基于真空繼電器的選相分合閘控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馬向輝,林 霞,李 钷,薛文東,洪永強(qiáng)*

(1.廈門理工學(xué)院福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 廈門 361024;2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建 廈門 361102)

開關(guān)設(shè)備作為在電網(wǎng)檢修及發(fā)生故障時用于投切負(fù)載和切除故障電流的執(zhí)行單元,在電力系統(tǒng)中起到重要的保護(hù)和控制作用.一般情況下,開關(guān)設(shè)備在分合閘瞬間，加載在開關(guān)上的電流及電壓的初始相角是隨機(jī)的,使得在分合閘瞬間容易產(chǎn)生分閘燃弧和合閘涌流,不但危害電力系統(tǒng)穩(wěn)定,而且會減小開關(guān)設(shè)備的使用壽命[1].選相分合閘技術(shù)可以根據(jù)需要在選定初始相角下進(jìn)行分合閘操作,有效減少燃弧和涌流現(xiàn)象,提高開關(guān)設(shè)備的壽命,減小對電網(wǎng)系統(tǒng)的損害[2].

永磁機(jī)構(gòu)斷路器是迭相分合閘系統(tǒng)常采用斷路裝置，目前常見的永磁機(jī)構(gòu)斷路器[3-4]的驅(qū)動方式有兩種.1) 大功率晶閘管單級驅(qū)動：優(yōu)點是速度快,時間誤差小;缺點是造價高,晶閘管連同其復(fù)雜驅(qū)動模塊造價昂貴,在大電流情況下功耗大且易損壞,需要輔助的保護(hù)電路來保證晶閘管在工作中不容易損壞,其驅(qū)動電路較為復(fù)雜.2) 大電流接觸器單級驅(qū)動：優(yōu)點是造價低;缺點是時間離散性大,不適合對時間精度要求高的選相操作.綜合以上兩種情況,系統(tǒng)采用小功率MOSFET晶閘管和真空繼電器二級驅(qū)動的方式來實現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的驅(qū)動.

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

選相分合閘控制系統(tǒng)主要控制斷路器在電壓、電流信號合適的相位進(jìn)行閉合或者斷開.控制系統(tǒng)選用永磁機(jī)構(gòu)斷路器為控制對象,永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,具有高的機(jī)械可靠性,動作時運動部件少且連接緊密,使得配置永磁機(jī)構(gòu)的斷路器的分合閘時間比較短而且穩(wěn)定[5].為了保證選相分合閘控制系統(tǒng)在準(zhǔn)確的角度實現(xiàn)投切,在硬件結(jié)構(gòu)上需要保證整個分合閘過程時間離散性小,因此設(shè)計了一種MOSFET管和真空繼電器的二級驅(qū)動方式來驅(qū)動永磁機(jī)構(gòu)斷路器;在軟件上為實現(xiàn)對每一次分合閘動作時間的精確計算,設(shè)計了一種電流突變時刻的捕捉算法來實現(xiàn)對分合閘動作完成時刻的確定,并和指令發(fā)出時刻做差值，計算出當(dāng)前一次分合閘機(jī)械動作時間作為下一次分合閘機(jī)械動作時刻的依據(jù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

選相分合閘控制系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,控制系統(tǒng)通過開關(guān)量采集、接收分合閘控制命令,也可以通過通信接口接收監(jiān)控中心的控制命令,根據(jù)分合閘控制命令時刻電壓電流相位和機(jī)械動作時間計算出控制出口延時時間并發(fā)出分合閘指令,由真空繼電器驅(qū)動永磁機(jī)構(gòu)斷路器線圈在設(shè)定相位角度時刻完成分合閘動作.

根據(jù)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計出硬件板卡,具體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,控制核心CPU采用STM32F407ZGT6單片機(jī)完成整個系統(tǒng)的信號采集和控制;電壓、電流信號采集設(shè)計了高精度電力互感器和AD7606芯片的AD轉(zhuǎn)換電路,采樣精度誤差可達(dá)0.02%以下,滿足采樣精度要求,可實現(xiàn)對電壓電流信號相位的精確判斷;分合閘命令采集和出口控制都設(shè)計了光電隔離的硬件方案,避免高壓側(cè)干擾信號對CPU造成干擾;通信部分設(shè)計了以太網(wǎng)和RS485兩種接口供監(jiān)控中心選擇;定值、事件記錄、機(jī)械動作時間等掉電需要存儲的數(shù)據(jù)采用鐵電存儲器存儲.

