TPM3002无扰动稳定控制装置技术课案Word文档下载推荐.docx

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●装置包含完善的母联保护测控，包含母联后加速保护、遥控、遥信。

●PT 

断线报警、过流闭锁、开关接点异常闭锁等。

●装置提供保护闭锁、装置闭锁、切换闭锁等多种闭锁功能。

●事故记录完善的录波功能以及USB导出。

●支持RS485、CAN等多种通讯方式，支持IEC61850通讯以及IRIG-B对时功能。

3.技术参数

3.1.装置电源

⏹额定电压：

DAC86~276V

⏹纹波系数：

不大于5%

3.2.额定交流输入

⏹交流电流：

5A/1A

⏹交流电压：

100V或57.7V

⏹频率：

50Hz

3.3.功率消耗

⏹交流电流回路：

当I=5A时，每相不大于0.3VA

⏹交流电压回路：

当U=100V时，每相不大于0.3VA

⏹直流电源回路：

当正常工作时，不大于50W，切换时，不大于60W。

3.4.过载能力

1.2倍额定电流下装置可连续工作

10倍额定电流下装置可连续运行10s

20倍额定电流下装置可连续运行1s。

1.2倍额定电压下装置可连续工作

3.5.测量精度

⏹电压电流：

≤2%

≤0.02Hz

⏹相角：

≤0.5

3.6.接点输入输出容量

⏹跳合闸出口：

最大导通电流10A

⏹信号：

DC220V1A

⏹开入量输入：

DC48V或DC110V（定货时需说明）

3.7.时钟精度

装置不仅自身带时钟，还可通过通信进行对时，支持IRIG-BTTL电平或RS485对时，与GPS进行精确对时，误差≤2ms。

3.8.快速切换时间

⏹事故同时切换：

＜10ms＋用户设定延时＋备用开关合闸时间

⏹事故串联切换：

＜10ms＋工作开关跳开时间+备用开关合闸时间

3.9.绝缘性能

⏹绝缘电阻

装置带电部分和非带电部分及外壳之间以及电气上无关联的各电路之间开路电压500V的兆欧表测量其绝缘电阻值，正常试验大气条件下，各等级的回路电阻不小于100MΩ。

⏹介质强度

在正常试验大气条件下，装置能承受频率50HZ，电压2000V历时1分钟的工频耐压试验而无击穿闪络及元件损坏现象。

试验过程中，任一被试回路施加电压时，其余回路等电位互联接地。

⏹冲击电压

各输入输出端子对地，交流回路与直流回路间，交流电流与交流电压间能承受标准雷电冲击波试验。

3.10.抗干扰性能

⏹能承受GB/T14598.14-1998（idtIEC255-22-2）标准规定的严酷等级Ⅳ的静电放电试验。

⏹能承受GB/T14598.9-1995（idtIEC255-22-3）标准规定的严酷等级Ⅳ的辐射电磁场干扰试验。

⏹能承受GB/T14598.13-1998（idtIEC255-22-1）标准规定的严酷等级Ⅳ的1MHz脉冲群干扰试验。

⏹能承受GB/T14598.10-1996（idtIEC255-22-4）标准规定的严酷等级Ⅳ的快速瞬变干扰试验。

3.11.工作环境条件

⏹环境温度：

-20～+60℃

⏹相对湿度：

5%～95%

⏹大气压力：

80～110Kpa

3.12.其他指标满足DL478-92《静态继电保护及安全自动装置通用技术条件》。

3.13.外形尺寸

标准插箱：

225（W）×

266（H）×

250（D）mm

3.14.重量

约5KG

4.硬件说明

TPM300-2型无扰动稳定控制装置采用主流芯片双32位ARM+FPGA架构，多颗16位AD分别采样，数据共享，互为冗余，抗干扰能力、纠错能力极强（新主流芯片抗干扰、温度、运行速度等各项指标高，先进架够实现冗余，纠错能力强），对开关位置采用一常开一常闭双位置防止开关接点不一致，同时采取继电器+光偶方式，自产48V、110V开入接入可选择，对外部电源要求很低，抗干扰能力高。

