（电力系统及其自动化专业论文）智能型相控开关技术的研究与实现.pdf

西华大学硕+ 学位论文 良好的研究平台，本文设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的相位控制单元 的硬件和软件系统。最后设计了基于c p l d 技术的断路器永磁机构的智能控制 单元，并进行了时序仿真，验证了相位控制单元设计的j 下确性，结果表明该控 制单元不仅能完成断路器的合分闸操作，还具有过流欠压分闸等功能。 关键词：相控开关；d s p ；神经网络；真空断路器；f i r 滤波；永磁机构 i i r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nt e c h n o l o g yo f i n t e l l i g e n t p h a s e - c o n t r o l l e ds w i t c h i n g e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：b a is h e n y i t u t o r ：w e ij i n c h e n g i n t e l l i g e n tp h a s e c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ( s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ) h i 曲v o l t a g e s w i t c hc a nb eu t i l i z e dt om i n i m i z et h es w i t c h i n go v e r - v o l t a g e sa n dh i g hi n r u s h c u r r e n t si np o w e rs y s t e m s ，a sw e l la st oi m p r o v et h eo v e r a l lp o w e rq u a l i 够。i ti s a t e r m i n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i n gt h ei n s t a n to fo p e n i n go rc l o s i n g o fac i r c u i tw i t hs p e c i f i ct a r g e tp o i n t0 1 1a na s s o c i a t e dv o l t a g eo rc u r r e n tw a v e f o r m 。 c o n t r o l l e ds w i t c h i n gh a sb e c o m ea ne c o n o m i c a ls o l u t i o na n dc o m m o n l yu s e dt o r e d u c es w i t c h i n gs u r g e s 。i nt h i sp a p e r ，ad e t a i l e ds t u d yi n p h a s e ds w i t c h i n g t e c h n o l o g yb a s e d o nt h ec u r r e n te m e r g i n gh i g h - p e r f o r m a n c ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ， c o n t r o ld e v i c e sa n dl a r g e s c a l ep r o g r a m m a b l et e c h n o l o g y ，p u tf o r w a r do n e k i n da l l n e w l ya c c o r d i n gt o t h ed e s i g nm e t h o do fm u t u a l l yc o n t r o lo ft h ed s ps w i t c h c o n t r o l 。 t h ep a p e ra n a l y z e st h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sa c t u a l i t yo fi n t e l l i g e n tp h a s e 。 c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ，i l l u m i n a t e st h ec o n c e p to fi n t e l l i g e n c ea n dg i v e st h ea n a l y s i s o fw o r k i n gp r i n c i p l eo fi n t e l l i g e n tp h a s e - c o n t r o l l e ds w i t c h i n g 。