一種具有選相控制功能的智能終端研究與實現(xiàn)

白世軍 曾林翠 孔慶霞 石 楠 李 毅

一種具有選相控制功能的智能終端研究與實現(xiàn)

白世軍 曾林翠 孔慶霞 石 楠 李 毅

（西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司，西安 710000）

智能終端是智能變電站自動化系統(tǒng)過程層的重要設(shè)備。選相控制技術(shù)是解決高壓斷路器投切負載瞬時電磁效應(yīng)的有效措施。本文將二者有機融合，提出了一種具有選相控制功能的智能終端的實現(xiàn)方案。簡單介紹了選相控制技術(shù)的基本原理，對所提方案設(shè)計需求進行了簡要分析，并對該方案主要部分的實現(xiàn)進行了深入研究和詳細闡述。通過對樣機試驗驗證，該新型智能終端既能作為常規(guī)智能終端使用，又能提供良好的選相控制功能，具有較強的實用性。

智能變電站；智能終端；選相控制；實用性

隨著IEC 61850協(xié)議的推廣，智能變電站建設(shè)已經(jīng)走入工程實踐階段。作為過程層的重要設(shè)備，智能終端在智能變電站中也得到了廣泛應(yīng)用。通過與間隔層設(shè)備的配合，智能終端可實現(xiàn)對開關(guān)整間隔的監(jiān)測和控制，包括對間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的分合操作以及狀態(tài)量采集等[1-3]。

在電力系統(tǒng)中用高壓斷路器來投切空載變壓器、電容器、空載線路時，在分合操作的瞬時系統(tǒng)電壓相角是不確定的，極易導(dǎo)致一次側(cè)出現(xiàn)涌流和過電壓等瞬態(tài)電磁效應(yīng)[4]，進而對系統(tǒng)絕緣以及斷路器自身壽命產(chǎn)生極大沖擊。另外，對二次通信和控制系統(tǒng)也會產(chǎn)生不良影響。選相控制技術(shù)是一種有效的解決措施，該技術(shù)的實質(zhì)是根據(jù)不同負載的特性，以電網(wǎng)系統(tǒng)電壓或電流為參考信號，控制開關(guān)觸頭在電壓或電流的最佳相位完成合閘或分閘，實現(xiàn)無沖擊的平滑過渡。

在成熟的智能終端技術(shù)上，結(jié)合選相控制需求，本文介紹一種具有選相控制功能的新型智能終端[5]，該裝置既可作為常規(guī)的智能終端使用，又可啟用選相控制功能，適用于所有電壓等級分相控制的彈簧或液壓機構(gòu)的斷路器，具有良好的靈活性和實用性。

1 選相控制技術(shù)基本原理

若在斷路器上推廣選相控制技術(shù)，首先要求斷路器開關(guān)動作時間具有良好的穩(wěn)定性。由于現(xiàn)代斷路器生產(chǎn)技術(shù)及工藝的完善，其分/合閘時間的分散性已大為改善，較好地穩(wěn)定在1ms內(nèi)，因而使選相分/合成為可能。影響開關(guān)動作時間穩(wěn)定性的主要因素有環(huán)境溫度、控制電壓、操作次數(shù)、間歇時間以及觸頭機械磨損等。在設(shè)計選相控制算法時，為做到對開關(guān)分合閘時間進行準確預(yù)測，應(yīng)盡量考慮這些因素的影響，并對其進行補償[5-11]。

其次，要根據(jù)負載的特性確定最佳分合相位。以高壓斷路器關(guān)合多組并聯(lián)電容器組[12-13]為例，經(jīng)研究和實踐發(fā)現(xiàn)，在中性點接地的情況下，在各相電壓的零點處操作斷路器合閘，可有效削弱關(guān)合并聯(lián)電容器組時的暫態(tài)效應(yīng)。

