CMAS3双微机自动准同期控制器说明书.docx
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CMAS3双微机自动准同期控制器说明书
前言
本手册详细介绍CMAS-3A/3B/3C三种双微机自动准同期控制器。
从支持的对象数看,CMAS-3A只支持单对象,CMAS-3B支持8个对象,CMAS-3C支持16个对象。
它们都可以通过MODBUS实现与其它控制系统的通讯,然而,除CMAS-3A外,并不推荐CMAS-3B/3C使用通讯功能中的同期遥控功能。
本手册第四章第4节介绍了CMAS-3B与CM-368智能同期切换装置配套使用的方法,如果没有使用CM-368智能同期切换装置,本节内容可以不必关心。
需要指出的是,对于CMAS-3B,要求开入控制信号是保持型的(在“启动”信号有效的时刻),而如果有CM-368智能同期切换装置配套使用,这些开入控制信号就不再要求是保持型的了,关于这方面的内容在本手册中有详细介绍。
CMAS-3C可以与CM-368H智能同期切换装置配套使用。
其使用方法与CMAS-3B配套CM-368类似,只是CMAS-3C后面的SW-2开关需置于“编码”方式。
目录
前言
第一章概述…………………………………………………………………………1
1.控制器型谱及功能概览………………………………………………………………1
2.同期简述………………………………………………………………………1
3.装置技术特点…………………………………………………………………3
4.技术条件………………………………………………………………………4
5.结构与安装……………………………………………………………………5
第二章控制器工作原理………………………………………………………………6
1.几个术语………………………………………………………………………6
2.控制器工作过程………………………………………………………………8
3.控制器软件设计思想…………………………………………………………10
第三章接线方法…………………………………………………………………………11
1.插座定义……………………………………………………………………………11
2.接线原理……………………………………………………………………………12
3.接线方法……………………………………………………………………………12
4.拨动开关使用………………………………………………………………………14
第四章控制器的使用………………………………………………………………15
1.同期定值意义及使用………………………………………………………………15
2.控制器的校准………………………………………………………………………19
3.启动同期要求………………………………………………………………………20
4.与CM-368智能同期切换装置配套使用……………………………………………22
第五章面板显示与键盘操作……………………………………………………………24
1.显示…………………………………………………………………………………24
2.键盘操作……………………………………………………………………………26
第六章运行与维护………………………………………………………………………29
1.安装与通电…………………………………………………………………………29
2.定值设置……………………………………………………………………………29
3.试验…………………………………………………………………………………29
4.运行…………………………………………………………………………………30
5.故障判断与处理……………………………………………………………………30
