0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ,各行各業(yè)對(duì)電力系 統(tǒng)的供電質(zhì)量和供電可靠性要求越來(lái)越高 。現(xiàn)代智能電網(wǎng)要求實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行 ,這就對(duì)電力系統(tǒng)提 出了高度自動(dòng)化和智能化要求 。斷路器是輸配電系統(tǒng)中的重要電器之一 , 隨著用電系統(tǒng)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(shì)。

電力傳輸系統(tǒng)中的斷路器觸頭打開(kāi)和關(guān)閉時(shí) , 觸頭兩側(cè)的電壓和電流及其相角是隨機(jī)的 , 斷路器出線兩側(cè)帶電或是容性負(fù)載、感性負(fù)載時(shí) , 即斷路器帶電分?jǐn)嗷蜷]合 ,將引起過(guò)電壓波動(dòng)和涌流 ,從而影 響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行 [1-2]。同步(或相控)操作技術(shù)是電氣智能化的前沿課題 ,該技術(shù)能有效削弱斷路器分合閘時(shí)所產(chǎn)生的涌流、過(guò)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(jī)的智能控制技術(shù) ,可配合永磁機(jī)構(gòu)在電網(wǎng)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(kāi) ,減小對(duì)電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的沖擊 ,提高斷路器投入或切出系統(tǒng)的成功率。

1   硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1    永磁機(jī)構(gòu)概述

永磁機(jī)構(gòu)采用一種永磁體操縱機(jī)構(gòu)加真空斷路 器(簡(jiǎn)稱(chēng)“斷路器 ”)的結(jié)構(gòu) 。如圖1所示 ,它由永久磁鐵、合分閘線圈、儲(chǔ)能電容、真空斷路器組成 ,儲(chǔ)能電容器用于儲(chǔ)存能量 ,合分閘時(shí) ,它向合閘線圈或分閘 線圈提供高達(dá)2 600 W的脈沖電能?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)改變永磁機(jī)構(gòu)外電磁線圈的電流方向使斷路器完成合分閘操作 , 因?yàn)榫€圈中的電流方向決定了電磁鐵磁場(chǎng)方向 ,這樣配合永磁體的磁場(chǎng)方向就可以完成永 磁機(jī)構(gòu)的開(kāi)合動(dòng)作。

這種機(jī)械結(jié)構(gòu)工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件很少 , 無(wú)須機(jī)械脫扣/鎖扣結(jié)構(gòu) ,減少了故障誘因 ,且增加了動(dòng)作次數(shù) ,使合閘動(dòng)作更加可靠、有效。

1.2    電子驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

永磁機(jī)構(gòu)的電子驅(qū)動(dòng)裝置如圖2所示 ,驅(qū)動(dòng)電路  主要由AC-DC電源模塊 (110~220 V的交流電輸  入)、可調(diào)直流輸出 (可以達(dá)到400 V)、儲(chǔ)能電容器  (20 000 F/450 V)、大功率MOSFET(1 200 V/75 A)、 大功率開(kāi)關(guān)二極管和輸入信號(hào)光電隔離器(起到抗  干擾和強(qiáng)弱電隔離保護(hù)作用)組成。

動(dòng)作原理如下:

1)接通電源 ,控制系統(tǒng)開(kāi)始開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢查并進(jìn) 入正常工作 ,儲(chǔ)能電容在7 s內(nèi)完成首次儲(chǔ)能 ,之后將 在4 s內(nèi)完成操作后的補(bǔ)充儲(chǔ)能 , 并將電容電壓穩(wěn)定 在出廠設(shè)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(cè)電壓相同、相角相同 的同步點(diǎn) ,提前發(fā)出控制信號(hào)(適當(dāng)提前量), 控制 MOSFET對(duì)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(rèn)為有 效 ,控制MOSFET對(duì)電磁線圈L進(jìn)行反向放電 ,完成 分閘操作。

1.3    控制器設(shè)計(jì)

通過(guò)分析各種單片機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和特點(diǎn) ,決定采用 高靈活性和低成本的高速微處理器AVR單片機(jī)作為 控制器的主控制芯片 [4] , 由控制器系統(tǒng)的框圖(圖3) 可知控制系統(tǒng)主要由主控部分(MCU最小系統(tǒng)、RS485 通信電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、鍵盤(pán)、顯示屏)、信號(hào)處 理和采集部分(PT、信號(hào)調(diào)理、AD、過(guò)零點(diǎn)采集)和電 子驅(qū)動(dòng)部分(控制命令輸出、電子驅(qū)動(dòng)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(wèn)題、電磁兼容問(wèn)題、抗干擾問(wèn)題、驅(qū)動(dòng)模塊的發(fā)熱器件布局散熱問(wèn)題等。