圖1給出了選相控制的原理。以斷路器合閘選相控制為例，首先應(yīng)針對特定的斷路器個體，通過實驗確定穩(wěn)定的合閘時間C，以及合閘時間與環(huán)境溫度、控制電壓、間歇時間等主要因素的特性關(guān)系，并配置到選相控制裝置內(nèi)部。選相控制裝置以母線VT采集到的電壓信號為參考電壓，并實時采集溫度、控制電壓信息，在收到測控裝置以GOOSE報文或硬接線形式發(fā)來的合閘命令后[14]，記錄命令到來的時刻，與上次接到命令時刻比較，進而計算出兩次命令的間歇時間，并根據(jù)當前溫度、控制電壓信息，在相應(yīng)的間歇時間、溫度、控制電壓特性關(guān)系表中查詢，分別差值出對應(yīng)的補償時間I、F、V。接下來選相控制裝置根據(jù)合閘時間以及各補償時間綜合計算為達到該斷路器最佳合閘動作時刻所需要的令延遲時間d，在監(jiān)測到參考電壓過零點時，以該零點為參考基準，延遲d時間后開出合閘命令給斷路器，完成選相合閘控制。選相合閘時序如圖2所示。

圖1 選相控制原理示意圖

定義該相電壓與參考電壓過零點之差為D1，上圖中，D1=0。進而可計算出開關(guān)合閘延時時間d：

式中，為電壓周期；P為開關(guān)觸頭實際接觸時間與目標關(guān)合零點之間的時間，這主要是為提高斷路器擊穿電壓，實際設(shè)置合閘時刻略晚于理論最佳合閘時刻（不同斷路器應(yīng)有自己的統(tǒng)計值），還考慮到斷路器合閘過程中存在的預(yù)擊穿。

再有，可以考慮形成閉環(huán)控制，合閘時通過記錄負載端CT電流出現(xiàn)的時間，并作為負反饋接回選相控制裝置。選相控制裝置計算該時間與分/合閘命令開出時間之差，得到本次斷路器機構(gòu)的實際合閘操作時間。在本次和歷史操作數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計合適的自適應(yīng)算法，可對下次操作時間進行預(yù)測調(diào)整。

2 具有選相控制功能的智能終端設(shè)計需求

在設(shè)計具有選相控制功能的智能終端時，要考慮裝置應(yīng)具有選相使能和非選相使能兩種模式，并可自由配置。在非選相使能模式下，裝置作為常規(guī)智能終端使用；在選相使能模式下，裝置啟用選相控制功能。

因此，裝置應(yīng)滿足常規(guī)智能終端的功能要求，包括能夠?qū)ρb置配置和調(diào)試、小信號模擬量采集、對時、開關(guān)狀態(tài)量采集和上送、保護測控GOOSE命令接收和執(zhí)行、裝置自檢、GOOSE和開入事件記錄、LED狀態(tài)顯示等功能。也要滿足選相控制功能，包括斷路器的機械特性參數(shù)（斷路器操作時間、補償模式以及溫度、控制電壓、間歇時間等補償關(guān)系）設(shè)置、參考電壓和反饋電壓/電流信號的采集、選相控制算法、實時錄波等功能。

為方便安裝，裝置應(yīng)繼續(xù)采用4U84TE標準機箱，同時，為便于裝置的調(diào)試、維護、更換，應(yīng)沿用通用的插件式布局，方便插拔。

綜合考慮裝置功能要求，在ZNKMU軟硬件平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計的背面面板布置圖如圖3所示。

裝置由電源插件（XK1501）、主控插件（XK1101）、采樣Power PC插件（XK1102）、模擬采集插件（XK1202）、AC插件（XK1201）、控制電壓轉(zhuǎn)換插件（XK1203）、開入插件（XK1301）、斷路器操作插件（XK1306）、電流保持插件（XK1307）、開出插件（XK1302/XK1303），在裝置內(nèi)部還有開入核心板（XK1410）、開出核心板（XK1404）、母板（XK1409），以及裝置正面的LED顯示面板（XK1408）組成。內(nèi)部各板卡之間通過通用異步收發(fā)傳輸（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）接口進行通信。

3 具有選相控制功能的智能終端具體實現(xiàn)

