配電開關(guān)（柜）永磁操作機構(gòu)的智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

王偉冠 林曉璇 梁浩勝 葉蓓 劉振祥

摘要：本文分析總結(jié)永磁斷路器成套設(shè)備當前存在的幾個問題：1）電源系統(tǒng)脈動導(dǎo)致分合閘不成功；2）控制策略不完備，導(dǎo)致重合閘嚴重依賴于大容量儲能單元。闡述了永磁機構(gòu)的技術(shù)特點和控制理念。在此基礎(chǔ)上采用DSP和CPLD組合獨特的分層控制技術(shù)，雙欠壓信號的全橋IGBT控制電路，沿用珠海許繼電氣公司特有的產(chǎn)品設(shè)計理念，設(shè)計了一款新型的適用于10kV的永磁重合器。最后闡述了基于該永磁斷路器可實現(xiàn)單相分斷及選相合閘。

關(guān)鍵詞：永磁斷路器；分層控制；雙欠壓；IGBT；選相合閘

Abstract：In this paper，a summary of the present problems of permanent magnet circuit breaker package is analyzed，and the power supply system pulsation is not successful；and the control strategies are imperfect，which means that the heavy brake is heavily dependent on the big storage unit. The technical characteristics and control concept of permanent magnet mechanism are expounded. In this way，that unique layering control technique of DSP and CPLD，the bridge IGBT control circuit of dual under-voltage signal，and the unique product design concept of the zhuhai xj electric co.，LTD.，design a new permanent magnet applicator with 10kV. Finally elaborated based on the permanent magnetic circuit breaker can realize single-phase breaking and closing phase selection.

Keywords：Permanent magnetic breaker；Hierarchical control；Double undervoltage；IGBT；Phase switching

引言

當前永磁機構(gòu)的控制器是制約永磁真空斷路器成套設(shè)備得以廣泛應(yīng)用的最大障礙之一。1）由于本體開關(guān)部分不具備手動合閘功能，因此對控制器的可靠性要求高；2）永磁機構(gòu)分合閘線圈電流瞬間所需電流大，對功率回路的容量和可靠性要求高，對操作電源充放電管理也是一大難題。3）當作為重合器使用時，操作電源和控制技術(shù)尤為重要。

現(xiàn)有永磁斷路器控制器其驅(qū)動電源上的選擇是一致的，即采用大容量的鋁電解電容給分合閘線圈瞬間釋放大電流，產(chǎn)生磁場從而進行分合閘。其輸出控制邏輯主要有以下幾大方向：（1）采用電子式接近開關(guān)參與輸出控制的邏輯，電容能量的輸出隨著接近開關(guān)的位置變化而關(guān)斷。該方式的優(yōu)點是信號靈敏、干凈，但是該方式的難點在于接近開關(guān)的安裝位置要求及其苛刻，容易出現(xiàn)過早感應(yīng)到位置變化導(dǎo)致合閘不成功，有時甚至出現(xiàn)兩個接近開關(guān)同時感應(yīng)到位置導(dǎo)致斷路器拒動。（2）電子接近開關(guān)不參與輸出控制的邏輯，只作為位置指示，固定輸出控制的脈沖時間。該方式的優(yōu)點是可靠，但是該方法的缺點也是顯著的，由于無法得知分合閘是否到位，往往為保障分合閘成功，其固定的輸出比真正需要輸出時間長達10多毫秒，甚至有的更長，這已經(jīng)完全淹沒了永磁斷路器的快速開斷性能，更加嚴重的是使得電容釋放能量過多，再進行重合閘時出現(xiàn)容量不足致命的缺陷。（3）利用高速算法和高精度電流傳感器采集擬合分合閘輸出電流波形，與事前設(shè)定的常規(guī)波形對比，從而判斷分合閘是否成功。該方式的優(yōu)點是高可靠、并具有節(jié)能效果，但是該方式成本高，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，曲線相似度難以界定。綜上所述，目前現(xiàn)有技術(shù)中存在可靠性高、節(jié)能性高、實現(xiàn)方式簡單不能有效兼顧的缺陷。