圖2 選相控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Phase selection control system hardware structure diagram

2 真空繼電器二級驅(qū)動電路

為解決大功率晶閘管單級驅(qū)動的驅(qū)動電路復(fù)雜性和功耗大的問題以及大電流接觸器單級驅(qū)動的時間離散性大的問題,控制系統(tǒng)設(shè)計了小功率MOSFET管和真空繼電器二級驅(qū)動的方式來實現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)斷路器驅(qū)動,由小功率MOSFET管驅(qū)動真空繼電器,再由真空繼電器驅(qū)動永磁機(jī)構(gòu)斷路器.真空繼電器的時間離散性很小,可以有效地保證時間精度,同時真空繼電器的通流能力為100 A,可以滿足永磁機(jī)構(gòu)斷路器的驅(qū)動電流要求.小功率MOSFET管驅(qū)動電路簡單可靠,解決了大功率晶閘管的驅(qū)動復(fù)雜和功耗大的問題,又保證了時間精度.二級驅(qū)動方案既兼顧單級驅(qū)動優(yōu)點又很好地解決單級驅(qū)動的缺點.

圖3 驅(qū)動電路原理圖Fig.3 Driver circuit schematic

如圖3所示,驅(qū)動電路在輸出回路中采用光電耦合器TLP250來驅(qū)動MOSFET管IRF740.TLP250保證了功率驅(qū)動和控制信號的可靠隔離.IRF740驅(qū)動電路簡單,采用±12 V電源驅(qū)動,采用負(fù)電源關(guān)斷可使IRF740可靠關(guān)斷.為防止上電時刻IO管腳狀態(tài)的不穩(wěn)定性引起誤動作,驅(qū)動電路增加開出使能模塊.真空繼電器和交流接觸器動作時間離散性的測試采用在驅(qū)動級加載不同直流電壓,通過示波器觀察閉合點時間與驅(qū)動信號時間差來確定繼電器動作時刻,實驗方案如圖4所示.測試結(jié)果如表1和2所示,由表1可以看出不同驅(qū)動電壓下真空繼電器的動作時間不同,但是離散性都很小,可以滿足選相控制的精度要求,而由表2看出交流接觸器動作時間離散性大且動作時間長,故無法為下一次選相控制提供動作時間依據(jù).

圖4 真空繼電器動作時間測試示意圖Fig.4 Vacuum relay action time test diagram

表1 真空繼電器動作時間離散性測試結(jié)果

3 主程序的設(shè)計

軟件主程序流程圖如圖5所示,開機(jī)啟動后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、AD外部中斷、定時器中斷、UART串口通信、SPI、開入開出GPIO以及系統(tǒng)其他參數(shù)初始化.初始化結(jié)束后執(zhí)行鐵電存儲任務(wù),將上一次開出時永磁斷路器操作的機(jī)械時間重新從鐵電中讀取,便于下次計算系統(tǒng)控制時間.開入狀態(tài)巡檢,以1 ms的巡檢速度對開入量進(jìn)行檢查,檢查到有分合閘指令則開始計算控制延遲時間,啟動延時中斷函數(shù)到達(dá)延時時間后發(fā)出分合閘指令.檢測是否分合閘完成,完成后記錄下永磁機(jī)構(gòu)斷路器的機(jī)械動作時間,鐵電存儲任務(wù)檢測到狀態(tài)更新,將值更新到存儲器中,然后返回.

表2 交流接觸器動作時間離散性測試結(jié)果

圖5 系統(tǒng)軟件主程序流程圖Fig.5 Main program of system software flow chart

4 電流突變時刻捕捉算法的實現(xiàn)

選相投切技術(shù)是控制斷路器在電壓、電流信號最合適的相位進(jìn)行閉合或者斷開,有效地減小斷路器在投切過程中產(chǎn)生的過電壓和勵磁涌流,實現(xiàn)電壓電流無沖擊的平滑過渡[6-7].在進(jìn)行選相投切時,需要檢測電壓電流相位和預(yù)測斷路器動作的時間,如圖6所示,以電流過零點分閘為例描述選相投切原理.

圖6 選相分閘時序圖Fig.6 Phase selection switch opening sequence diagram

從圖6可以看出,系統(tǒng)在tn時間檢測到隨機(jī)的分閘指令,計算最佳投切時間.步驟如下:1) 系統(tǒng)檢測到第一個電流零點為過零參考點,計算出A點相位,即計算出A點相對于前一個過零點的時間tn;2) 計算出控制延遲時間,延遲tc后,系統(tǒng)發(fā)出分閘指令;3) 斷路器開始動作,在B點處完成分閘,tm為機(jī)械動作時間.