手动自动完全分开，实现多开关灵活操作，只需相应选择即可。

软件也采取冗余设计，功能全面，用户只需根据需要投退，一般无需修改软件，保证软件版本成熟可靠性。

通讯接口多样，兼容RS485、CAN等双网通讯，同时支持IEC61850，USB全录波下载，IRIG-B校时。

装置主要由电源模件、试验模件、出口模件、开关量模件、CPBA模件、CPUB模件、交流量模件等组成。

见示意图1。

图1硬件系统构成示意图

4.1.电源模件（POWER）

将DAC220V/DAC110V电压转换成+5V，±

15V、+24V、+48V和+110V电源，其中+48V和+110V供装置外部开入使用，其余供装置内部使用。

本开关电源为交/直流两用。

另外，模件提供电源失电信号。

4.2.试验模件（TEST）

内置模拟断路器、控制按钮、信号指示灯等，为方便现场调试。

本模件提供由CPUB发出的母联保护出口及信号，另外，提供9个开入量接口。

4.3.出口模件（KOUT）

跳合闸出口插件。

CPUA发出的跳合闸指令经光电隔离放大后实现最终的出口输出，空接点形式输出，接点容量DAC220V5A。

同时提供切换信息信号。

接点容量220V5A。

4.4.开入模件（KIN）

开关量输入转换板。

将来自控制台、保护回路和其它控制设备的开关量（空接点）经继电器和光电两级隔离后供CPU板测量判断。

4.5.CPUA模件（CPUA）

ARM芯片主要完模拟量及开关量测量、计算判断、出口动作等主要功能，CPUA与CPUB间通过双口RAM进行数据交换。

4.6.CPUB模件（CPUB）

2位CPUARM+FPGA芯片主要完成母联模拟量及开关量测量、计算判断、出口动作等主要逻辑功能，同时完成液晶显示、键盘操作、录波等辅助功能；

该模件配有通信模块，用于CAN网、RS485、以太网等多种通信模式和USB接口。

4.7.交流模件（AL）

将现场PT二次输出电压和CT二次输出电流隔离变换成小信号送主CPU插件。

PT、CT均为高精度电流输出型。

交流模件的电压测量可支持100V或380V直接输入，电流测量可兼容5A或1A额定CT电流。

5.切换功能

5.1.切换（合闸）条件

TPM300-2微机无扰动稳定控制装置的一个及其重要的特性是起动后，以最短的时间进行切换，而且切换中不会对用户带来任何危险。

为此，TPM300-2必须具备非常快的逻辑处理和高精度的模拟信号处理能力。

该装置每时每刻比较母线电压和备用电源的电压。

对被测电压的幅值、频率差、相角差具有以下同步判据：

Ψ<

ΨMAX相角差（5-1）

该相角差指母线电压和备用电源电压之间的相角差。

构成同步判据的角差界值可根据超前或滞后母线电压分别进行调整。

⊿f<

⊿fMAX频率差（5-2）

母线电压和备用电源电压的频率差也应确定下来。

就切换过程而言，频率差反应了用电设备

（如中压电机）及其动态负荷断电后的运转并指示是否允许进行。

Uby>

Ubymim备用电源电压（5-3）

备用电源的电压是进行切换的另一个重要判据。

只有当进线电压存在时TPM300-2方可执行切换。

5.2.就绪条件

图2　供电一次系统简图

TPM300-2无扰动稳定控制装置的一个特别重要的特性时连续跟踪计算同步判据的条件。

当以下条件满足时，整定时间后无扰动切换装置自动进入就绪状态：

⏹母线分段配置方式

进线一/二母联

✓母线Ⅰ段（1PT、3PT）、母线Ⅱ段（2PT、4PT）电压正常

✓1DL合、3DL合、5DL分、4DL合、2DL合

⏹双进线配置方式

进线一进线二

✓母线（1PT/2PT）、工作电源（3PT）、备用电源（4PT）电压正常

✓1DL合、3DL合、5DL合、2DL分

进线二进线一

✓母线（1PT/2PT）、工作电源（4PT）、备用电源（3PT）电压正常

✓2DL合、4DL合、5DL合、1DL分

5.3.正常切换（人工切换）

正常切换指装置处于手动切换状态同时系统正常工作时，人工切换工作电源与备用电源开关。

正常切换是双向的，可以由工作电源切向备用电源，也可以由备用电源切向工作电源。

该功能由人工起动，在控制台、DCS系统或装置面板上（菜单切换）均可进行。

正常切换可分为并联切换、同时切换和串联切换。

根据对象选择可以在进线一与进线二、进线一与母联、进线二与母联之间进行。

5.3.1.正常并联切换

由人工起动，若并联切换条件满足，装置将先合备用电源（工作电源）开关，再自动跳开工作电源（备用电源）开关。

若起动后并联切换条件不满足、备用电源（工作电源）开关未合上、装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号，若工作电源（备用电源）开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号。