基于分布式設(shè)計思想，將裝置劃分為常規(guī)智能終端和選相控制兩大功能單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

如圖4所示，常規(guī)智能終端功能單元由網(wǎng)絡(luò)接口模塊、光耦隔離模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、開入處理模塊、開出處理模塊、主控模塊、LED指示燈模塊、刀閘出口繼電器模塊、跳合閘出口繼電器模塊、電流保持回路模塊組成。

選相位控制功能單元由選相位控制模塊、參考電壓輸入模塊、反饋電壓輸入模塊、反饋電流輸入模塊、控制電壓監(jiān)視模塊和控制錄波模塊組成。下面介紹裝置的幾個主要模塊的功能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

裝置在主控插件和采樣Power PC插件上分別被設(shè)計了一個10M的電以太網(wǎng)接口。主控插件上的網(wǎng)絡(luò)接口主要用于接收配置軟件傳送的配置量，包括GOOSE發(fā)布參數(shù)、GOOSE訂閱參數(shù)、裝置運行參數(shù)、斷路器的機械特性參數(shù)等。同時外部調(diào)試軟件通過該口可讀取主控模塊上送的裝置狀態(tài)信息，包括告警狀態(tài)、裝置狀態(tài)、報文信息、版本信息等。配置數(shù)據(jù)保存到裝置的專用RAM中，具有掉電保持的特性。

采樣Power PC插件上的網(wǎng)絡(luò)接口，主要用于讀取裝置錄波信息。

3.2 開入處理模塊

裝置配置有3塊硬件相同的開入插件，每塊插件提供21路開入，用以采集包括斷路器位置、刀閘位置在內(nèi)的各種開關(guān)狀態(tài)量信號。這些外部信號首先經(jīng)過光耦隔離電路，信號形式由高值電壓轉(zhuǎn)化為合適的低值電壓，然后送給開入核心板。開入核心板采用Spartan?3E系列的XC3S500E作為處理器，通過UART接口接收主控插件發(fā)送過來的消抖參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)對輸入的開關(guān)狀態(tài)量信號進行消抖處理，再經(jīng)UART接口將處理后的信號傳送給主控模塊。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模擬采集插件主要實現(xiàn)慢變模擬量的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，工程上一般用于采集溫濕度傳感器輸出的溫濕度信號。插件采用STM32作為處理器，支持三路0～5V信號和3路4～20mA信號。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后經(jīng)UART接口將信號傳送至主控模塊。

3.4 主控模塊

主控模塊是整個裝置的核心模塊，通過不同的UART接口與開入處理模塊、開出處理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊和選相位控制模塊均相連，另外通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊，可實現(xiàn)與上位機軟件的交互。

主控模塊采用高性能的MPC8247作為處理器，配合兩片大規(guī)模現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）XC3S1600E和XC3SD3400A，實現(xiàn)了裝置管理、GOOSE通信、事件記錄、對時、人機界面交互等功能。同時，插件上配有兩片8端口PHY芯片；支持最多12個100base-FX光纖以太網(wǎng)接口，可滿足工程GOOSE組網(wǎng)收發(fā)和點對點通信的要求。

通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊，主控模塊遵循TCP/IP協(xié)議接收配置軟件下發(fā)的配置量，保證裝置按設(shè)置參數(shù)工作；同時也將裝置內(nèi)部狀態(tài)信息傳送給調(diào)試軟件，供使用者查看裝置運行情況。

主控模塊通過UART接口與開入處理模塊通信，既可將開入消抖參數(shù)傳送給開入處理模塊；又可接收開入處理模塊上送的遙信量，進而進行邏輯分析和GOOSE上送。通過另一個UART接口，接收模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊上送的數(shù)字信號。

