基于注入信號法的TSC式消弧線圈控制器

王海歐，馬秀林，葉俊，陳行曉

（1.浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232；2.臺州電業(yè)局，浙江臺州317000）

基于注入信號法的TSC式消弧線圈控制器

王海歐1，馬秀林2，葉俊1，陳行曉1

（1.浙江省電力公司檢修分公司，杭州311232；2.臺州電業(yè)局，浙江臺州317000）

晶閘管投切電容式消弧線圈因具有調(diào)節(jié)快速可靠等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛采用，而準(zhǔn)確測量配電網(wǎng)的電容電流是對消弧線圈進(jìn)行控制的前提。注入信號法主要通過測量配電網(wǎng)諧振頻率從而達(dá)到對電容電流的準(zhǔn)確測量，避免了對消弧線圈進(jìn)行頻繁調(diào)節(jié)，給出了TSC式消弧線圈控制器的系統(tǒng)設(shè)計。

TSC式消弧線圈；注入信號；控制器；掃頻法

6～35 kV配電網(wǎng)選擇中性點(diǎn)接地方式是一個綜合性的技術(shù)問題，與系統(tǒng)的供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、過電壓保護(hù)、繼電保護(hù)、通信干擾及接地裝置有密切的關(guān)系。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[1]由于能夠?qū)﹄娋W(wǎng)發(fā)生單相接地故障時的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，并且可以保證供電的連續(xù)性，把故障造成的危害減少到最低，所以在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。

基于晶閘管投切電容[2]（TSC，thyristor series capacitors）補(bǔ)償概念提出的TSC式消弧線圈及其接地裝置，調(diào)諧速度快、調(diào)節(jié)范圍寬，而且線性調(diào)節(jié)可靠性高，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和供電質(zhì)量。

1 TSC消弧線圈

TSC式消弧線圈由帶二次繞組的消弧線圈和多組不同容量的TSC構(gòu)成?？刂凭чl管選擇不同容量的電容器組投入，實(shí)現(xiàn)消弧線圈等值電抗的變化。而且，晶閘管選擇在接近零電壓時投入電容器，零電流時切除電容器，避免投切時的過電壓和合閘涌流問題，同時也大大減小了系統(tǒng)功耗。

TSC式消弧線圈原理如圖1所示。T1，T2，T3，T4（可根據(jù)需要增加或減少電容器組）工作在2種狀態(tài)：全導(dǎo)通或者全關(guān)斷。的容量按照20∶21∶22∶23來配置，分別為改變的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，可接入24種組合的二次電容值。根據(jù)變壓器阻抗變換原理，則消弧線圈一次就可以實(shí)現(xiàn)24級電流等差調(diào)節(jié)。

圖1 TSC式消弧線圈原理

在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，控制器根據(jù)配電網(wǎng)對地容抗，控制T1，T2，T3，T4晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷組合確定消弧線圈的等值感抗，以降低接地點(diǎn)殘流，實(shí)現(xiàn)滅弧功能。在配電網(wǎng)由故障恢復(fù)正常運(yùn)行時，控制器根據(jù)中性點(diǎn)位移電壓的下降和三相母線電壓的上升過程判定故障消除，退出故障狀態(tài)，這時所有的晶閘管不導(dǎo)通，消弧線圈等值感抗最小，接地裝置工作在最大過補(bǔ)償狀態(tài)。

2 消弧線圈控制器硬件部分設(shè)計

控制器是以數(shù)字信號處理（DSP）為核心處理器[3]，多個中央處理器（CPU）共同協(xié)作，可將控制器劃分為3個部分：

（1）以DSP為處理器的數(shù)據(jù)處理部分，包括模擬/數(shù)字（A/D）采樣、開關(guān)量輸入/出、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信等，這個部分也是控制器的主要部分。通過對三相母線電壓、中性點(diǎn)電壓、中性點(diǎn)電流以及各出線零序電流的A/D采樣，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量提供給DSP進(jìn)行處理，通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，CAN總線實(shí)現(xiàn)遙信。

（2）以51系列單片機(jī)為核心的人機(jī)接口部分，主要包括232/485接口、通用串行總線（USB）接口、日歷時鐘、鍵盤和顯示接口以及開關(guān)量的輸出等。