文中針對上述問題，提出了如下解決方案：1）采用DSP和CPLD組合獨特的分層控制技術(shù)，分層控制即相互配合也可獨立進行，互不干擾：永磁控制模塊即接收保護監(jiān)控單元的命令，也接收來自手柄分合閘的操作命令。這樣健全了整個控制器的可靠性，消除了當保護監(jiān)控單元出現(xiàn)故障時而無法進行分合閘操作的缺陷。同時，手柄具備應(yīng)急操作模式，進一步加強了分合閘的可靠性。2）采用先進的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，集電容充放電功能和永磁開關(guān)控制功能于一體，具備永磁控制儲能電容充電功能、永磁開關(guān)的全橋控制和IGBT大功率輸出功能，并結(jié)合高速DSP數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)永磁開關(guān)分合閘波形擬合預(yù)判斷技術(shù)；采用光電式接近位置傳感技術(shù)和固有分合閘時間相結(jié)合實現(xiàn)永磁開關(guān)分合閘判斷技術(shù)，保證了分合閘可靠且耗能小，可實現(xiàn)快速四次重合閘。3）控制器采用儲能電容安全自放電技術(shù)，保證產(chǎn)品檢修安全。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計

當前控制單元的電源系統(tǒng)設(shè)計方法的固有缺陷主要表現(xiàn)在以下三個方面：（1）電源系統(tǒng)儲能單元性能差，使用壽命短，容易導(dǎo)致智能成套設(shè)備無法正常工作，線路發(fā)生故障時無法切除，會惡化電網(wǎng)的運行環(huán)境，當該線路需要恢復(fù)供電時也不能及時復(fù)電；（2）工作電源、后備電源和開關(guān)操作電源分別設(shè)計，體積龐大，發(fā)熱嚴重，能源浪費；（3）電源系統(tǒng)充放電管理功能粗糙，在線檢測功能缺失，無法有效延長儲能單元的使用壽命，更無法保證隱患的預(yù)診斷。

針對上述問題，項目組提出一種基于鋁電解電容和（蓄電池）超級電容組合的電源系統(tǒng)設(shè)計方法，實現(xiàn)儲能充放電、操作電源、后備電源的統(tǒng)一設(shè)計。實現(xiàn)了電源系統(tǒng)電路的模塊化設(shè)計：集充電管理狀態(tài)監(jiān)視告警于一體，大大提高整個產(chǎn)品的維護性；實現(xiàn)了控制器工作電源和本體開關(guān)操作電源（鋁電解電容）以及后備電源（超級電容）的統(tǒng)一設(shè)計，降低了產(chǎn)品的成本和體積；通過多次實驗和運行試驗研究出合理的超級電容容量和電壓等級選取原則，有效改善了超級電容充電時拉死智能設(shè)備控制器缺陷，解決了控制器分合閘輸出時電源系統(tǒng)可靠性降低等難題，提高了整套產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性；具備完善的超級電容壽命在線檢測系統(tǒng)，能有效監(jiān)測超級電容壽命；依據(jù)超級電容特性，采用恒流和恒壓結(jié)合限功率兩段式充電方式；實時監(jiān)測后備電源的電壓。

如下圖1所示是項目組開發(fā)設(shè)計的一款充電式開關(guān)電源原理示意圖，該電源具有體積小，轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定；采用金屬外殼模塊化封裝，抗干擾能力強；輸入、輸出端為出針形式；48V標稱輸入，可在較寬輸入電壓范圍內(nèi)工作；本產(chǎn)品具有輸出短路保護功能。有智能充電功能，可對外接的60V以上超級電容充電，在輸入斷電時電容可不間斷的對負載供電，具有輸入過欠壓保護功能；具有防止電容過放電的保護功能。

實現(xiàn)了電源充放電管理與大功率輸出控制于一體，如下圖2所示。采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD作為永磁控制模塊的控制部件，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)電路的模塊化設(shè)計：集充電管理狀態(tài)監(jiān)視告警于一體，大大提高整個產(chǎn)品的維護性；實現(xiàn)了控制單元工作電源和本體開關(guān)操作電源（鋁電解電容）以及后備電源（蓄電池）的統(tǒng)一設(shè)計，降低了產(chǎn)品的成本和體積；解決了控制單元分合閘輸出時電源系統(tǒng)可靠性降低等難題，提高了整套產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性；具備完善的在線檢測系統(tǒng)，實時監(jiān)測后備電源的電壓。

2.基于雙欠壓信息的全橋IGBT控制策略

永磁操作機構(gòu)的分合閘電流將達到數(shù)十安培以上，采用常規(guī)的固定式脈沖控制方式，由于無法得知分合閘是否到位，往往為保障分合閘成功，其固定的輸出比真正需要輸出時間長達10多毫秒，甚至有的更長，這已經(jīng)完全淹沒了永磁斷路器的快速開斷性能，更加嚴重的是使得電容釋放能量過多，再進行重合閘時出現(xiàn)容量不足致命的缺陷。

項目組針對上述問題，利用正反信號和IGBT全橋控制策略，實現(xiàn)分合閘脈沖的快速回收。

4 組合分層控制技術(shù)