通過光纖以太網(wǎng)接口，主控模塊負責(zé)接收來自間隔層的跳合閘GOOSE命令和刀閘控制GOOSE命令，經(jīng)分析和處理后，通過UART接口傳送至開出處理模塊，實現(xiàn)裝置的出口動作及燈板指示。而針對選相位控制GOOSE命令，在選相使能工作模式下，主控模塊在接收到該命令后需轉(zhuǎn)發(fā)給選相位控制模塊，選相位控制模塊計算出需要的延時時間，主控模塊接收此延時時間，延遲完成后傳送給開出處理模塊，然后再驅(qū)動跳合閘出口繼電器動作。而非選相使能模式下，主控模塊直接驅(qū)動跳合閘出口繼電器動作。

3.5 開出處理模塊

開出核心板采用Spartan?3E系列的XC3S500E作為處理器，通過UART接口接收主控模塊發(fā)送過來的開出信息，根據(jù)類型分發(fā)至LED顯示面板和開出插件，驅(qū)動LED指示燈、刀閘出口繼電器和跳合閘出口繼電器動作。

3.6 選相位控制模塊

裝置的AC插件，提供了四路電壓輸入和3路電流輸入，可滿足一路參考電壓，三路反饋電壓和三路反饋電流的輸入要求，通過內(nèi)部的小互感器轉(zhuǎn)換電路將外部對應(yīng)的高壓互感器的輸出轉(zhuǎn)化為裝置可處理的低壓信號，然后送給選相位控制模塊。

而控制電壓轉(zhuǎn)換插件，能夠采集開關(guān)控制電源電壓，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過UART發(fā)給選相位控制模塊。

采樣Power PC插件上也配置了一塊MPC 8247作為處理器，配合XC3S1200E，實現(xiàn)參考電壓、反饋電壓/電流的模數(shù)轉(zhuǎn)化。

選相位控制模塊接收到主控模塊轉(zhuǎn)發(fā)的選相位控制GOOSE命令后，在選相使能模式下，選相位控制模塊參照參考電壓、反饋電壓/電流、控制電壓和溫度信息，結(jié)合主控模塊斷路器機械特性參數(shù)，綜合計算為達到開關(guān)最佳動作時刻所需要的分/合命令延遲時間，并將該延時時間傳給主控模塊。選相控制流程如圖5所示。

另外，選相位控制模塊還具備錄波功能可針對選相前后的分/合命令、參考電壓、反饋電壓/電流等信息進行錄波，錄波數(shù)據(jù)存儲在裝置的ROM中。通過采樣Power PC插件上的網(wǎng)絡(luò)接口，錄波軟件可提取出錄波數(shù)據(jù)，將波形進行還原。

其中，控制電源電壓為斷路器控制電源的電壓值，參考電壓為選相控制提供延遲基準。自適應(yīng)模式下，可根據(jù)錄波的反饋電壓/電流數(shù)據(jù)，對比參考電壓的數(shù)據(jù)，計算延時時間，進而調(diào)節(jié)開關(guān)操作時間，實現(xiàn)自適應(yīng)。

4 選相控制實驗及分析

針對常規(guī)智能終端功能的實驗，可依據(jù)國網(wǎng)智能終端性能檢測的標準進行，在此不再復(fù)述。重點針對裝置選相控制功能進行驗證。

在現(xiàn)有的實驗條件下，搭建了一個小型的仿真實驗系統(tǒng)，以選相合閘為例，測試裝置的選相控制性能，如圖6所示。

試驗系統(tǒng)中所用到的裝置實物圖如圖7所示。

圖7 實驗裝置實物圖

設(shè)置裝置處于選相使能工作模式，首先用上位機配置軟件對裝置進行配置，如圖8所示。

模擬量繼保儀開出三路頻率為50Hz、有效值為57.7V的電壓信號作為三相電壓，取A相作為選相控制的參考電壓。同時，將三相電壓作為反饋電壓接到模擬斷路器的合閘常開觸點，再接到裝置的AC插件進行采集。在裝置未合閘時，常開觸點未閉合，AC插件無法采到反饋電壓，在收到數(shù)字繼保儀發(fā)送來的選相位控制GOOSE命令后，裝置經(jīng)選相運算開出合閘命令，此時，模擬斷路器的合閘常開觸點閉合，AC插件才可采集到有效的反饋電壓信號，讀出錄波信息，即可分析裝置選相控制性能。

