0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展 ,各行各業(yè)對電力系 統的供電質量和供電可靠性要求越來越高 ?，F代智能電網要求實現安全穩(wěn)定運行 ,這就對電力系統提 出了高度自動化和智能化要求 。斷路器是輸配電系統中的重要電器之一 , 隨著用電系統的發(fā)展 ,控制器作為斷路器的大腦向智能化發(fā)展成為必然趨勢。

電力傳輸系統中的斷路器觸頭打開和關閉時 , 觸頭兩側的電壓和電流及其相角是隨機的 , 斷路器出線兩側帶電或是容性負載、感性負載時 , 即斷路器帶電分斷或閉合 ,將引起過電壓波動和涌流 ,從而影 響電力系統的正常運行 [1-2]。同步(或相控)操作技術是電氣智能化的前沿課題 ,該技術能有效削弱斷路器分合閘時所產生的涌流、過電壓等暫態(tài)沖擊 , 已被 廣泛使用并取得了較好的效果[3]。本文提出了基于單片機的智能控制技術 ,可配合永磁機構在電網電壓或電流的指定相位和電壓或電流相同幅值處完成電 路的閉合或斷開 ,減小對電氣設備和電力系統的沖擊 ,提高斷路器投入或切出系統的成功率。

1   硬件結構與設計

1.1    永磁機構概述

永磁機構采用一種永磁體操縱機構加真空斷路 器(簡稱“斷路器 ”)的結構 。如圖1所示 ,它由永久磁鐵、合分閘線圈、儲能電容、真空斷路器組成 ,儲能電容器用于儲存能量 ,合分閘時 ,它向合閘線圈或分閘 線圈提供高達2 600 W的脈沖電能?？刂齐娐吠ㄟ^改變永磁機構外電磁線圈的電流方向使斷路器完成合分閘操作 , 因為線圈中的電流方向決定了電磁鐵磁場方向 ,這樣配合永磁體的磁場方向就可以完成永 磁機構的開合動作。

這種機械結構工作時主要運動部件很少 , 無須機械脫扣/鎖扣結構 ,減少了故障誘因 ,且增加了動作次數 ,使合閘動作更加可靠、有效。

1.2    電子驅動電路設計

永磁機構的電子驅動裝置如圖2所示 ,驅動電路  主要由AC-DC電源模塊 (110~220 V的交流電輸  入)、可調直流輸出 (可以達到400 V)、儲能電容器  (20 000 F/450 V)、大功率MOSFET(1 200 V/75 A)、 大功率開關二極管和輸入信號光電隔離器(起到抗  干擾和強弱電隔離保護作用)組成。

動作原理如下:

1)接通電源 ,控制系統開始開關狀態(tài)檢查并進 入正常工作 ,儲能電容在7 s內完成首次儲能 ,之后將 在4 s內完成操作后的補充儲能 , 并將電容電壓穩(wěn)定 在出廠設置值。

2)如果合閘指令發(fā)出 , 則檢查斷路器是否在分閘狀態(tài) ,控制器尋找斷路器兩側電壓相同、相角相同 的同步點 ,提前發(fā)出控制信號(適當提前量), 控制 MOSFET對電磁線圈L正向放電 ,完成合閘操作。

3)如果分閘指令發(fā)出 , 則首先檢查斷路器是否 在合閘狀態(tài) ,確定在合閘狀態(tài)則分閘命令被認為有 效 ,控制MOSFET對電磁線圈L進行反向放電 ,完成 分閘操作。

1.3    控制器設計

通過分析各種單片機的優(yōu)缺點和特點 ,決定采用 高靈活性和低成本的高速微處理器AVR單片機作為 控制器的主控制芯片 [4] , 由控制器系統的框圖(圖3) 可知控制系統主要由主控部分(MCU最小系統、RS485 通信電路、開關量輸入電路、鍵盤、顯示屏)、信號處 理和采集部分(PT、信號調理、AD、過零點采集)和電 子驅動部分(控制命令輸出、電子驅動電路)三部分組成。

需要特別注意的是 ,主芯片和周邊電路邏輯芯片的電平匹配問題、電磁兼容問題、抗干擾問題、驅動模塊的發(fā)熱器件布局散熱問題等。

1)控制系統的主控制電路由MCU最小系統、鍵 盤、顯示屏、開關量輸入電路、RS485通信電路組成 ,一 旦接收到遠方或本地的投切指令 , 即按照預定算法發(fā) 出觸發(fā)信號 ,控制斷路器完成合閘或分閘動作; 同時 , 系統參數也可通過總線上傳至控制中心。采用RS485 差分總線可提高通信抗干擾能力 ,增加傳輸距離。