6.维护…………………………………………………………………………………30
附录A双微机自动准同期控制器现场投运试验大纲……………………………………32
附录B双微机自动准同期控制器现场投运试验记录……………………………………34
第一章概述
1.控制器型谱及功能概览
1.1型谱
图1.1型谱图
本手册中,CMAS-3A/3B/3C将以CMAS-3x统称,例外地,CMAS-3B有时简称为CMAS-3。
CMAS-3x的三种装置在功能上的最大区别是支持的同期对象数不一样。
1.2功能概览
表1.1是各同期控制器的功能概览。
表1.1各同期控制器的功能概览
功能
同期控制器型号
CMAS-3A
CMAS-3B
CMAS-3C
对象数
1
8
16
双微机
√
√
√
支持机组型对象
√
√
√
支持线路型对象
√
√
√
电压调节功能
√
√
√
频率调节功能
√
√
√
检无压
√
√
√
自动判断线路环并功能
√
√
√
自动转角功能
√
√
√
支持相电压输入
√
√
√
开出试验命令
√
√
√
电子整步表
√
√
√
并口控制
√
√
√
串口通讯
√
√
√
自动测量断路器合闸时间
√
√
√
2.同期简述
2.1同期过程
两个独立的交流电源系统,欲使它们通过断路器并列运行,在电力系统中称之为同期操作。
图1.2两电源系统同期示意图
同期操作在电力系统中既非常重要又很常见,比如发电厂中发电机与电网间的同期并列操作,变电站中一个电网与另一个电网间的同期并列操作,等等这些都是同期操作过程。
在图1.2中,G、S为两个独立的电源系统,设它们的表达式分别为
现在欲通过断路器DL使它们并列在一起运行,则DL的合闸时刻t在理论上应具备下列条件才能使两电源系统受到的冲击最小:
(1)ΔU=|Ug-US|=0;
(2)Δω=|ωg-ωS|=|2πfg-2πfS|=0,亦即Δf=|fg-fS|=0;
(3)Δ=
-
=0。
上述三个条件称为同期过程的三个要素。
捕捉满足同期三要素的时刻t并使DL合闸的过程即为同期过程,满足同期三要素的点也称为同期点。
在同期的三要素中,频率差和相角差这两个要素是一对矛盾体。
若两系统的原有相位差Δ≠0,而当满足频率相等要素,则Δ恒定,永远不可能Δ=0。
只有Δf=fg-fS≠0,亦即存在频率差时,Δ才会出现等于0的机会。
在实际应用中,电压差、频率差两个要素与相位差要素相比,对于系统和设备的影响要小得多;同时,电压、频率较容易调至满足要求。
因此,可以简单地认为,同期过程实际上是捕捉Δ=0的过程,而电压差和频率差两要素仅作为同期时的限定条件,只要ΔU和Δf在一定范围内即可。
2.2电压和频率调节
如前所述,同期过程可以简单地认为是寻找Δ=0的过程,然而,ΔU和Δf也必须在规定的范围内。
为了使待并发电机与电网尽快并列,通常情况下,根据ΔU、Δf实际大小,需要对待并列的发电机主动地进行U、f调节,以便尽快地使ΔU和Δf满足给定要求,进而实现同期并列。
因此,电压U和频率f的调节也是同期控制器应具备的重要功能。
2.3导前时间与同期预报
对于所有的断路器(如图1.2中的DL),从对它发出合闸脉冲起,由“分”位置运动到“合”位置均需要经过一段时间,这段时间被称为断路器的合闸时间。
因断路器的构造原理等原因的不同,合闸时间的长短存在较大的差异。
由于合闸时间的存在,因此合闸命令发出的正确时刻应该在同期点出现之前,而提前的这段时间称为导前时间。
图1.3为△u=ug-uS的波形图,其包络线为它们的滑差波形。
当△U、Δf符合限定条件后,显然b点为同期点,若TDL为导前时间,则应在a时刻发合闸命令,这样经过导前时间TDL后,恰好在b时刻,断路器的主触头才真正合上。
Δu
b
a
t
TDLe
Tω
图1.3滑差波形示意图
图中,Tω称为滑差周期,其大小为