（3）以AD公司生產(chǎn)的帶8位可編程微控制單元（MCU）的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADuC831作為注入信號部分的主處理器，利用注入信號法來測量系統(tǒng)的電容電流。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

TSC式消弧線圈可實(shí)現(xiàn)“隨調(diào)”方式，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時，消弧線圈運(yùn)行在遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)的最大過補(bǔ)償狀態(tài)，自動裝置實(shí)時跟蹤監(jiān)測電網(wǎng)電容電流的變化，并確定補(bǔ)償檔位所對應(yīng)的觸發(fā)字。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，啟動故障中斷服務(wù)程序，通過CAN總線送出預(yù)先確定的消弧線圈補(bǔ)償檔位所對應(yīng)的觸發(fā)字，由安裝在消弧線圈側(cè)的觸發(fā)電路觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的晶閘管，消弧線圈自動補(bǔ)償接地電容電流。程序?qū)崟r跟蹤電網(wǎng)狀態(tài)，判斷故障消除后，消弧線圈恢復(fù)最大過補(bǔ)狀態(tài)運(yùn)行，退出故障中斷服務(wù)程序。

3 電容電流的測量

以單相金屬接地測量法為代表的直接測量電容電流方法測量精度較高，但由于其操作復(fù)雜繁瑣，在實(shí)際中應(yīng)用比較少；而目前在實(shí)際中應(yīng)用較多的位移電壓曲線法、三點(diǎn)法和阻抗三角法等，都是利用電網(wǎng)的不平衡進(jìn)行電容電流測量。針對目前電纜線路的不斷增多，電網(wǎng)不平衡度降低，通過改變電網(wǎng)的平衡，利用注入信號法測量電容電流[4-5]技術(shù)越來越受到重視。

注入信號又包括分頻注入法和掃頻注入法，分頻注入法是利用電路的伏安特性，通過方程求解得到電容電流大小，其優(yōu)點(diǎn)是裝置的設(shè)計相對較為簡單，測量速度快，但是受系統(tǒng)影響較大，測量準(zhǔn)確性不高；而掃頻注入法是利用了電路的頻率特性，不受系統(tǒng)運(yùn)行變化的影響，測量準(zhǔn)確性高，缺點(diǎn)是掃頻時間較長，對于隨調(diào)式的自動調(diào)諧系統(tǒng)，跟蹤補(bǔ)償?shù)臅r間相對較長。

為滿足電容電流測量精度的要求，采用掃頻注入法[6]來實(shí)現(xiàn)電容電流的測量，測量簡化電路如圖3所示，其簡化的等值電路如圖4所示。

圖3 測量電容電流的簡化電路

圖4 測量電容電流的等值電路

式中：ω0為系統(tǒng)諧振角頻率；L為電感值；C為電容值。

系統(tǒng)單相金屬性接地故障時的電容電流為：

式中：ω為系統(tǒng)角頻率；U為系統(tǒng)相電壓。

此時的脫諧度為：

式中：f為系統(tǒng)頻率50 Hz；f0為諧振頻率。

可見，只要能測量出諧振頻率f0，就可求出υ。而且TSC式消弧線圈的電感電流IL可以通過讀取檔位來得到，則可以求出電容電流IC：

由式（4）可知，只要已知消弧線圈電感值和配電網(wǎng)對地電容值的諧振頻率f0，即可算得系統(tǒng)對地電容電流。

在此設(shè)計的變頻信號源由整流電路、濾波和隔離柵雙極晶體管（IGBT）組成，如圖5所示，產(chǎn)生一個幅值不變、頻率隨時間變化的方波信號。

圖5 掃頻信號源

通過IGBT驅(qū)動保護(hù)電路控制IGBT1和IGBT4與IGBT2和IGBT3交替導(dǎo)通，將直流逆變?yōu)橹芷诘扔诮惶鎸?dǎo)通周期的方波信號。使注入信號的頻率從30 Hz開始，以0.1 Hz的步長遞增至70 Hz，同時比較Iinj和Uinj的相位，當(dāng)相位同相時，此時即為諧振點(diǎn)，從而得到系統(tǒng)的諧振頻率f0，繼而可以計算得到電容電流IC。Iinj可以通過測量采樣電阻R1兩端電壓U1來得出。

