基于滑動窗口法的智能開關(guān)動作時間動態(tài)預測

鄭貴林，陳 曦

（武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072）

傳統(tǒng)的電氣開關(guān)在投切的過程中，由于電壓直接加載在負載上產(chǎn)生電壓沖擊。在負載上產(chǎn)生沖擊性過渡過程，對負載和電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。在切斷過程中，開關(guān)也會產(chǎn)生電弧，給電網(wǎng)帶來沖擊，使得電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定。電弧會給電網(wǎng)中的電氣設(shè)備造成影響，使設(shè)備的正常壽命降低。此外，由于電弧的產(chǎn)生，傳統(tǒng)開關(guān)觸頭會產(chǎn)生高壓火花，進而產(chǎn)生大電流以及高溫，使得開關(guān)觸頭融化變形，嚴重情形下會導致觸頭碳化，甚至開關(guān)觸頭燒灼到粘合狀態(tài)，無法斷開，后果嚴重。

傳統(tǒng)的滅弧措施，不論是通過加強去游離，例如采用真空滅弧、油滅弧等方法；還是提高弧隙介質(zhì)強度，例如采用特殊的金屬材料作為滅弧觸頭[1-2]，這類措施產(chǎn)生了一定的效果。但是其成本居高不下，主要用于電廠、變電站等高壓昂貴設(shè)備中，無法普及到一般低壓電氣設(shè)備中。因此，本文根據(jù)電弧產(chǎn)生的原理，提出一種交流電壓過零點投入，交流電流過零點開斷的無電弧方法。由機械開關(guān)配合微處理機及其數(shù)學模型和軟件算法，實現(xiàn)低壓電氣設(shè)備在投切的過程中無電弧。該方法簡單易實現(xiàn)，且成本低。

1 交流過零點無電弧開關(guān)的原理

1.1 基本原理概述

電弧的產(chǎn)生是由于開關(guān)觸點在動作時刻兩端的電壓差以及觸點間距離共同作用的結(jié)果。電壓過零點指的是開關(guān)在輸入電壓Ut=0 V時閉合。當選擇此時投入開關(guān)，即可保障瞬時加到負載上的電壓為零，對負載無電壓沖擊。同樣，交流電流過零點是指，在分斷開關(guān)時刻的交流電流It=0 A，當開關(guān)分斷時刻，由于電流為0，所以不會出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。因此，對負載沒有沖擊，對開關(guān)沒有燒灼，對電網(wǎng)也沒有沖擊。

要實現(xiàn)交流過零點投切開關(guān)，首先要精確檢測觸點過零點的時刻t0。其次測得機械開關(guān)的動作時間ts。根據(jù)事先測得的開關(guān)動作時間ts計算出指令發(fā)出延時時間T-ts，也即t′時刻。延時結(jié)束后發(fā)出動作控制命令，經(jīng)開關(guān)動作時間ts后正好在下一個開關(guān)過零點的時刻閉合或斷開。此時開關(guān)完成過零點投切。

1.2 過零點斷開動作時序說明

整個過零點斷開過程可以分別描述為零點檢測過程、開關(guān)動作過程以及開關(guān)動作時間測量過程。其中開關(guān)動作過程分為延時窗口、動作窗口。過零點斷開全過程時序如圖1所示。

圖1 開關(guān)動作時序圖Fig.1 Sequence diagram of switch action

如圖1所示，開關(guān)在t0時刻檢測到零點，經(jīng)過延時時間窗到t′時刻發(fā)出控制信號。同時開始計時動作時間，到達t0+20的時刻開關(guān)動作，最終到達時間tt后獲取反饋信號，計時終止，時間Tt即為開關(guān)動作時間。經(jīng)測算，固定偏差tc為0.6 ms。因此所測時間（Tt-0.6）可以近似認為開關(guān)動作時間。

2 滑動窗口動態(tài)檢測原理

2.1 滑動窗口原理概述

由于開關(guān)的材料和工藝的差異，每個開關(guān)的動作時間并不一致。而且，實驗證明，同一個開關(guān)動作時間會隨著使用次數(shù)的增加產(chǎn)生變化。因此智能開關(guān)必須具備動態(tài)矯正開關(guān)的動作時間的檢測機制。本文提出滑動窗口動態(tài)檢測開關(guān)動作時間的方法，通過歷史動作時間來預測開關(guān)下一次的精確動作時間。

滑動窗口是指數(shù)據(jù)流上的一個區(qū)間，窗口中保存著數(shù)據(jù)流中最新進來的N個數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)流上新的數(shù)據(jù)的到來，窗口隊列不斷更新第N+1數(shù)據(jù)進入，同時丟棄最早的一個數(shù)據(jù)[3]。采用先進先出機制，保障窗口中總有N個數(shù)據(jù)，稱為窗口隊列。窗口隊列數(shù)據(jù)是根據(jù)測量結(jié)果而不斷更新的，因此稱之為滑動窗口。

由于開關(guān)動作時間按照一定的規(guī)律不斷進入窗口，從而可精確預測下一次所需要控制的延時時間，確保過零點的投切的準確性，達到動態(tài)檢測開關(guān)動作，精準控制開關(guān)開閉時間的目的。