Δf尽管被控制在一定范围内,但并非常数,因此Tω也是一个变数。
在b点,ug、uS的相位差为零,而a点处的相位差相应地也是一个变数,这就为a点的确定带来了困难,而CMAS-3x双微机自动准同期控制器能够正确方便地解决这个问题。
根据当前滑差和相位差情况,依据一定算法,在临近a点时准确地预报出经过TDL时间后,同期点能恰好出现,这个过程被称为同期预报。
同期预报的成功与否直接影响到同期合闸质量。
只要能精确预报出a点,则最终实现无冲击同期合闸只是举手之劳了。
2.4特殊情况下的同期
除了第2.1节描述的情况需要进行常规同期过程以外,还有一些特殊情况需要由同期装置完成断路器的合闸操作。
◆合环
当断路器用在线路上时,断路器两侧的电压有可能存在频差,也有可能两侧的频率相等,不存在频差。
如果两侧没有频差,说明断路器两侧的电压其实同属一个电网,只是这个电网由于此断路器未合上而在此开环了。
这种情况下操作此断路器合闸称之为合环,也叫做环并。
合环时,同期控制器在确认两侧电压相角差小于设定值的情况下发出合闸脉冲。
不过在这种情况下不存在导前时间TDL的问题,因为此时没有图1.3中的b点。
在存在频差的情况下,其同期合闸过程与第2.1节的要求仍然是一样的。
◆无压合闸
有时待并断路器的一侧或两侧没有电压,这种情况下同期控制器也能完成该断路器的合闸操作。
当然,这种“无压”情况下的合闸不再需要满足第2.1节的要求。
3.装置技术特点
◆极高的可靠性与稳定性
CMAS-3x自动准同期控制器(下简称CMAS-3x,或简称控制器,亦或简称装置)为双微机结构,双机间互相独立,合闸结果由双机表决输出。
同时通过采用多种抗干扰措施与可靠的隔离技术,产品通过了国家标准规定的静电放电、电磁辐射和电快速脉冲群等电磁兼容性试验。
软件采用多重冗余设计,加上全面的自检措施,具有极高的可靠性和稳定性,绝对保证装置不误动。
◆同期速度快、精度高
采用现代控制理论,引入人工智能思想,正确预测同期点。
快速跟踪电压和频率,调节待并发电机组,使之以最快的速度进入给定区域,确保在出现第一个同期点时精确无误地将断路器合上。
◆功能极强、适用范围广
装置既可用于各种类型电厂发电机的断路器同期并网操作,又可用于各种电压等级变电站的断路器同期并网操作;既支持线电压同期,又支持相电压同期;同期对象可达8个或16个,且能根据不同对象,自动取其相应的同期定值,完成这些不同对象的同期合闸;可自动实现转角补偿功能,补偿因Y/△接线可能引起的相角差和电压差;通过断路器返回接点,自动地精确测量断路器合闸时间;装置能自动识别环网运行工况,实现断路器的环网并列。
◆完善的通讯功能
CMAS-3x既可独立运行,也可以通过串口,以MODBUS规约方便地实现与其它计算机监控系统的通讯。
◆运行维护简便
以大屏幕液晶显示器(128×128)同步显示同期合闸过程的实时参数和同期信息,全汉字菜单界面,并设有薄膜按键,方便人机对话。
装置同时设有电子式整步表,结合面板上直观的指示灯,使运行状态一目了然。
所有定值全部采用数字式整定,并且一经整定,定值永不丢失,不受是否掉电的影响。
自动校准零点和线性,特别便于运行与维护。
◆结构标准、安装方便
装置采用标准19英寸3U机箱,可以很方便地上柜或组屏;装置正面为显示/操作面板,支持人机接口;装置背面为封闭式背板,并按功能区分设有可插拔凤凰插座和D型孔式插座,安装、调试极为方便。
4.技术条件
◆最大同期对象数:
CMAS-3A:
1个;
CMAS-3B:
8个;
CMAS-3C:
16个。
◆输入信号
⑴断路器两侧电压互感器二次侧电压信号
幅值:
100VAC或57.74VAC
频率:
45Hz~65Hz
负载功率<0.5VA
⑵开入信号
①对象选择输入:
空接点输入。
至少需保持到“启动”信号有效。