5.3.2.正常同时切换

正常同时切换指人工起动切换，跳工作电源（备用电源）开关，同时在满足切换判别条件后，合上备用电源（工作电源）开关。

正常同时有切换，快速、同相、残压三种切换判别条件，无扰动切换装置不成功时自动转入同相或残压切换。

若工作电源（备用电源）开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号；

若起动后备用电源（工作电源）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

5.3.3.正常串联切换

正常串联切换指人工起动切换，先跳开工作电源（备用电源）开关，确认开关已跳开时，在满足切换判别条件后，合上备用电源（工作电源）开关。

若起动后工作电源（备用电源）开关未分开，或备用电源（工作电源）开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

5.4.事故切换方式（自动切换方式）

事故切换指装置处于自动切换状态，由工作电源启动切换，事故切换分为事故串联和事故同时切换。

事故切换单向的，由工作电源切向备用电源。

⏹事故同时切换

由工作电源启动切换，例如：

上一级主保护接点起动（指变压器或发变组差动保护等），跳工作电源开关，同时在满足切换判别条件时，合上备用电源开关。

同时切换有：

快速、同相、残压三种切换判别条件，无扰动切换装置不成功时自动转入同相、残压切换切换。

若起动后备用电源开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

若起动工作电源开关未跳开，装置将去耦同时发切换失败和装置闭锁信号。

⏹事故串联切换

由工作电源启动切换，先跳开工作电源开关，确认开关已跳开后，在满足切换判别条件时，合上备用电源开关。

串联切换有：

若起动后工作电源开关未跳开、备用电源开关未合上，装置将闭锁同时发切换失败和装置闭锁信号。

5.5.事故切换启动条件（自动切换方式）

非正常工况切换由装置检测到非正常情况后自行起动，非正常切换是单向的，由工作电源切向备用电源。

非正常情况指模拟量启动和开关量启动两种工况。

⏹失电启动

当母线三相线电压均低于整定值且时间大于整定值，则装置分为同时切换或串联切换。

其切换条件和切换逻辑与保护起动的事故切换相同。

⏹品质启动

当母线电压、频率、电流均低于整定值且时间大于整定值，则装置分为同时切换或串联切换。

⏹逆功率启动

当母线电压、频率均低于整定值，逆功率大于整定值且时间大于整定值，则装置分为同时切换或串联切换。

⏹联跳启动

当进线开关异常分开，则装置分为同时切换或串联切换。

⏹开关变位

因各种原因（包括人为误操作）造成工作电源（备用电源）开关变位（误跳开），装置在满足切换判别条件后，合上备用电源（工作电源）开关。

该串联切换有：

快速、同相、残压、三种切换判别条件，无扰动切换装置不成功时自动转入同相、残压切换。

⏹保护启动

当工作进线开关上一级主保护接点起动（指变压器或发变组差动保护等），则装置分为同时切换或串联切换。

5.6.事故切换逻辑

装置根据母联断路器的状态自动识别是运行于双电源方式或是母线分段的方式，切换启动原因有：

正常切换（人工切换）、开关偷跳、母线失压、品质因数、逆功率启动、高侧开关联跳、保护启动七种条件。

⏹双电源配置方式

双电源之一向母线供电，两断路器中一台合闸，另一台分闸，如有母联开关时，开关处于合位。

鉴于环流的原因，经常不允许两条线路同时合闸，两进线解列运行。

当主供电线路出现故障时，无扰动稳定控制装置在最可能短的时间内把负荷切换到备用电源上。

成功切换之后，母线由备用电源供电。

一旦工作电源的故障排除，可用人工方式起动装置把负荷重新切换到工作电源上以恢复正常的供电状态。

TPM300-2无扰动稳定控制装置按完全对称的方式设计，因此可以从任一进线起动无扰动切换装置，不论哪条线路是工作电源或备用电源。

这特别适合两条线路具有同等地位的场合。

鉴于冗余的原因，电力负荷被分配在两段母线中。

母联断路器正常情况下处于分闸状态。

双进线断路器都处于合闸状态。

一旦一条进线出现故障，切换是在故障进线的断路器和母联断路器之间进行：

故障线路断路器分闸，母联合闸。

切换成功之后，两条母线由一条进线供电。

一旦刚跳开的进线上的故障排除之后，可通过人工方式起动无扰动切换装置恢复到初始供电状态。

6.母联保护功能

装置包含完备的母联保护，分别为电流一段、电流二段、电流三段（定时限、正常反时限、非常反时限、超常反时限）、过负荷、后加速保护，其中后加速保护为母联接点闭合持续时间为5秒。