s t u d i e dt oa c h i e v et h e b e s ta l g o r i t h m ，t h es y n c h r o n o u sc l o s i n gf o rp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ri sd i s c u s s e d i nt h i sp a p e r 。f o ra u t o m a t i cr e c l o s i n go fp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o na n a l y s i s ，a c c o r d i n g t oc a l c u l a t i o n ，s y n c h r o n o u sc l o s i n gc a l lr e d u c et h ev a l u eo fc u r r e n ta n do v e r - v o l t a g e i i lt h ec l o s i n gt r a n s i e n tp r o c e s s 。t h ec l o s i n go fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri st a k e na sa n e x a m p l et oa n a l y z em o v e m e n tp r o c e s so fs y n c h r o n o u sc l o s i n g 。i ta l s oa n a l y z e st h e i m p a c to fp r e s t r i k ec h a r a c t e r i s t i c ，e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dc o n t r o lv o l t a g eo n s y n c h r o n o u sc l o s i n g 。 i i i r e s e a r c ho fp e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di t s i m p l e m e n t a t i o ni nt h i sp a p e r ，s y n c h r o n o u s c o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ek e yi st h es i g n a l v o l t a g ea n dc u r r e n tz e r o c r o s s i n gd e t e c t i o n ，c i r c u i tb r e a k e rr e c l o s i n gt i m ec a l c u l a t e d 。t l l ed e l a yt i m eo fp h a s e s h i f t i n gc a l c u l a t i o n s 。f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h ea d a p t i v e f u n c t i o na n df r e q u e n c yn a r r o w - b a n d f i rb a n d - p a s sf i l t e ro nt h eg r i ds i g n a l p r e - p r o c e s s i n g ，l i n e a ri n t e r p o l a t i o n c a l c u l a t i o no fz e r o c r o s s i n gs i g n a l ；o f f - l i n e t r a i n i n gt h r o u g ht h el mb a s e db pn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mf o rc a l c u l a t i n gt h e c i r c u i tb r e a k e ro p e r a t i n gt i m e ；t h eu s eo fm a t l a bf o rc i r c u i tb r e a k e rc l o s i n gt i m e f o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，d r a wa tc l o s i n gt i m ea n ds h i f tp h a s ed e l a yt i m e ，t h eu s e o ff a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) t od e t e r m i n et h ef r e q u e n c ya n dp h a s es i g n a l 。 