②无压使能/PT断线:
空接点输入。
作为无压使能信号输入时,需保持到“启动”信号有效。
③启动:
空接点输入,闭合时间需≥1s。
其中,第①项对于CMAS-3A是不需要的。
开入信号的内部信号电平为24VDC。
⑶工作电源
AC85~265V、47Hz~440Hz或DC120~360V,功耗小于40W。
◆输出信号
输出信号均以继电器接点输出,接点容量为AC220V/1A或DC48V/2A,阻性。
输出信号包括:
·f+加速信号;
·f-减速信号
·V+升压信号;
·V-降压信号;
·Alm同期告警信号
·Clo合闸输出信号
·LB拍摄波形用合闸信号
◆允许频率差最大值
Δf≤0.5Hz,缺省为0.20Hz,可通过面板显示菜单整定。
◆允许电压差最大值
ΔU≤±30%Us(Us为系统电压),缺省为±5V,可通过面板显示菜单整定。
◆在频差≤0.3Hz时,合闸相角差≤1.0°。
◆调频、调压为脉冲输出,脉冲序列的间隔由面板显示菜单整定,脉冲宽度由PID调节规律计算得出,PID参数也由面板显示菜单整定。
◆当同频不同相时控制器发出一系列冲击脉冲,及时消除这种状态,便于快速并网。
对于线路型断路器,允许电网环并,环并允许合闸角由面板菜单整定。
◆考虑机组频率及系统频率波动会造成频差变化,允许在频差一阶导数df/dt≤0.3Hz/s、二阶导数d2f/dt2≤0.1Hz/s2范围内并网。
◆工作环境:
温度:
-10℃~+50℃;
湿度、压力:
符合DL478-92《静态继电保护及安全自动化装置通用技术条件》。
◆安全标准
(1)电快速瞬变干扰抑制能力:
4级(GB/T14598.10-1997)
(2)静电放电:
4级(GB/T14598.14-1998)
(3)阻尼震荡抑制能力:
3级(GB/T14598.13-1998)
(4)辐射抗扰度:
3级(GB/T14598.9-1995)
(5)绝缘电阻:
对外接口回路与大地绝缘电阻均≥100MΩ(500V兆欧表)。
(6)绝缘强度
强电回路对地:
2000AC/50Hz/1min;
弱电回路对地:
500AC/50Hz/1min。
(7)机械强度:
能承受严酷等级为1级(GB/T14537-1993)的振动与冲击。
5.结构与安装
5.1外形结构
CMAS-3x控制器为标准19英寸机箱,高度为3U,外形尺寸为高132.5mm×深280mm×宽482.6mm,可方便安装于标准机柜内。
图1.4示出的是CMAS-3A的正视图,CMAS-3B/320C与其相比从正面看仅型号印字不一样。
图1.4CMAS-3A正视图
图1.5和图1.6分别是CMAS-3x的安装开孔图和背视图。
图1.5CMAS-3x安装开孔图
CMAS-3x背部使用了凤凰插座和D型孔式插座,所有输入/输出信号均由这些插座接线。
CMAS-3C背部有J1~J7七个插座,CMAS-3A/3B背部有J1~J5和J7共六个插座(无J6),这些插座上的插头都是可卸的。
凤凰插座的1脚均在该插座的右侧;D型插座的1脚在该插座的右上角。
需要说明的是,对于CMAS-3B而言,如果机箱上装有J6,可以不必关心其存在。
背部靠近左侧的SW是4位的拨动开关。
5.2安装
CMAS-3x的面板上有液晶显示屏和操作键盘,所以一般应将装置安装在方便观看和操作的地方,控制器安装时如需要开孔,可按图1.5进行。
图1.6CMAS-3x背视图
第二章控制器工作原理
1.几个术语
在介绍本章内容开始,先介绍几个术语。
◆对象
如图1.2所示,DL是待并列的断路器,CMAS-3A只支持1个这样的断路器的同期并列,但CMAS-3B支持8个,CMAS-3C支持16个。
为便于叙述,常将这些待并列的断路器称之为同期对象,有时也简称为对象。
比如16个待并列的断路器常称为对象1,对象2,……,对象16。