控制總延時為tc,它是由收到指令的時間tn和機(jī)械動作時間tm共同決定的:

tc=N×tz-tm-tn,

(1)

其中,N為正整數(shù),tz是電網(wǎng)的半周期時間,即10 ms.

選相投切技術(shù)的關(guān)鍵在于機(jī)械動作時間tm的預(yù)測,本文中采用電流突變捕捉算法能夠準(zhǔn)確計算出當(dāng)前一次機(jī)械動作時間為tm,由于永磁機(jī)構(gòu)斷路器的機(jī)械動作時間離散性很小,可以作為下一次計算tc的依據(jù).

式(1)中機(jī)械動作時間tm為:

tm=te-tb,

(2)

式中，tb為發(fā)出分合閘指令的時刻,te為分合閘結(jié)束時刻.

te的確定采用電流突變時刻捕捉算法,算法實現(xiàn)的流程如圖7所示.單片機(jī)對AD采集的信號進(jìn)行實時監(jiān)測,將一個周期波形前的電流Ib與當(dāng)前的電流大小In進(jìn)行相減,其差值Id若大于設(shè)定的閾值It,且一個周期波形前的電流分閘前Ib大于零,合閘前小于零,實際應(yīng)用中由于采樣零漂,一般使得Ib大于或小于一個很小的值Imin,則說明發(fā)生電流從有到無的突變或從無到有的突變.將其時間記錄下來,連續(xù)觀察到N次以上突變發(fā)生,則說明分閘或合閘動作完成,記錄第一個突變點的時刻作為分合閘動作完成時刻,即式(2)中的動作結(jié)束時刻te.觀察的次數(shù)N以及閾值It可人工設(shè)置.若由于機(jī)械故障導(dǎo)致tm的計算偏離上下限范圍,則采用再前推一次tm作為預(yù)測下一次機(jī)械動作時間的依據(jù).

圖7 捕捉分合閘結(jié)束時刻程序流程圖Fig.7 Acquisition of switch end time teprocedure flow chart

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

為了驗證選相分合閘的精度,在35 kV的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器上設(shè)置不同分合閘角度對分合閘效果進(jìn)行測試.

表3 分合閘測試結(jié)果

分合閘測試結(jié)果如表3所示,分別選取0°、30°、60°、90°為分合閘相角,每個相角做3次實驗.實驗結(jié)果表明分閘時最大相角誤差出現(xiàn)在0°分閘時刻,為2.97°；合閘時最大相角誤差出現(xiàn)在90°合閘時刻,為2.97°，表明該控制系統(tǒng)合閘相角最大誤差在±3°以內(nèi),達(dá)到了選相分合閘的相角精度要求.

6 結(jié) 論

本文中設(shè)計的選相分合閘控制系統(tǒng),采用真空繼電器二級驅(qū)動的方式,結(jié)合電流突變捕捉算法,精確計算出分合閘機(jī)械動作時間,實現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)斷路器分合閘相角的精確控制.測試實驗以永磁機(jī)構(gòu)斷路器為操作對象,在不同設(shè)定相角下,分別測試了分合閘的實際相角角度,實驗表明控制系統(tǒng)的分合閘相角最大誤差在±3°以內(nèi),達(dá)到了選相分合閘的相角精度要求.

[1] 陳謙.選相分合閘技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用[J].華電技術(shù), 2010(7):40-41,77.

[2] 凃彩琪,吳水鋒.開關(guān)設(shè)備選相分合閘技術(shù)應(yīng)用研究[J].湖北電力,2015,39(2):29-31.

[3] 張永斌,袁海文.基于DSP及永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的同步分合閘控制裝置[J].高壓電器,2009,45(1):116-119.

[4] 徐麗青,李帥,陳慶旭,等.一種新型智能選相控制器設(shè)計及抗干擾措施[J].中國電力,2016,48(2):176-179.

[5] WOO K I,KWON B I.Characteristic analysis and modification of PM-type magnetic circuit breaker[J].IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(2):691-694.

[6] 孫曙光,杜太行,王景芹,等.一種新型的斷路器瞬動校驗選相合閘方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015(17):125-132.

[7] 樊陳,倪益民,趙國慶.智能變電站選相合閘方案改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(19):139-144.