i n t r o d u c e di n t e l l i g e n ts y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r p e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o rb a s e do l ld s p ，f o rp h a s e c o n t r o l l e ds w i t c h i n g t e c h n o l o g yt ol a yaf o u n d a t i o nf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s 。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) f o ri n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mi nt h ed i g i t a l c o n t r o lp r o v i d e sag o o dr e s e a r c hp l a t f o r m ，t h i sa r t i c l ei sd e s i g n e dt o t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 at h ec o r ep h a s ef o rt h ec o n t r o lo fc o n t r o lu n i th a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m s 。f i n a l ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i to fc i r c u i tb r e a k e rp m a i s d e s i g n e db a s e do nc p l dt e c h n o l o g y ，a n dat i m i n gs i m u l a t i o n ，ap h a s e c o n t r o lu n i t t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n ，t h er e s u l ts h o wt h a tt h ec o n t r o lu n i ti sn o to n l y c o m p e t e n tt oc o m p l e t et h e c i r c u i tb r e a k e rs u b - g a t eo p e r a t i o n ，a l s ow i t hs u b g a t e v o l t a g eo v e r - c u r r e n tf u n c t i o n s 。 k e yw o r d s ：p h a s e c o n t r o l l e ds w i t c h ；d s p ；n e u r a ln e t w o r k ；v a c u u m c i r c u i tb r e a k e r ； f i rf i l t e r ；p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r i v 西华人学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 9 1 ， 勿月 冯 够日 么 日 9 年年 扣叩 、歹戊一曙 西华大学硕十学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 嗍岬、白 学位论文作者签名：百八帝文 9 2 指导教师签名：否蚴 日期： 加7 髟 西华大学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1研究背景和意义 随着现代信息技术的飞速发展，智能化成为工业装置的发展趋势。在高压 开关领域，智能化开关发展迅速，其动力首先来自电力系统越来越高的可靠性 要求、越来越高的自动化程度和用户对电能质量的要求。现代配电和用电系统 包括供电小区或智能大厦的电气设备都要求监测、控制及保护等方面完全自动 化和智能化，开关作为重要的电力系统控制元件，其智能化则是上述智能化的 基础【l 翻。相控开关是用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制的必 备部件，广泛应用于各类电网的供配电系统中。但是，传统的相控开关的动作 相位是随机的，在接通和分断电力系统时容易产生很大的浪涌电流和很高的感 应电压，降低开关设备的使用寿命和电力系统的供电质量。随着社会经济和技 术的发展，人们对相控开关提出了更高的要求，要求利用微处理技术使其智能 化，提高开关的通断性能和保护能力。利用微电子技术和计算机控制技术来研 究和设计智能相控开关控制系统。