◆对象切换
一般地,一台支持多对象的同期装置,它所指的“多对象”是这样一种概念:
在装置中存放有若干组同期定值(一个对象对应一组定值),需要对某个对象同期时,就取这个对象的定值,再根据这组定值去寻找同期点,实现这个对象的同期合闸。
然而,在同期装置硬件中,合闸输出、电压与频率的调节输出以及两个PT输入却只有一套,因此,在启动同期装置对某个对象进行同期前,必须将这个对象两侧的PT信号切换进来,同时应将合闸输出、电压与频率的调节输出切换到相应的回路中。
应该指出,上述多对象切换并非同期装置本身必备的功能。
但鉴于其重要性,CMAS-3B/320C专门提出了“对象切换”的概念。
CM-368和CM-368H这两种智能同期切换装置可以分别支持8个对象和16个对象的切换。
如果将CMAS-3B/3C分别与CM-368/368H配套使用,那么用户就不用再考虑各种情况下的多对象切换的问题了。
关于CM-368/368H智能同期切换装置的详细功能及使用方法另见其使用手册。
只支持单对象的CMAS-3A不需要对象切换。
◆开关类型
待并列的断路器在不同的使用场合常有不同的叫法,比如用于发电机的叫发电机出口开关,用于线路的叫线路开关,用于母联的叫母联开关,等等。
发电机出口开关和其它使用场合的开关在同期并列的模型上存在不同,因此CMAS-3x将这些开关(断路器)分为两个类型:
机组型:
用于发电机的出口断路器;
线路型:
除发电机出口断路器以外的所有场合的断路器。
◆准同期
图1.2中DL两侧是相互独立的交流电源,通过预测满足3个同期要素的同期点,在最佳时机对DL断路器发出合闸脉冲,使DL合上并完成这两个交流电源的并列运行,这就是一个标准的同期过程。
这个过程一般称为准同期过程,或者简称为同期过程。
准同期过程中,断路器DL两侧一定有交流电源,所以,相对于下文叙述的“无压”概念,有时也称准同期过程为有压同期。
对第一章第2.4节叙述的“合环”工况,也属于有压同期。
◆无压
在第一章第2.4节中已经提及过无压合闸的情况。
无论同期对象是机组型,还是线路型,都有可能存在无压合闸的要求。
显然,无压合闸不再是标准的准同期过程,装置只需判断到DL两侧的电压满足无压条件时,就会立即对DL发出合闸脉冲。
在本手册中有时也将无压合闸称为检无压合闸或无压同期。
无压/有压的判别方法:
有压:
US≥80V且Ug≥80V
无压:
机组型开关:
必须满足Us≤50V且Ug≥80V
线路型开关:
必须满足US≤50V或Ug≤50V
◆无压判断方式
对一个同期对象进行同期操作时,有时可能进行的是有压同期,有时可能是检无压合闸。
对有压同期而言,装置会自动进入准同期过程或合环过程;然而对无压情况,装置能否自动进入无压合闸方式呢?
这里涉及到无压判断方式的问题,同期装置提供2种无压判断方式:
他判方式:
由外界告知同期装置本次进行无压同期;
自判方式:
由同期装置根据DL两侧的电压,自动决定有压同期还是无压同期。
关于无压判断方式的使用注意请参见第三章第4节中的拨动开关使用。
◆开入与串口控制
CMAS-3x都支持开入控制和串口控制。
但是要指出的是,虽然都能接受串口控制命令,但是,由于多对象同期的切换问题,除CMAS-3A外,CMAS-3B/3C一般不宜采用串口控制,除非在串口控制命令下达前,切换逻辑业已切换就绪。
控制同期装置正确进入同期过程时,需要给同期装置提供下列三个信息:
①对象号(CMAS-3A不需要此信息);
②在同期装置设定为“他判”无压方式时,应告知有压还是无压同期;
③启动。
开入控制中,这3个信息要求外部以空接点的形式分步提供给装置,并且以收到“启动”信号为同期过程的真正开始。
因此“启动”必须是最后一步,在“启动”前,①、②两步信息可以更改,而在“启动”信号抵达CMAS-3x后,①、②两步信息就绝不可以再更改了。