在這里采用掃頻注入信號法進(jìn)行測量電路的設(shè)計。該電路主要由掃頻信號電源、隔離濾波電路以及50 Hz工頻陷波電路組成。掃頻信號電源的主要作用是提供一個頻率連續(xù)變化的注入信號；由于電網(wǎng)中存在各種諧波和工頻干擾，必須對輸入信號進(jìn)行高、低通濾波和50 Hz工頻陷波處理。其中該電路中的CPU采用AD公司的ADuC831。

ADuC831是一個完全綜合的247k采樣保持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在同一片中結(jié)合了高性能的自校準(zhǔn)12位ADC 8路通道，雙12位DAC通道和可編程8位MCU，還提供片內(nèi)4kB非易失性閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器、256B RAM和2kB擴(kuò)展RAM。ADuC831支持C語言編程，程序設(shè)計簡便且具有I2C、串行外圍設(shè)備接口（SPI）串行I/O口，方便與DSP進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 電容電流測量原理圖

圖7 掃頻等效電路

為了去除對測量工作的干擾信號，采用美國Burr-Bromn公司生產(chǎn)的UAF42通用有源濾波器設(shè)計了工頻陷波電路。關(guān)于陷波電路的設(shè)計，可以登錄TI公司網(wǎng)站下載UAF42專門的設(shè)計軟件FILTER42來進(jìn)行設(shè)計，只要根據(jù)基本電路的要求將參數(shù)輸入，該軟件就可計算出所需元件的值并且可以仿真濾波器的輸出結(jié)果。如所要設(shè)計的陷波頻率為50 Hz，軟件計算用的參數(shù)設(shè)定為：陷波頻率fN為50 Hz，阻帶帶寬BW為10 Hz，階數(shù)為2，輸入方式為同相輸入。最后計算結(jié)果如表1所示，其具體電路如圖8所示。

表1 UAF42工頻陷波電路參數(shù)

圖8 陷波電路

4 控制器軟件設(shè)計

DSP側(cè)主程序結(jié)構(gòu)如圖9所示。首先對計數(shù)初值及定時常數(shù)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入故障檢測，若檢測到系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障，則調(diào)用查表程序，從補(bǔ)償特性數(shù)據(jù)中找出最近一次測量系統(tǒng)電容電流值所需的晶閘管控制字，使消弧線圈輸出相應(yīng)的感性電流，同時發(fā)出報警信號并顯示補(bǔ)償電流的大小。在此期間不斷檢測故障判斷信號，直到系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，調(diào)節(jié)消弧線圈電感量脫離諧振點(diǎn)，利用最大的脫諧度抑制配電網(wǎng)的中性點(diǎn)位移電壓。

圖9 軟件結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)語

給出了一種以DSP為核心處理器的TSC式消弧線圈控制器，并引入注入信號法來測量系統(tǒng)電容電流，避免了對消弧線圈的頻繁調(diào)節(jié)。由于DSP的高速計算能力，提高了控制器的運(yùn)算速度和實(shí)時處理能力，能滿足接地故障選線要求。

[1]要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京∶中國電力出版社，2000.

[2]項(xiàng)維奇.論中性點(diǎn)經(jīng)自動跟蹤消弧線圈接地系統(tǒng)技術(shù)[J].供用電，2000，23（2）∶25－26.

[3]劉和平，高蘇州，李純，等.基于DSP的新型消弧線圈接地系統(tǒng)控制器[J].電力自動化設(shè)備，2004，24（6）∶75－77.

[4]曾祥君，尹項(xiàng)根，于永源，等.基于注入變頻信號法的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)控制與保護(hù)方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，20（1）∶29－32.

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（本文編輯：楊勇）

Controller of Thyristor Switched Capacitor Arc Suppression Coil Based on Signal Injection Method

WANG Hai-ou，MA Xiu-lin
（Taizhou Electric Power Bureau，Taizhou Zhejiang 317000，China）

The arc suppression coil of thyristor switched capacitor（TSC）featured by rapid adjustment and reliability is widely used.Accurate measurement of the capacitance current in the distribution network is the prerequisite to controlling arc suppression coil.It is achieved in the signal injection method by measuring the resonant frequency in the distribution network with no need of adjusting arc suppression coil frequently，the systematic design of the TSC arc suppression coil controller is provided.

TSC arc suppression coil；signal injection；controller；frequency sweeping method

TM475

：B

：1007-1881（2012）09-0013-04

2012-02-13

王海歐(1982-)，男，安徽巢湖人，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。