这样对于保证供电的可靠性、稳定性、改善 供电质量、切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。 为实现电压控制和系统保护以及电力系统负荷调节，需要利用高压开关来 投切相应的电力设备或线路，如并联电容器组的投切、电抗器的投切、空载线 路的投切、空载变压器的投切、以及快速自动重合闸的操作等。高压开关的这 些操作过程一般伴随着开关暂态现象，产生较高的过电压和涌流。在目前的高、 中压系统中，开关的合、分闸相位是随机的，因而过电压和涌流现象比较严重， 对电力系统运行和电气设备的性能带来负面影响，具体表现为：电气设备的寿命 减少，电气设备的绝缘击穿、故障和损坏，继电保护的误动，二次边的电子控 制元件功能失常，电能质量的降低等。为解决此类问题，在电力系统中常采用 并联合闸电阻或电感、串入电抗器和加设避雷器等方法，但这些方法受到结构 设计的复杂性、经济性以及运行可靠性的限制。 相控开关( p h a s e c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ) ，也称同步开关技术( s y n c h r o n o u s 西华人学硕士学位论文 s w i t c h i n g ) ，其基本原理就是要控制高压开关开闸、合闸的时间，使得三相主触 头分别在三相电压的过零点附近合上，在三相电流的过零点附近断开。从理论 上讲，可以从根本上消除容性负载的浪涌电流和感性负载的感应电压。图1 1 和图1 2 分别描述断路器随即关合空载变压器和同步关合空载变压器的仿真分 析。 f i g 1 1 w i t ht h a tc l o s i n gt h et r a n s f o r m e ri n r u s hc u r r e n tw a v e f o r m 图1 1 随即关合变压器励磁涌流波形 f i g 1 - 2s y n c h r o n o u sc l o s i n gt r a n s f o r m e re x c i t a t i o nc u r r e n tw a v e f o r m 图1 - 2同步关合变压器励磁电流波形 由关合仿真波形可以看出随即合闸变压器所产生的励磁涌流峰值是高压侧 额定电流的几倍，而同步关合变压器所产生的励磁电流趋于稳态时的励磁电流， 结果表明：采用断路器同步关合技术，合闸后各相磁通按照系统电压变化规律 进入稳态，可以避免铁心磁通饱和，达到了消除励磁涌流的目的【4 】。 同步开关的关键是要实现三相触头的同步操作【5 】。其基本方法是通过硬件 电路，得到准确的电压和电流的过零点，作为控制的时间基准。当操作者给出 开、合闸命令后控制系统以相应的电压电流过零时刻为基准，经设定的延时后 发出控制命令，驱动操作电路对开关的触头进行操作，以使得三相触头在接下 来的电压或电流过零点时刻完成操作。由于每个开关动作时间都不同，必须对 2 两华人学硕士学位论文 开关进行分相控制，同时还必须对开关延时参数进行调节，当系统断电时，这 些数据不会丢失。温度、电流大小等因素将会影响到开关的动作时间，为保证 同步操作的准确性，控制系统应能利用温度、电流信号对开、合闸延时时间进 行实时校正。此外，智能控制系统还具备电压、电流、功率因数、功率的实时 监测显示功能，能显示系统的当前状态，对三相不平衡等故障进行报警，实现 遥测、遥控、自动跳闸等功能。 研究智能型相控开关的意义有：7 保留和发展己实现了的开关智能化的检 测、保护、控制、状态监控和通讯的功能，并以此为基础向全面智能化发展； 实现选相分闸，控制开关的实际燃弧时间，使开关触头在最有利于熄弧的相位 分离，不受系统燃弧时差要求的限制，大大提高开关的实际开断能力和电寿命， 减小甚至消除合闸涌流，降低合闸操作过电压，消除分闸重燃过电压，取消合 闸电阻，提高系统可靠性和用户电能质量；连带的可以简化电力系统一次回路 结构，降低系统设备绝缘要求，减少系统投资；同步操作理论的深入研究将涉 及开关的性能、系统工作状态的信号处理和自动识别等新内容，不仅有利于促 进开关的优化设计和相关理论的发展，而且还有利于一些新兴学科在电力开关 设备中得到应用和发展。 1 2相控开关技术发展情况 1 2 1 相控开关技术国内外发展现状 传统的中高压开关的动作相位是随机的，会在系统中产生很大的浪涌电流 和很高的感应电压，降低了电力系统的供电质量，并可能对开关等用电设备造 成损坏。因此为了满足电力系统综合自动化发展要求，目前国内外开关智能化 研究的重要目的是实现开关的控制和状态监控，这种智能化开关主要实现开关 外围的有关检测保护、控制、状态检测和通讯等功能。 国外研究智能相控开关技术己有二十多年的历史，并己应用到实际的中高 压开关领域中，其中西门子、a l s t o m 、a b b 、东芝、富士等公司在这方面的研 究成果较为突出。在中压领域典型的有九十年代初富士公司的智能真空断路器 及a b b 公司近年来推出的v m i 型真空断路器。高压领域典型的有东芝公司的 3 西华人学硕+ 学位论文 c g i s 和a b b 公司的e x k 型智能化g i s ，它们的特点都是采用先进的传感技术 和微型计算机处理技术，使整个组合电器的在线检测与二次系统在一个计算机 控制平台上。