基于备自投原理的多电源切换系统设计与实现

周清平

（华自科技股份有限公司，长沙 410205）

在电力系统自动控制领域，电源切换目前主要集中在双回路电源的自动投切，如市电-市电自投系统、市电-发电自投系统等，其控制系统及操作装置的研究与应用已经非常成熟，然而对于多电源系统的研究与产品的开发目前仍是非常滞后，无法满足随着社会经济高速发展及物质生活水平提高人们对供电稳定性及供电质量的要求。除改善电源系统本身的电能质量，发展与建立多电源的自动切换与备投是提高供电可靠与安全性最有效的方法与途径，然而多回路电源自动投切与控制却是其中的难题，既要满足复杂控制的要求，又要满足安全可行的要求。本文将以四电源的智能快速切换的研究为例详细阐述多电源自动投切的理论与方法，对电力建设的发展与社会经济的促进具有重要与积极的作用。

1 电源切换系统现状

随着社会经济的发展，物质生活水平的不断提高，人们对优质的供电电源的要求也日益苛刻，不单追求无波动、无闪变、无突降和无谐波等高质量，更要求供电安全与不间断。一回路电源无法满足的情况下，发展成为双电源供电，一用一备，一回故障时另一回能自动切换并备供，保证了用电负荷的不间断供电，保障了人们生命财产安全。双电源供电的理论及应用，包括双电源转换设备、双回路自投装置的研发及制造都非常丰富与成熟，有电源系统的双回路投切，也有负荷终端的双电源转换。

一用一备双电源切换，备用电源[1]在常用电源故障时若同时出现问题，双电源投切将失去意义，因此一回路备用也许仍不能满足人们无止境的需求。三回路、四回路……甚至多回路，才能符合不同工程应用环境的要求。然而，随着需求的发展变化，多回路电源切换的研发与应用相对滞后，一些场合，勉强达到工程的标准，但安全可靠性方面的考虑远远不足，给电力工程带来极大的风险与隐患。

2 多电源切换系统的常规实现

2.1 通用处理方法

因多电源供电方案属于时代发展的产物，是新的电能供应形式和需要，此方面的研究和应用也很少有涌现，目前市场上相应的控制系统与操作装置很难有成熟的产品。满足多电源切换要求的方案各种各样，在实现上无特殊固定形式。

利用现有的科学技术与现代化手段，实现符合功能要求的切换方案并不难，如利用工控机、单片机、PLC 或智能仪表等。因系统组建的方便性及逻辑编程的灵活性，相对而言使用工控机和PLC 来实现多电源的切换会更受研究机构、设备和系统供应的青睐。

如PLC 方案来实现多电源的切换，首先要使用各类信息及状态传感器将电源供电状态及电能质量参数等信息采集到PLC 系统，PLC 依据内部预定的程序和算法来控制各电源进线断路器和母线[3]联络断路器，来实现电源的切断与转换。

2.2 缺陷与不足

目前使用工控机和PLC 等来实现多电源的切换的方案，虽然从一定程度上满足了电力用户对多电源供电的需要，但因电源系统关系着国家整个电力电网运行安全，若出现电源之间的相互环网或并列，直接会导致电力系统越级跳闸甚至电网崩溃，后果不堪设想。正是因为工控机和PLC 的灵活性与方便性，不可避免地带来控制的随意性和风险性，并且在面对不同系统时都是临时进行组建，并且检验与核查无法做到全面具体，因此难免有遗漏与疏忽，从而造成进线电源的并接与电网故障的事故。应用性能稳定、质量可靠且经过长时间挂网运行得到实践验证的装置来实现如此高级别和高要求的智能切换成为一种必要。

3 基于备自投原理的智能快速转换

3.1 备自投装置及原理

微机备自投保护测控装置适用于110kV 及以下电压等级的双进线、单母线[3]分段的备用电源[2]自投及母联保护，其核心部分采用高性能单片机。装置由六个功能标准插件组成，分别为交流输入插件、DSP 插件、继电器插件、操作插件、电源插件和人机接口部分，具有使用方便、抗干扰性强、稳定可靠等优点。

装置采用交流不间断采样方式采集开关量及模拟量信号，通过A/D 转换，CPU 实时进行傅里叶法分析与运算，在线观察各输入电气量、开关量、定值等信息，准确判断电源状态，并实时进行电源系统及回路的切换。装置既可在液晶数显屏和面板上进行就地操作，也可通过RS485 通信接口实现远程控制，操作简单方便。系统方案图如图1所示。