另外，包含母联开入接入以及遥控出口。

7.闭锁及报警功能

7.1.保护闭锁

为防止备用电源误投入故障母线，装置提供了保护闭锁开入量接口回路，当某些保护动作时（如工作电源本身保护，如过流、电弧光母线保护等），装置将闭锁出口回路，同时给出“保护闭锁”信号并等待复归。

7.2.装置闭锁

当装置因软压板退出或控制台（或DCS）闭锁装置投入时，装置将闭锁出口并给出出口闭锁信号，如装置软压板投入或控制台（或DCS）解除闭锁时，装置将自动解除闭锁，恢复运行。

装置软压板包括出口投退退出或装置快速切换、同相切换、残压切换全部退出等。

7.3.开关位置异常及去耦合

装置在正常运行时，不停地对所有开关的状态进行检查，如检测到开关位置异常，即不满足无扰动切换装置的就绪条件时，装置将闭锁出口，同时发开关位置异常信息。

切换过程中如发现一定时间内该跳的开关未跳开或该合的开关未合上，装置将根据不同的切换方式分别处理并给出异常信息。

如：

同时切换或并联切换中，若该跳开的开关未能跳开，将造成两电源并列，此时装置将执行去耦合功能，跳开刚合上的开关。

7.4.装置异常

装置投入后即始终对某些重要部件如CPU、RAM、FPGA等进行动态自检，一旦有故障将闭锁装置，同时发“装置异常”中控信号。

7.5.PT断线

母线I段、母线II段、进线一、进线二PT断线时，装置将闭锁出口，同时给出PT断线报警。

7.6.后备电源失电监测

在双电源模式下，若备用电源电源失电低于整定值时，装置将自动闭锁出口，同时给出报警信号。

7.7.装置闭锁

在以下几种情况下，需对装置进行复归操作，以备进行下一次操作：

⏹进行了事故切换后；

⏹发出保护闭锁等闭锁信号；

⏹装置发生异常后。

此时，将不响应任何外部操作及起动信号，只能人工复归解除，如闭锁或故障仍存在，需待故障或闭锁条件消除后复归才有效。

注：

开关位置异常、手动/自动、PT断线闭锁将自动复归。

7.8.装置失电

装置开关电源输出的＋5V，±

15V，＋24V任一路失电都将引起工作异常，特设电压监视回路，一旦失电立即报警，该功能采用继电器实现，不依赖CPU工作。

8.测量显示、事故记录、录波、打印、通信

8.1.测量显示

⏹液晶显示母线I段电压U1AB，U1BC，U1CA，I1a，I1b，I1c

⏹液晶显示母线II段电压U2AB，U2BC，U2CA，I2a，I2b，I2c

⏹液晶显示进线一电源电压Uk1AC（或Uk1BC、Uk1CA）

⏹液晶显示进线二电源电压Uk2AC（或Uk2BC、Uk2CA）

⏹液晶显示母联电流Ima，Imb，Imc

⏹面板灯指示进线一、进线二、母联开关的常开、常闭接点状态

⏹当装置检测到有闭锁或故障情况时，液晶屏上将自动推出“异常报告”画面，显示闭锁或故障原因。

如果是装置内部故障，面板“装置故障”灯将点亮。

也可通过液晶菜单上的“异常报告”子菜单查看闭锁及故障情况。

8.2.事故记录

装置只要起动切换（包括人工切换），装置将记录动作时间、起动原因、切换方式、切换逻辑以及各个动作时刻的进线电压、进线电流、频差、相差等相关信息。

所有事件信息都将进行记录保存，而且并不因掉电或复归而丢失。

同时记录事件信息和发生时间。

8.3.录波及输出

装置起动切换后，对起动前5个周波，起动后5秒对频差、相差、母线电压、进线一电流、进线二电流进行录波。

将数据通过USB下载到计算机中进行显示或打印电流电压录波曲线，并作分析。

8.4.通信

装置通过通讯管理模块，可同时提供两种通信：

双路RS485、一路为CAN现场总线，可以实现与电气监控管理系统联网通信，或者用于接入DCS系统，默认规约为MODBUS；

同时支持以太网通讯，支持IEC61850。

。

8.5.GPS对时

9.切换（合闸）原理