1)控制系統(tǒng)的主控制電路由MCU最小系統(tǒng)、鍵 盤(pán)、顯示屏、開(kāi)關(guān)量輸入電路、RS485通信電路組成 ,一 旦接收到遠(yuǎn)方或本地的投切指令 , 即按照預(yù)定算法發(fā) 出觸發(fā)信號(hào) ,控制斷路器完成合閘或分閘動(dòng)作; 同時(shí) , 系統(tǒng)參數(shù)也可通過(guò)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(hào)處理電路由相線線電壓信號(hào)采集電路 、 信號(hào)調(diào)理電路 、A/D轉(zhuǎn)換模塊 、過(guò)零點(diǎn)采集電路組  成 ,利用MCU的捕獲功能 ,捕獲引腳上過(guò)零點(diǎn) , 同時(shí)  獲取相線的電壓值。

3)輔助位置開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)量輸入電路送入MCU, 經(jīng)過(guò)程序控制 ,發(fā)出控制信號(hào)到輸出電路(該電路具 有光電隔離放大功能),控制電子驅(qū)動(dòng)電路。

4)遠(yuǎn)程命令控制中心可通過(guò)RS485通信接口傳 遞命令至系統(tǒng)MCU并返回系統(tǒng)狀態(tài)信息 ,這方便控 制系統(tǒng)集成到云控制系統(tǒng)中 ,使得系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程智能控制的可能性。

1.4    系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面簡(jiǎn)化永磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有利 于減少系統(tǒng)故障發(fā)生。在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方面 , 都需要采取相應(yīng)的抗干擾措施 ,具體如下:

1)對(duì)系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(qiáng)弱信號(hào)分開(kāi)布線。

4)數(shù)字信號(hào)的輸入、輸出采用光電隔離措施。

5)印刷電路板設(shè)計(jì)為多層板結(jié)構(gòu) ,提高電磁兼 容性 , 以減少干擾的影響。

6)軟件設(shè)計(jì)用看門(mén)狗芯片監(jiān)視MCU程序 , 以防 止進(jìn)入死循環(huán)。

7)軟件設(shè)計(jì)方面對(duì)數(shù)據(jù)采用數(shù)字濾波算法 , 防 止由于信號(hào)干擾造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)現(xiàn)象。

2    軟件設(shè)計(jì)

2.1    軟件架構(gòu)

架構(gòu)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(pán)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(shí)現(xiàn)動(dòng)作 的準(zhǔn)確執(zhí)行 ,達(dá)到預(yù)期設(shè)定的功能 ,框圖如圖4所示。

先進(jìn)行系統(tǒng)的 自檢與初始化 ,確定系統(tǒng)正常后 再檢查系統(tǒng)輸入開(kāi)關(guān)量情況 ,然后檢測(cè)系統(tǒng)外部輸 入故障標(biāo)志 ,如發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位已置位即進(jìn)入相應(yīng)的處 理子程序 。在鍵盤(pán)處理程序中對(duì)菜單設(shè)置以及本地 分閘、合閘快捷按鍵事件進(jìn)行處理。遠(yuǎn)程合閘命令軟 件是通過(guò)中斷處理的 ,通信也在相應(yīng)中斷中處理。遠(yuǎn) 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(biāo)志是否有效 ,如有效 再計(jì)算合閘時(shí)間 , 下發(fā)合閘指令 , 完成合閘動(dòng)作輸 出。分閘判斷過(guò)程與合閘類(lèi)似。遠(yuǎn)程合閘命令在中斷 服務(wù)程序中執(zhí)行 ,有利于快速響應(yīng)遠(yuǎn)程命令。

2.2    控制算法

分合閘時(shí)機(jī)要根據(jù)斷路器結(jié)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間具體判 斷 ,然而永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間具有分散性[5] ,每臺(tái)設(shè)備 都有不同 ,所以每臺(tái)永磁機(jī)構(gòu)都需要定期測(cè)試分合閘動(dòng)作時(shí)間值 ,這些測(cè)試可單獨(dú)開(kāi)發(fā)一個(gè)子程序方 便測(cè)試人員調(diào)用 。分合閘命令要根據(jù)選相分合閘菜 單中的相角要求 ,通過(guò)對(duì)同步信號(hào)(過(guò)零點(diǎn))以及斷 路器分合閘動(dòng)作固有延遲時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算 ,得 出分合閘動(dòng)作輸出延遲時(shí)間 ,然后在合適的時(shí)間發(fā) 出分合閘命令 。選相分合閘時(shí)序如圖6所示。

3    結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的斷路器智能控制器實(shí)際產(chǎn)品如圖7所示。

該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、性能可靠 、成本低 、機(jī)構(gòu) 動(dòng)作準(zhǔn)確和響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn) , 同時(shí)也為未來(lái)智能控 制集群控制創(chuàng)造了條件 ,適合在智能電網(wǎng)和電氣化 鐵路等中發(fā)揮作用。

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