上位機配置軟件設(shè)置模擬斷路器機械特性參數(shù)見表1。

表1 機械特性參數(shù)設(shè)置表

按照該參數(shù)表設(shè)置，期望裝置分別在三相A、B、C的零點處完成合閘動作，動作誤差應(yīng)在±1ms范圍。

得到的錄波波形如圖9所示。

圖9中最上面的正弦波是取自A相的參考電壓波形，接下來三條正弦波分別為反饋的三相電壓波形，藍色線為裝置接到的選相位控制GOOSE命令，圖中最下方為裝置經(jīng)過選相計算后開出的三相動作命令。

錄波軟件每100ms記錄一個點。裝置接到選相位控制GOOSE命令是在橫軸=7處，在=183處檢測到參考電壓上升沿的零點。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，裝置應(yīng)在檢測到零點后，分別經(jīng)4ms、10.667ms、7.333ms的延遲時間開出三相動作命令。

從圖9中讀出三相動作命令分別在=223、289、256處開出，即實際延遲時間為40、106、73（單位為100ms），與設(shè)定的延遲時間非常吻合。

三相反饋電壓出現(xiàn)的時間即為三相合閘動作完成的時間。從圖9中可以看出，三相合閘動作基本在預(yù)設(shè)的合閘時刻（零點）誤差范圍內(nèi)完成，波形出現(xiàn)時無較大的抖動、干擾，達到了選相控制預(yù)期 效果。

帶一次本體選相控制試驗選用的是550kV斷路器，斷路器分/合閘時間存在分散性，實際的選相控制中存在一定的偏差，表2為多次試驗后得到選相偏差數(shù)據(jù)，最大偏差達0.6ms。

表2 選相偏差數(shù)據(jù)

通過仿真實驗和現(xiàn)場試驗，進一步驗證了裝置具備良好的選相控制算法，滿足選相控制誤差要求。

5 結(jié)論

本文首先介紹了選相控制技術(shù)的背景以及原理，在成熟的常規(guī)智能終端的基礎(chǔ)上，提出了一種融合選相控制功能的新型智能終端，并從裝置功能的角度對這種新型智能終端進行了設(shè)計需求分析；然后介紹了該裝置的具體實現(xiàn)，對其主要模塊的原理和功能進行了梳理；最后搭建了一個仿真實驗系統(tǒng)和帶一次本體試驗系統(tǒng)，著重對裝置的選相控制功能進行了驗證。經(jīng)過試驗驗證，本文所介紹的具有選相控制功能的智能終端在滿足常規(guī)智能終端的功能要求的基礎(chǔ)上，也能可靠地提供選相控制功能，進而可用來應(yīng)對高壓斷路器投切負載的瞬態(tài)電磁效應(yīng)，更好地滿足工程應(yīng)用的需要。

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Research and Realization of a Type of Intelligent Terminal Device with Phase-controlled Switching Function

Bai Shibun Zeng Lincui Kong Qingxia Shi Nan Li Yi

(Xian XD High Voltage Apparatus Co., Ltd, Xi’an 710000)

Intelligent terminal is a primary process device in digitalized substation automation system. Phase-controlled switching is an effective means to instantaneous electromagnetic effect in switching the power loads with high voltage circuit breakers. A combined realization scheme of intelligent terminal with phase-controlled switching function is proposed. The basic principle of phase-controlled switching is briefly introduced. Then design requirement is succinctly analyzed, and the main parts of the scheme are researched deeply and explained in detail. Depending on the experimentation of pre-industrial prototype, the new device has high practicability. It can not only used as the normal intelligent terminal, but also provides favorable phase-controlled switching function.

intelligent substation; intelligent terminal; phase-controlled switching; high practicability

白世軍（1981-），男，工程師，主要研究方向為智能變電站電磁兼容、智能組件及電力設(shè)備故障診斷與狀態(tài)評估。