图3　母线残压特性示意图和可能的切换位置

供电系统双进线的配置方式时：

双进线之一向母线供电，两断路器中一台合闸，另一台分闸，鉴于短路电流的原因，经常不允许两条线路同时合闸，两进线解列运行，此时，母联开关为合位；

或者双进线加母联的配置方式时：

鉴于冗余的原因，电力负荷被分配在两段母线中，母联断路器正常情况下处于分闸状态。

在故障时为断电时间最短，快速切换是最优的切换方式。

如果电网的状态不允许这种切换方式，则选择其它速度稍慢的切换方式。

图3所示为一典型的母线电压衰减特性和可能的切换位置。

9.1.快速切换

在切换起动瞬间，如工作电源和备用电源的参数在定值范围以内则可进行快速切换，即工作电源和备用电源间的相角差、频差在定值范围之内。

试验表明，母线电压和频率衰减的时间、速度，主要取决于该段母线的负载。

负载越多，电压、频率、下降得越慢。

而相同负载容量下，负荷电流越大，则电压、频率下降得越快。

实际普遍采用快速开关切换，快速切换在频差范围内，通常由相角来界定，如55，如果开关的固有合闸时间为100ms，则合闸命令发出时的角度约需提前35，即可以实现备用电源电压与母线残压向量夹角20以内快速切换，同时对于设备是安全的。

这种情形下的无电流的切换时间只取决于断路器分合闸的时间差。

对现代断路器而言，这一时间差通常在数毫秒内，因此可认为切换是在不断电的情况下实现的。

图4为一典型快速切换示波图，其触发时间间隔取决于切换采用同时、串联方式。

图4快速切换的波形图图5同相切换的相量图

1母线电压Uby备用电源电压

2工作电源电流U母线电压

3备用电源电流Ψ母线电压与备用电源电压角差

4触发时间间隔dΨ/dt母线电压与备用电源电压角速度

5无电流时间

＊触发时间间隔取决于同时、串联等方式＊连接窗口取决于合闸时间和dΨ/dt

9.2.同相切换

图5为同相切换的向量图。

母线电压相量绕备用电源电压相量旋转，在首次最小差压时，即相角差为零，实现切换。

连接窗口取决于备用电源开关合闸时间和dΨ/dt。

图6为同相切换波形图。

首先，有故障的进线应立即分闸，与其相连的用电设备上的电压按其固定的特性曲线衰减。

其次，存在一系列可能满足同相切换判据的合闸时刻点。

如能较精确地实现过零点合闸，母线电压衰减到65％－70％左右，设备出力下降不是很大，备用电源合上时冲击最小，且对设备的自起动很有利。

但是由于母线残压随着频率的下降，电压幅值和相角的变化越来越快，线性模型和简单的加速度模型已经难以准确地表达电压幅值和相角的变化。

TPM300-2型微机无扰动稳定控制装置采用了频率自动跟踪技术和根据频率的大小分段建立数学模型的方法，准确地表达了频率、相角、幅值变化的规律。

即完全根据实时的频率、相角、幅值的变化规律，计算出在母线残压与备用电源电压向量相位重合时的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。

实现精确地过零点即同相，且不受负荷变化影响，对设备的自起动很有利。

图6同相切换波形图图7反相时残压切换方式波形图

1母线电压1母线电压

2备用电源和母线电压间的差压2备用电源和母线电压间的差压

3工作电源电流3工作电源电流

4备用电源电流4备用电源电流

5切换时间5切换时间

同相切换如下情况作为快速切换的后备功能：

⏹系统接线或运行方式造成初始角大，快速切换无法实现时；

⏹开关合闸时间长，快速切换无法实现时；

⏹某些故障情况下，工作电源断开时，相位已不满足快速切换条件时；

⏹工作电源和备用电源电源来自两个独立的系统，两系统间不仅存在相位差，而且存在较大频差时。

9.3.残压切换

指当残压衰减到20％－40％额定电压后实现的切换。

残压切换作为快速切