这些智能技术在开关中的应用势必大大降低开关本身的故障率， 在一定程度上提高整个电力系统自动化监控、调度水平以及供电可靠性和安全 性，使中高压开关在智能化方面取得重大进步。 国内最近几年才开始注意智能相控开关技术，研究和开发相控开关也才刚 刚起步，大连理工大学、西北工业大学、和中南大学等单位开展了研究工作。 其产品的质量稳定性和使用可靠性与国外相比尚有差距。作为新型开关电器的 主流研究方向，智能相控开关技术对提高电力系统运行稳定性和经济性意义深 远，而且应用前景广阔。但是目前没有在世界大范围内推广的主要原因还是应 用中可靠性等若干技术难题尚在研究中。 1 2 2 相控开关技术发展趋势及在断路器中应用 由相控开关的工作原理可知，相控开关的成功与否，关键在于开关相位的 准确控制。而影响相位控制准确度的因素，主要包括电压电流信号的暂态采集、 控制单元的数据处理和控制时间、断路器的关合及分闸时间等。其中相控单元 的数据处理和控制时间由微机完成，准确度可在微秒级以内。但是，作为相控 过程时间起点参考电压或电流过零点的检测方法，其准确度将严重影响相 控开关技术的实施，特别是在系统电压波形中含有较大的背景噪声、谐波分量、 瞬态脉冲干扰等情况时。提高相位检测准确度的方法有多种，其中基于在线数 字滤波技术和最大导数的过零点检测方法在仿真试验中表现了明显的效果。另 外，断路器的关合和开断时间由于受多种因素的影响，如温度、湿度、海拔、 分合闸操作电压、操动压力、操动机构元件及触头的老化磨损情况等，会表现 出较大的分散性，因此需要在相控单元装置中输入此类因素参量，对断路器可 能的动作时间进行整定计算。基于快速驱动技术和人工神经网络技术的控制策 略，是近期研究解决分散性的研究课题之一。相对于带合闸电阻的断路器，相 控断路器在本体及操动机构上都更为简洁，具有更高的电气及机械可靠性，能 够更好地延长设备元件的使用寿命，更好地提高电能质量，具有更高的技术性 能和经济性。相控开关技术在断路器上的应用还能够减少为遏制涌流而需安装 4 西华大学硕士学位论文 配置的电抗器。同步关合技术是指断路器动、静触头在控制系统的控制下，在 系统电压波形的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力 设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统的智能控制技术。目前， 电力系统中的断路器在开断和关合电力设备的瞬时，系统电压的初相角通常都 是随机的和不确定的，因此会产生过电压。例如，在关合空载变压器、电容器 和空载线路时，常常产生幅值很高的涌流和过电压。幅值很大的涌流将导致断 路器触点受损、变压器绕组产生机械应力及保护继电器误动作；过电压可能导 致设备局部放电，这些干扰都会影响电力系统的稳定运行。而采用同步关合可 以减小暂态过程中涌流的幅值和对系统电压的扰动，由操作过电压决定的电力 设备绝缘水平可大幅度降低，由于操作引起设备( 包括断路器本身) 的损坏也可大 大减少，既限制了涌流和过电压，又省去了预置合闸电阻，提高了系统技术经 济指标。传统的中压断路器操动机构，如电磁机构和弹簧机构，其动作时间分 散性大，运动可控性差、响应速度慢，因而很难实现机械运动的精确控制。而 微机控制的永磁操动机构动作可靠性高、动作时间的分散性小，在动作时间的 精确度方面有可能满足同步关合的要求。所以，永磁机构的出现为断路器的同 步关合技术的实现提供了很好的物质基础。因此，随着电子技术的高速发展、 机械加工精度的不断提高、材料科学的不断进步，相控开关技术在断路器上的 应用将会大有前景，在电力系统中的运用将会更加广泛。 1 2 3 选相控制断路器的发展现状1 】 选相控制断路器并非一个新概念，它最早被提出是在上世纪7 0 年代，限于 当时的技术发展水平，并没有成为真正实用的产品。近年来随着断路器制造工 艺、现代测控技术的不断提高，日益受到制造部门与用户的关注，成为智能化 电器的研究热点。自上世纪九十年代实用化以来，选相控制断路器在欧美市场 的使用数量与范围迅速扩大。 近年来国际大电网会议c i g r e 工作组w ga 3 0 7 多次对选相控制断路器的 应用与进展情况进行调查评议，并出版了一系列文献报道。b e m e r y d ( 1 9 8 8 ) ， r e i d ( 19 9 8 ) ，j o n e s ( 2 0 0 0 ) ，n o r d i n ( 2 0 0 2 ) 与f e r n a n d e z ( 2 0 0 2 ) 等人先后向c i g r e 提 交了选相控制断路器在丹麦、瑞典、英国、澳大利亚、新西兰、巴西等国家应 5 两华人学硕士学位论文 用情况的调查报告。2 0 0 5 年，c i g r e 在东京召开，其中仍然有选相控制断路器 专题讨论。 w ga 3 0 7 的调查报告显示：1 9 8 4 - 2 0 0 1 年选相控制断路器主要分布在 2 6 4 8 0 0 k v 电压等级，且大多在日本、欧美等发达国家，1 0 k v 配电网及1 0 0 0 k v 超高压领域鲜有用例。各应用类型所占比例见表1 1 。