图1 备自投系统方案图

1#进线作为常用电源，2#进线作为备用电源[2]，在两路电源都正常的情况下，由1#进线电源给母线1 和母线2 供电，此时QF1、QF3 处于合闸状态，QF2 处于分闸闸状态。当1#进线电源发生欠压、跳闸、接地等故障时，经备自投装置准确判断与分析，满足投切条件时，备投装置延时切断 QF1，合闸QF2，使用2#进线电源给母线1 和母线2 供电，从而完成电源的故障投切，保证了负荷的不间断电源。

当常用1#进线电源恢复后，备自投装置再次准确判断与分析，进行电源的恢复，分断QF2，合上QF1 将电源从2#切换复位到1#常用电源。

3.2 系统方案及备投分组

对于多路电源供电的系统，电源之间一般相互独立，互不影响，只有这样才能达到真正的互投互补的作用，从而为用户提供高可靠的不间断供电。但电源之间不能并接，不可环路，因此任一时刻一路电源只能独立工作，多路电源供电时，彼此间须隔离与分断。为更好的分析与阐述多路电源切换理论，以下以四路电源为例。

供电系统配置及运行要求如下：

1）四回路电源供电，彼此为独立电源点，任意两个电源间不得合环。

2）主接线形式为四电源各单独引入一段母线系统，四段母线间设置三个联络点，开环运行。

3）正常工况下，四段应母线独立运行。

4）当发生一个或多个电源故障时，该电源所带之母线段应由其邻近的一段母线提供电源。

系统方案如图2所示。

图2 系统方案图

3.3 智能组合实现

四回路系统电源切换方案控制对象为四台电源进线柜和三台联络柜，即1#进线柜、2#进线柜、3#进线柜、4#进线柜、联络柜1、联络柜2、联络柜3。运用备自投[1]的原理，我们对电源进行组合，并搭配对应的联络柜，形成一个双回路互投系统，从而轻易使用互投互切装置。具体思路及方案如下：

1）在以上四回路电源切换系统中我们可将1#进线柜、2#进线柜及联络柜1 构成一个互投系统，由备投1 实现双电源回路的自动投切。3#进线柜、4#进线柜及联络柜3 构成一个互投系统，由备投3实现双电源回路的自动投切。联络柜1，联络柜2，联络柜3 分别安装一台备自投保护装置，即备投1、备投2、备投3。

2）将1#进线柜、2#进线柜及联络柜1 构成一个互投系统当成一个独立的电源系统，3#进线柜、4#进线柜及联络柜3 构成一个互投系统当成另一个独立的电源系统，两个电源系统与联络柜2 再次构成一个互投系统，由备投2 实现双电源系统的自动投切。

3）构成的双回路互投系统的投切原理同备自投装置的工作原理，整理备投系统方案如图3所示。

图3 智能组合方案图

4 后备可靠安全互锁

在运用了备自投装置双回路的互投互切原理实现了四回路电源的智能切换功能，基于备投装置的成熟、稳定及可靠性，人们对多电源的切换的安全性不再特别担心。作为涉及电网系统安全的进线电源，为提高及保证系统，确保万无一失，在已有的基础上再进行一道后备可靠安全互锁。如对1#电源进线的互锁，如图4所示。

图4 电源进线合闸闭锁图

为安全起见，1#进线柜的断路器QF1 只有在满足必定的条件下才能允许合闸，在后台误信息、微机装置误动作或人为误操作的情形下，都能起到安全互锁的作用。首先，QF2 和QF5 当中最多允许有一台合闸的前提下，QF6 未合闸或者QF3、QF4 都未合闸时，QF1 才能允许合闸，从而保证了动作的安全性。其他回路断路器的合闸同理受到其他因素和条件的制约。

5 结论

基于备自投[1]理论的多电源切换系统的研究与应用，既充分结合和运用了双电源备投理论的成熟及备投装置的稳定可靠，又能以最优方式快速组合系统，实现了多电源系统的安全智能可靠切换，保障了电力电网的稳定坚强，更满足了多电源无间断供电用户的需要。本文提出的理论与思路对电力工程实际有一定的价值和意义，能从实际应用角度解决当前的多电源切换现状，但本理论仍需要不断完善和改进，如双回路分组理论的优化，备自投[1]应用的成本控制以及后备安全互锁算法的完善等。

[1] 李海星,王政涛,王锐,等.基于IEC 61850 标准的网络化备自投功能[J].电力系统保护与控制,2009,37(14): 82-85.

[2] Q/CSG 110012—2011 南方电网备自投装置配置与技术功能规范[S].

[3] 岑尧彬.变电站备用电源自动投切装置的原理及应用[J].科技信息,2007 (24):267.