在CMAS-3x中,串口一般用来查看装置中的各种同期信息、命令执行情况,以及查看各个对象的定值数据等。
详细的串口通讯功能参见《CM-320双微机自动准同期控制器通讯规约》。
对CMAS-3x而言,开入控制命令可以来自于远方遥控开出点,也可以来自就地的把手或开关。
CM320S同期监视软件也是借助于串口运行的,因此串口如果正在运行CM320S,那么串口通讯功能(包括串口控制)只能由CM320S同期监视软件完成。
关于CM320S同期监视软件的说明详见《CM320S同期监视软件使用手册》。
◆位格式与编码格式
CMAS-3B/3C都采用位格式。
此外,在CMAS-3C中还支持编码格式,用以与CM-368H智能同期切换装置配套使用。
位格式:
按位选择对象。
因为对象输入口线有8位,所以最多可以选择8个对象。
当接入某位口线的接点接通时,该位口线对应的对象就被选中。
编码格式:
按二进制的编码值选择对象。
该格式仅适用CMAS-3C与CM-368H智能同期切换装置配套时使用。
详细的位格式与编码格式设置见第三章第4节的拨动开关使用。
2.控制器工作过程
2.1控制器工作过程
在第一章中已经提及CMAS-3x具有非常丰富的功能,比如,各种情况下的同期功能,同期定值的设置及安全防误功能,显示与键盘操作功能,各种在线自诊断功能,自动校准功能,…等等。
这里只介绍各种情况下的同期工作过程。
图2.1是带有坐标的CMAS-3C同期过程的流程简图。
根据CMAS-3x在表1.1中的功能区别,此图很容易简化为它们各自的流程简图。
装置在执行B2流程时,需判断命令的合法性,比如命令中的对象是否有漏选/重选现象以及对象号是否非法等。
在当前的同期过程未结束的情况下新来控制命令,控制器将拒绝接受。
B3流程完成与对象号有关的同期定值的读入,当然,这些定值必须经过正确性检查,以防由于错误的定值造成错误的难以估量的同期后果。
B4是f、U、△的采集流程。
在此流程中,必要时需根据定值表的内容对U和△的值做修正:
◇如输入到装置中的额定电压信号是100V/
的需乘
;
◇如Ug与Us之间存在转角的需进行转角处理,应对△进行修正。
修正好U和△后,还需对f、U做合法性检查,如果U≥130V或U≤80V,则认为电压不正常,此时后续的A7流程将会拒绝执行。
B7是△U、△f的检查流程,它检查△U、△f是否已经进入允许的给定范围,如果未进入给定范围,将执行A8流程。
在同期控制器中,△U、△f各自用两个定值来描述,分别是△Uh、△Ul和△fh、△fl。
规定只有在满足下列两个条件时,才算分别满足了△U、△f的给定条件:
△Ul≤Ug-Us≤△Uh
△fl≤fg-fs≤△fh
A8是装置的f、U调节流程。
在CMAS-3x中,频率调节采用标准的PID调节;而电压采用P调节,外加最大、最小脉冲宽度限制。
电压调节的这种方法是为适应在实际应用中某些励磁调节装置的特殊性而设计的。
B8是装置最重要的一个流程,它采用现代控制理论,根据△的变化规律,寻找预测最佳同期点,完成同期合闸功能。
图2.1CMAS-3C同期过程流程简图
A8是合环情况下的流程。
当同期对象是线路型开关时,装置优先按常规方法试图寻找同期点,完成同期合闸。
但是,如果寻找不到同期点,装置会自动判断电网是否处于环并工况。
在确属环并工况时,装置将不再执行常规的同期过程,转而执行环并流程。
环并工况下,需满足下列两个条件才能合闸:
①△Ul≤Ug-Us≤△Uh
②|
-
|≤△
②式中的△是给定的“允许环并合闸角”,它存放于同期定值表中。
由图2.1可以看出下述不同工况下的正常流程路径:
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