2)信號處理電路由相線線電壓信號采集電路 、 信號調理電路 、A/D轉換模塊 、過零點采集電路組  成 ,利用MCU的捕獲功能 ,捕獲引腳上過零點 , 同時  獲取相線的電壓值。

3)輔助位置開關信號經開關量輸入電路送入MCU, 經過程序控制 ,發(fā)出控制信號到輸出電路(該電路具 有光電隔離放大功能),控制電子驅動電路。

4)遠程命令控制中心可通過RS485通信接口傳 遞命令至系統MCU并返回系統狀態(tài)信息 ,這方便控 制系統集成到云控制系統中 ,使得系統具有實現遠 程智能控制的可能性。

1.4    系統的抗干擾設計

在結構設計方面簡化永磁機構的機械結構有利 于減少系統故障發(fā)生。在硬件電路和軟件設計方面 , 都需要采取相應的抗干擾措施 ,具體如下:

1)對系統的電源輸入端采用差分電感和共模電 感并采用隔離變壓器。

2)電路板電路設計中 ,在芯片電源管腳接去耦 電容。

3)輸入通道采取低通濾波 ,強弱信號分開布線。

4)數字信號的輸入、輸出采用光電隔離措施。

5)印刷電路板設計為多層板結構 ,提高電磁兼 容性 , 以減少干擾的影響。

6)軟件設計用看門狗芯片監(jiān)視MCU程序 , 以防 止進入死循環(huán)。

7)軟件設計方面對數據采用數字濾波算法 , 防 止由于信號干擾造成的數據波動現象。

2    軟件設計

2.1    軟件架構

架構總體由主程序模塊、中斷控制模塊、顯示子 程序功能模塊、鍵盤指令處理子功能模塊、故障處理 子程序模塊等部分組成 ,模塊之間相互配合實現動作 的準確執(zhí)行 ,達到預期設定的功能 ,框圖如圖4所示。

先進行系統的 自檢與初始化 ,確定系統正常后 再檢查系統輸入開關量情況 ,然后檢測系統外部輸 入故障標志 ,如發(fā)現標志位已置位即進入相應的處 理子程序 。在鍵盤處理程序中對菜單設置以及本地 分閘、合閘快捷按鍵事件進行處理。遠程合閘命令軟 件是通過中斷處理的 ,通信也在相應中斷中處理。遠 程合分閘命令中斷子程序流程如圖5所示。

首先判斷控制命令是合閘命令還是分閘命令 , 如果是合閘命令 ,再判斷合閘標志是否有效 ,如有效 再計算合閘時間 , 下發(fā)合閘指令 , 完成合閘動作輸 出。分閘判斷過程與合閘類似。遠程合閘命令在中斷 服務程序中執(zhí)行 ,有利于快速響應遠程命令。

2.2    控制算法

分合閘時機要根據斷路器結構動作時間具體判 斷 ,然而永磁機構動作時間具有分散性[5] ,每臺設備 都有不同 ,所以每臺永磁機構都需要定期測試分合閘動作時間值 ,這些測試可單獨開發(fā)一個子程序方 便測試人員調用 。分合閘命令要根據選相分合閘菜 單中的相角要求 ,通過對同步信號(過零點)以及斷 路器分合閘動作固有延遲時間等參數進行計算 ,得 出分合閘動作輸出延遲時間 ,然后在合適的時間發(fā) 出分合閘命令 。選相分合閘時序如圖6所示。

3    結束語

本項目組開發(fā)的斷路器智能控制器實際產品如圖7所示。

該產品具有結構簡單 、性能可靠 、成本低 、機構 動作準確和響應快速等優(yōu)點 , 同時也為未來智能控 制集群控制創(chuàng)造了條件 ,適合在智能電網和電氣化 鐵路等中發(fā)揮作用。

[參考文獻]

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[2]  王季梅 .真空開關技術與應用[M]. 北京:機械工業(yè)出版 社 ,2008.

[3]  錢家驪.相位控制高壓斷路器的動向[J].高壓電器 ,2001(1):38—40.

[4]  張軍 ,宋濤 .AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M]. 北 京 : 電子工業(yè)出版社 ,2009.

[5]  林莘 ,張浩 ,那娜.真空斷路器永磁機構計算與分析[J]. 沈陽工業(yè)大學學報 ,2005 ,27(3):266—269.

2025年第3期第2篇