在于，所述启动切换，跳开工作电源开关的步骤还包括功率方向闭锁的判据。

3.根据权利要求1所述的备用电源切换方法，其特征在于，所述启动切换，跳开工作电源开关的步骤还包括U_bus＜30％U_n的判据和/或F_bus＜40Hz的判据；

所述U_bus是测频的母线电压；所述U_n是负荷***的额定电压；所述F_bus是指母线的频率。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的备用电源切换方法，其特征在于，所述启动切换，跳开工作电源开关的步骤还包括备用电源正常的判据。

5.根据权利要求1所述的备用电源切换方法，其特征在于，所述采集备用电源投入条件包括：

步骤S210，母线失电；

6.根据权利要求1所述的备用电源切换方法，其特征在于，所述符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件的条件还包括：备用电源正常的判据。

7.根据权利要求1所述的备用电源切换方法，其特征在于，所述符合所述工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件的条件还包括：不平衡电压闭锁的判据。

8.一种备用电源切换***，其特征在于，包括：处理模块，与处理模块连接的同步采样模块、开入采集模块以及开出控制模块；

同步采样模块，用于采集电流、电压和频率值；

开入采集模块，用于采集开入信号，所述开入信号包括断路器辅助接点位置信号、继电保护信号和控制开关信号中的至少一种；

处理模块，用于根据所述同步采样模块所采集的电流、电压和频率值，以及开入采集模块所采集的开入信号，通过对工作电源开关跳开的判据以及备用电源投入条件进行判断，发出控制信号；所述工作电源开关跳开的判据包括频压品质启动、频差启动、频差无流启动、逆功率启动、频差逆功率启动中的至少一种；

开出控制模块，用于根据处理模块所发出的控制信号执行控制动作。

所述频差逆功率启动判据的条件为：A相功率方向为流出母线，B相功率方向为流出母线，C相功率方向为流出母线；I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set；F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy3；上述A相功率方向为流出母线、B相功率方向为流出母线、C相功率方向为流出母线条件之中的至少一条成立，I_a＞I_set，I_b＞I_set，I_c＞I_set之中的至少一条成立，以及F_bus＜F_n，(F_b-F_bus)＞ΔF_dz，U_bus＞U_dy3都成立，且通过设定的动作延时t_dz5，所述频差逆功率启动则执行启动动作；I_a、I_b、I_c是指工作电源进线的三相电流；I_set是指逆功率判别的启动电流值；U_dy3是所述频差逆功率启动判据的低压闭锁值；t_dz5代表动作延时。

9.根据权利要求8所述的备用电源切换***，其特征在于，还包括：与处理模块连接的开出信号模块，用于显示处理模块所产生的控制信号；与处理模块连接的GPS时钟模块，用于矫正备用电源切换***的时钟信息。

10.根据权利要求8所述的备用电源切换***，其特征在于，还包括：与处理模块连接的人机交互模块，用于设定相关判据的数值和/或反馈备用电源切换***的工作状态；与处理模块连接的通讯模块，用于传输信号、远距离控制及了解所述备用电源切换***；与处理模块连接的打印机模块，用于打印备用电源切换***的参数；与处理模块连接的电源模块，用于为备用电源切换***提供直流电源。