从表中可以看出，选相控 制断路器以常规领域( 参考信号具有周期性) 应用为主，尤以选相投切电容器组应 用最多，这主要是由于电容器组在电网中应用广泛，操作频繁，且相对更容易 实现选相投切。架空线自动重合闸应用很少，短路电流选相开断未见实用报道， 这主要是由于相关的非周期、不对称暂态过程使得目标相位难以有效地预测与 控制。 表1 - 11 9 8 4 - - 2 0 0 1 选相控制断路器应用的调查结果 t a b l e1 - 11 9 8 4 - 2 0 0 1a p p l i c a t i o no f p h a s es e l e c t i o nc i r c u i tb r e a k e rc o n t r o lf i n d i n g s 应用场合( 2 6 4 8 0 0 k v )所占比例( 总数2 5 0 0 台) 电容器组投切 电抗器组投切 变压器的投入 空载架空线关合与自动重合闸 6 4 1 7 1 7 2 文 1 2 】把选相投切电容器组技术应用于功率因数控制系统，在减少暂态影响 的同时也有效地抑制了谐振现象；文【1 3 】开发了基于选相投切技术的4 0 0 k v 变 电站专家系统，都是很好的用例。其他最新报道：2 0 0 3 年，匈牙利与法国分别 实现13 2 k w l5 k v 15 5 m v a 与3 2 0 k w l3 8 k v 3l5 m v a 空载变压器的选相关合； 2 0 0 3 年，加拿大蒙特利尔的n o t r e d a m e 电站成功运行1 2 0 k v 等级的背靠背电 容器组同步投切装置；日本东京电力公司首次成功地选相切除5 0 0 k v 并联电抗 器。 目前在选相控制断路器相关产品的研发方面代表性的公司主要有：瑞士的 a b b 公司( 适用于不同工况的s w i t c h s y n c 系列产品) ，同本的m i t s u b i s h i 公司( 已 经开发出1 2 1 ，1 4 5 ，2 4 5 ，3 6 2 与5 5 0 k v 电压等级的产品) ，美国的j o s l y n 公司( 主 要有1 5 2 3 0 k v 电压等级投切电容器组的s y n c h r o t e q 系列产品) 与法国的a l s t o m 6 西华人学硕十学位论文 公司( r p h 2 系列产品) 等。 近年来，国内一些高等院校与研究机构对于相控开关技术在理论和可行性 方面进行了探讨，也进行了不同程度的开发尝试。取得了一些阶段性成果。国 产高压、超高压断路器几乎都配用弹簧或液压操动机构，动作分散性较大，难 以达到选相投切所要求的精度。新型永磁操动机构自1 9 9 7 年问世以来，经过国 内很多单位的不断改进，动作稳定性与可靠性有了很大提高，给中低压领域相 控投切技术的实现提供了硬件支持，因此国内可望在配电网领域首先开发出实 用产品。 实际应用方面，国内还是以试点引进为主。2 0 0 0 年长春市某5 0 0 2 2 0 6 6 k v 变电站选相投切6 6 k v 电抗器与电容器时把过电压限制在1 3 p u 以下；2 0 0 3 年大朝山水电站为了解决5 0 0 k v 系统内部过电压问题，引进了a b b 公司的断 路器相控合闸装置( c a t ) ；2 0 0 4 年大唐陕西韩城第二发电有限责任公司i 期工程 为了降低涌流、过电压等不良影响，引进了法国a l s t o m 公司的选相投切装置 r p h 2 ，目前均运行良好。 从目前的研究情况来看，相控开关技术在断路器中主要应用于同步关合方 面，比如无功补偿电容器的同步关合、电抗器的同步关合等，对于同步分断的 研究和应用相对较少；而且同步断路器在我国还没有实际生产。在已投入使用 的同步断路器中，其智能化功能还有待进一步提高，包括在断路器上完成测量、 保护、通信和智能操作等功能。人工智能技术( 模糊控制、人工神经网络等) 在智 能断路器中的应用有待研究。永磁机构作为一种新型的断路器操动机构，当前 还只用于较低电压等级的断路器操作中，对配永磁机构的真空断路器的状态监 测方面做的工作也不多。开发用于更高电压等级的永磁机构，实现更高电压等 级断路器的同步操作尚在研究之中。 1 3 本文研究内容及技术路线 本研究以智能型相控开关技术为要求，研究其实现的最佳算法。并对算法 进行了仿真分析；在论述相控开关的相关理论和实现同步操作控制精度要求的 基础上研究相控开关动作影响因子，环境温度、电容电压、机械磨损和老化对 分合闸时问的影响，完成了对断路器分合闸时间进行建模和仿真。得出了合分 7 西华人学硕士学位论文 闸时间和延时时间：设计了基于c p l d 技术的断路器永磁机构的智能控制单元， 并进行了时序仿真，验证所设计的正确性，根据仿真结果和相控开关技术实现 智能工作的技术要求，进行设计的方案比较，硬件选型，功能电路设计，智能 控制部分用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来完成，具体的研究内容和主要工作有 以下几个方面： 1 查阅了国内外有关相控开关技术和智能断路器同步操作的相关文献和书籍， 对相控开关技术，智能断路器同步关合的研究意义、国内外的研究状况和发 展趋势进行了阐述，为整体方案设计和论证打下基础。 