采用DSP+CPLD嵌入式軟硬件組合分層控制設(shè)計，既可獨立控制又可相互協(xié)作，保證了永磁開關(guān)操作控制的高可靠性。原理框圖見下圖4，其作用是控制永磁斷路器進行可靠的分合閘。該控制模塊的控制對象包括單穩(wěn)態(tài)（單線圈）和雙穩(wěn)態(tài)（雙線圈）永磁斷路器兩種。主要由DSP 芯片和相關(guān)電路邏輯模塊構(gòu)成；永磁控制模塊主要由CPLD芯片和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）全橋功率控制輸出模塊構(gòu)成。分層控制可相互配合，也可獨立進行，互不干擾，永磁控制模塊即接收數(shù)據(jù)處理單元的命令，也接收來自手柄分合閘的操作命令，健全了整個控制器的可靠性，消除了當數(shù)據(jù)處理單元出現(xiàn)故障時而無法進行分合閘操作的缺陷。工作原理和實現(xiàn)方式介紹如下：

（1）DSP 數(shù)據(jù)處理單元通過檢測線路電流電壓發(fā)現(xiàn)故障時，發(fā)出分閘信號給永磁控制模塊；

（2）永磁控制模塊收到分閘信號后，經(jīng)過短時消抖濾波確認為有效信號時，驅(qū)動導(dǎo)通IGBT全橋中的分閘橋臂并釋放儲能電容中的能量；

（3）本體斷路器永磁機構(gòu)中的線圈流經(jīng)分閘電流時產(chǎn)生磁場推動動鐵心分閘；

（4）當斷路器快在分閘位置時，傳遞分閘信號給永磁控制模塊和數(shù)據(jù)處理單元；

（5）數(shù)據(jù)處理單元顯示分閘成功；

（6）經(jīng)過一段延時，即經(jīng)過按照數(shù)據(jù)處理單元預(yù)先設(shè)定的重合閘時間后永磁重合器開始進行合閘，此時線路故障若為瞬時故障則合閘后不再分閘，若為永久性故障則合閘后加速跳閘，且閉鎖合閘并隔離故障。

5 基于分相開斷的自適應(yīng)單相重合閘

斷路器選相控制的實質(zhì)是根據(jù)不同負載特性，控制斷路器在參考信號最佳相角處關(guān)合或開斷，實現(xiàn)對電網(wǎng)無沖擊的平滑過渡，有效地削弱開關(guān)瞬態(tài)電磁效應(yīng)。圖5所示為斷路器選相合閘時序圖，當同步控制器在時刻TZ1接到合閘指令后，預(yù)測出斷路器的合閘時間，根據(jù)斷路器的關(guān)合速度，控制電壓以及關(guān)合時的預(yù)擊穿.按照一定的計算方法，計算出觸頭預(yù)期關(guān)合的最佳時刻Tcls。為了保證斷路器在Tcls點合閘，需計算控制信號所需的最小延遲時間Tdl。

由圖5可以得到：

（2-8）

式中 ——電網(wǎng)頻率， ——合閘指令距離最近零點時刻的延時， ——開關(guān)合閘時間， ——CPU邏輯運算時間

綜上所述，與隨機關(guān)合過程相比，選相控制需要控制系統(tǒng)實時檢測電壓零點，以距合閘指令最近的零點時刻算起，算出在最佳目標相位B處閉合所需的延時 ，從而達到相位控制的目的。通過MATLAB仿真得到無選相控制條件下和選相控制條件下的涌流波形分別如圖6和圖7所示。

6 總結(jié)和展望

本文采用DSP和CPLD組合獨特的分層控制技術(shù)設(shè)計的永磁重合器具有較高的實用性和可靠性，并已在天津、遼寧、河南、云南等省市電力局投入運行，但是目前的使用方式僅僅是將永磁重合器作為常規(guī)的替換，并沒有充分有效地應(yīng)用永磁重合器的功能。如何將分相開斷，過零開斷等技術(shù)實用化將是往后工作的重點。另外，本文基于永磁重合器的快速分段功能，提出了一種饋線自動化系統(tǒng)構(gòu)建方式，具有一定的實用性但在主干線路上的通信方式和通信的可靠性、建設(shè)成本的經(jīng)濟性將是本文后續(xù)工作的關(guān)鍵。

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基金項目：本論文來源于廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局科技項目；項目名稱為：配電設(shè)備模塊化及智能化關(guān)鍵技術(shù)研究，課題2：配電環(huán)網(wǎng)柜智能化技術(shù)研究與應(yīng)用；項目編號為：GDKJXM20172889。

（作者單位：1廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局；

2廣州思泰信息技術(shù)有限公司）