如圖2所示定義長度為N的一個窗口隊列。N∈（2，4，6，…2K）。 第 K 個數(shù)據(jù)時，窗口隊列元素分別為 TK+1，……，TK+N。

圖2 滑動窗口隊列Fig.2 Slide window queue

首先按照窗口隊列中的數(shù)據(jù)大小對數(shù)據(jù)進行排序，然后去掉極大值和極小值，對剩下的N-2個數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值Tˉ。這個算術(shù)平均值即為下一次開關(guān)動作時間。

初始狀態(tài)下，系統(tǒng)中只有一個初始值，也即窗口中只有初始值T0。同時窗口每次獲取一個新的數(shù)據(jù)，將其放入窗口隊列尾部，然后扔掉原來隊列首位的一個舊數(shù)據(jù)。由于在開關(guān)動作時間的測量中，無法保證每次測得的數(shù)據(jù)都是準確的。總有一些測量異常值，這些異常的數(shù)據(jù)是并入新的數(shù)據(jù)到窗口隊列前需要進行剔除的偶發(fā)誤差數(shù)據(jù)。因此需要設(shè)置一個門檻偏差ΔT，當新測量數(shù)據(jù)滿足：

式（1）則并入窗口隊列。

2.2 滑動窗口算法

初始狀態(tài)下，即當K＜N時，

當K＞N時，為了剔除測量偏差較大的數(shù)據(jù)，保證窗口平均值的平滑性，新的數(shù)據(jù)并入窗口隊列都必須滿足檻偏差ΔT。其算法流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)并入窗口隊列過程Fig.3 Progress of data merge into queue

如圖3所示，第K+1次更新數(shù)據(jù)時，新的數(shù)據(jù)TK+N+1滿足式（1），新的數(shù)據(jù)并入窗口隊列，同時TK+1被丟棄。第K+2次更新數(shù)據(jù)時，新的數(shù)據(jù)TK+N+2不滿足式（1），新的數(shù)據(jù)被丟棄。窗口隊列維持原數(shù)組[4-6]。

由于開關(guān)在大氣中斷開時，在電壓為20 V時若電流為（0.25～1）A，則開關(guān)觸頭間隙中就會產(chǎn)生電弧[2]。因此根據(jù)電弧產(chǎn)生的電流和電壓最小值，可以確定交流電零點附近一個容錯的ΔT值。也即在ΔT的偏差范圍之內(nèi)，不會產(chǎn)生電弧。

根據(jù)交流電表達式：式中：U（t）為電壓瞬時值；Um為電壓最大值；f為正弦交流電頻率。當U（t）為20 V時，按照220 VAC交流電，可推算出偏離零點t=0.2 ms為能產(chǎn)生電弧的電壓時刻。因此容錯的誤差ΔT必須小于0.2 ms。

3 實驗驗證

3.1 初始狀態(tài)收斂實驗

取窗口內(nèi)數(shù)組N=8，將初始值T0分別賦值8，11。 經(jīng)測得某開關(guān)平均動作時間Tˉ=9.20 ms。 當K≤N時實驗數(shù)據(jù)用Matlab繪制如圖4所示。

圖4 K≤N時實驗數(shù)據(jù)曲線圖Fig.4 Experimental data diagram of K≤N

如圖4所示，盡管當T0初始值不同，但均在8次之內(nèi)收斂至平均值。實驗數(shù)據(jù)收斂速度隨著初始值T0與真實值Tˉ的偏差減小而減小。但最終在N次以內(nèi)可收斂至真實值。因此，可以根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)，測得某一類型的開關(guān)動作時間平均值，將其作為此類系統(tǒng)的初始值。系統(tǒng)初始化后，經(jīng)過N次動作，即可得出該系統(tǒng)下使用的開關(guān)動作真實值。

3.2 過零點分斷實驗

使用滑動窗口法預測開關(guān)動作時間，其最終目的是為了使開關(guān)在零點處斷開或者閉合。因此通過一組實驗驗證開關(guān)的零點斷開準確性。

根據(jù)開關(guān)手冊，其電氣壽命為1百萬次。故分別控制開關(guān)動作100次，1000次，10000次。記錄測得動作時間，并記錄開關(guān)斷開波形如圖5～7所示。

圖 5 K=100 次，Tˉ=9.6 實驗波形圖Fig.5 K=100 times，Tˉ=9.6 experimental waveforms

圖 6 K=1000 次，Tˉ=9.9 實驗波形圖Fig.6 K=1000 times，Tˉ=9.9 experimental waveforms

圖 7 K=1000 次，Tˉ=10.2 實驗波形圖Fig.7 K=1000 times，Tˉ=10.2 experimental waveforms

如圖5～7所示。隨著開關(guān)使用次數(shù)的增加，其動作時間呈微小增長趨勢。通過應(yīng)用滑動窗口模型，盡管開關(guān)動作時間會發(fā)生不同的改變，系統(tǒng)也能保證開關(guān)在交流過零點時準確斷開。

4 結(jié)語

本文提出一種簡單可靠的交流過零點精確測量的解決方法?；瑒哟翱诜▌討B(tài)檢測開關(guān)的動作時間，可以有效地檢測和矯正開關(guān)的過零點開閉控制。保證交流電零點的時候精準通斷，實現(xiàn)無電弧、高可靠、長壽命的智能開關(guān)。

實驗證明，滑動窗口技術(shù)的應(yīng)用，可以達到動態(tài)檢測開關(guān)動作時間的目的，精確控制開關(guān)在交流過零點通斷。

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