2 分析智能型相控开关技术的要求，研究其实现的最佳算法。智能型相控开关 一方面接受外部工作人员的输入命令闭合和断开开关，另一方面通过对开关 线路状态的监控发出不同的开关保护动作，总之是对开关动作发出命令，经 过论证，找出最佳监控和保护线路的算法。 3 本文通过计算分析了相控开关技术对电容器和空载变压器合闸涌流和合闸 过电压的抑制作用，同时分析了同步关合的动作过程及预击穿、环境温度、 控制电压等因素对同步关合技术的影响。 4 研究永磁操动机构的同步控制技术及其实现方法，首先通过自适应函数和 f i r 工频窄带带通滤波器对电网信号进行预处理，线性插值计算信号过零点； 通过离线训练的基于l - m 算法的b p 神经网络计算断路器的操动时间；利用 m a t l a b 对断路器分合闸时间进行建模和仿真，得出分合闸时间和移相延 迟时间，利用快速傅立叶变换( f f t ) 确定信号频率及相位。综上，提出了基 于d s p 的真空断路器永磁操动机构的智能同步控制系统，为相控开关技术 的实际应用打下了基础。 5 在理论分析的基础上设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心的硬件系统以及 与之相应的软件系统。此软硬件系统具有较高的可靠性、实时性、准确性、 亦满足电磁兼容性要求。 6 同时还设计了基于c p l d 技术的断路器永磁机构的智能控制单元，并进行了 时序仿真，验证了设计的正确性，结果表明该控制单元不仅能完成断路器的 合分闸操作，还具有过流欠压分闸等功能。 7 根据所设计的硬件和软件系统，完成实验结果验证分析。 8 两华人学硕士学位论文 2 相控开关技术及其控制算法研究 2 1相位控制单元 相控开关技术属于开关智能化的途径之一，是作为开关控制系统智能化的 一部分来实现的，与智能化开关各个功能模块间联系十分紧密。相控开关由相 位控制单元和高压开关组成，其中相位控制单元是实现相控开关技术的核心所 在。控制单元由电压或电流时间参考点检测电路、操作命令的输入和输出接口， 报警和显示电路、微机等几部分组成。 2 1 1 同步开关智能化概述 所谓智能化包括三个方面的含义：( 1 ) 使对象具备灵敏准确的感知功能( 知 识的获取) ；( 2 ) 正确的思维与判断功能( 知识的运用) ；( 3 ) 行之有效的执行功 能( 知识的处理) 。智能同步开关是开关智能化的最典型的对象。 中高压同步开关作为供电设备的基本控制与保护电器，其智能化一般应从 以下几个方面加以考虑：对开关本身的工作状态应能够进行自动监测提高其工 作可靠性；对开关所连接线路应能进行交流同步采样，并实时计算系统的电参 数；能够实现与上位机的通信功能，实现遥信、遥测、遥控、遥脉功能及通信 协议的转换和信息传送；能够进行统计、计算、报警、谐波分析、故障诊断、 定位、隔离及重构等各种信息分析处理技术；能够提高开关通断特性，实现开 关主触头电压过零关合和电流过零分断操作，从而提高开关的寿命和性能，改 善电网电能质量；能够实现对开关触头的行程、运动速度曲线等参数的在线监 测以及重要参数的变化趋势分析，可以实现开关故障预测；能够实现永磁开关 的压力、真空开关真空度监测以及开关动作在线监测( 开关分合闸次数，开关切 断电流水平等) ；同时应能够根据测得的开关信息进行合理动作或是拒动，保障 在控制、保护对象的任何工作状态下可靠工作即实现开关的智能化操作【1 5 】。 智能化同步开关设备是变电站综合自动化、配电网系统自动化的基础，它 应能保证上述所讨论系统的安全、可靠、经济地运行。智能同步开关的同步操 9 两华大学硕士学位论文 作技术是开关智能化操作的重要研究内容之一，对电力系统可靠运行具有十分 重要的意义，同时也可提高开关的分合性能及运行可靠性。本课题中所研究的 智能同步开关正是在此基础上实现开关的同步控制功能，即实现开关主触头电 压过零关合和电流过零分断，从而延长开关的使用寿命，同时改善电网电能质 量。 2 1 2相控开关的选相投切原理 相控开关技术实质上就是通过控制断路器合分闸时电压或电流的初相角， 在电压过零时刻关合；控制断路器分断时的燃弧时间，使得在电流过零、电弧 熄灭时触头间隙能承受系统恢复电压，从而减小乃至消除相关的电磁冲击效应 【1 6 1 。在系统电压过零点选相合闸的基本原理和时序，见图2 1 。 系统电压 合闸指令 控制指令 触头接触 f i g 2 - 1s y n c h r o n o u sc l o s i n gt i m i n gs c h e m a t i c 图2 - 1i 司步关合时序原理图 控制系统实时检测系统电压过零点，当在时刻收到合闸指令后，以指令前 的电压零点为同步参考点，根据断路器的预击穿特性和机械分散性选择最佳关 合目标相位乙，按式( 2 - 1 ) 计算出在图示目标相位合闸所需的最小同步延时为： 11 乃，。7 1 一( 互l + 一乃a ) m o d 二2 一 一z l ( 2 1 ) l o 两华大学硕士学位论文 式中：f 为电网频率；z ，为合闸指令距离同步参考零点的时间；瓦为断路器合 闸时间，乏。为微处理器计算时间。 在线路电流过零点选相分闸的基本原理和时序，见图2 2 。 线路电流 参考零点 ! ： ：厂一 分闸指令h ， i- f f ：f ：l 霞广一 控制指令卜2 j 刊 ； i o i。 皇删厶童! 卜一寸一触头分离l _ 二竺_ 二】 f i g 2 - 2 s y n c h r o n o u st i m i n gs c h e m a t i cb r e a k i n g 图2 - 2 同步分断时序原理图 控制系统实时检测线路电流过零点，当在f ，时刻收到分闸指令后，以指令 前的电流零点为同步参考零点，预设断路器燃弧时间使得在电流过零电弧熄 灭时触头间隙能承受系统恢复电压，按式( 2 2 ) 计算出在电流零点分闸所需的最 小同步延时为： 兄：= 一( z 脚+ 乃。一互：) m o d l 一乃：( 2 - 2 ) jj 式中：z ：为分闸指令同步距离参考零点的时间；t o p 为断路器分闸时间；乏：为 微处理器计算时间。 由上面的分析可知，用于选相控制的断路器操作准确度要求较高，否则该 技术同其他方法相比没有明显优点。实用中，其分合闸时间的分散性必须小于 l m s ，操动准确度要达到微秒量级。另外也要求断路器的绝缘介质熄弧能力强且 恢复强度高。 西华人学硕士学位论文 2 1 3相位控制单元功能分析 由以上介绍可以看出，相控开关技术在实现开关的智能化中占有十分重要的 地位。一方面，相控开关技术可以大大提高开关的通断特性，能大大提高开关 的寿命和性能，改善电网电能质量。另一方面，可以使用较小容量的开关来分 断大功率电路，扩展了开关的应用范围。 同时，相控开关技术的实现包括了开关线路中各电参量的高精度测量和处 理、开关状态监视、以及通讯、远程和就地控制等等。这些也都包含在智能开 关的各个功能模块中。因此，相控开关控制器是一个对于智能开关系统的扩展， 应结合智能开关系统来进行设计，它应具有以下功能： ( 1 ) 系统电参的高精度实时测量：包括电压、电流、频率、功率因素。通过 数字窗函数滤波器对电压电流滤波，获得过零点，从而得到电压电流的周期， 并预测下次过零点的时间。 ( 2 ) 相控开关分合闸时间预测：由对下次过零点的预测及电压电流周期，结 合实时的环境温度和执行机构控制电压，可以对开关分合闸时间的提前量进行 预测。 ( 3 ) 开关驱动及自适应控制：根据上位机端的开关命令，利用开关分合闸时 间延时，驱动永磁开关机构实现关合。操作过程中，记录实际动作时间和理论 动作时间的差值，并以近1 0 次的记录对下次偏差进行修正。 ( 4 ) 远程遥控功能：能够接收远方或就地的投切命令，执行开关的零电流投 入，零电压切除。 ( 5 ) 实时数据库功能：综合处理各种数据，方便对各种环境参数及历史记录 进行查询。包括电压电流的实时和历史数据，操作时间和条件( 控制电压、环 境温度、合闸及分闸时间偏差) ，以及系统的故障信息。 ( 6 ) 系统监控及保护：系统应能对传感器、线路、i o 、r a m 、c p l d 进行开 机自检，并对运行中的系统插入周期性的通道自检信号，对故障状态进行报警 和记录。 1 2 西华大学硕+ 学位论文 2 1 4相控开关技术的关键问题 由相控开关的工作原理可知，相控开关的成功与否，关键在于开关相位的 准确控制。而影响相位控制准确度的因素，以合闸过程为例，包括控制单元的 数据处理和控制时间、开关的关合时间( 包括操动机构的合闸时间以及触头的预 击穿时间) 等。其中相控单元的数据处理和控制时间由微机完成，准确度可在微 秒级以内。但是，作为相控过程的时间起点参考电压或电流过零点的检测方法， 其准确度将严重影响相控开关技术的实施，特别是在系统电压波形中含有较大 的背景噪声、谐波分量、瞬态脉冲干扰等情况时。开关的关合和分断时间由于 受多种因素的影响，表现为较大的分散性，是束缚相控开关技术至今不能广泛 应用的重要瓶颈。由此可见，目前急需解决的几大难题为：1 ) 参考电压或电流 过零点的准确检测方法；2 ) 断路器分合闸时间的计算；3 ) 移相延时时间的计算； 4 ) 相控开关的关合和分断时间分散性的处理技术。 另外，断路器的关合和开断时间由于受多种因素的影响，如储能方式( 如弹 簧、液压等) ，控制电压，环境温度，操作次数，温度、湿度、海拔、分合闸操 作电压、操动压力、操动机构元件及触头的老化磨损情况等，会表现出较大的 分散性，因此需要在相控单元装置中输入此类因素参量，对断路器可能的动作 时间进行整定计算。基于快速驱动技术和人工神经网络技术的控制策略，是近 期研究解决分散性的研究课题之一【l 7 1 。 2 2算法分析 相位控制单元的基本功能是通过就地或远程命令对开关进行分合操作，并 在线路出现故障时，自动切断开关所控制的线路。可以看出，在实现这些功能 的过程中，开关控制部分算法和保护监测部分算法是具有相对的独立性的，应 该分别予以分析考虑【1 8 之。 2 2 1监控与保护算法分析 在电力系统微机保护和监控装置中，微机保护和监控的基本原理是一致的， 西华大学硕士学位论文 但在算法的要求上还是存在许多不同之处的：其中，对线路电参量的监测主要 是在正常运行状态时对线路的电压、电流、有功功率、无功功率等物理量进行 检测，进而计算出功率因素、有功电能量和无功电能量。而保护更关心的是反 映故障特征的量，所以除了要计算电压、电流外，有时还要求计算反映信号特 征的