基于選相控制的高壓斷路器過(guò)電壓抑制方法研究

楊志鈞

摘 要：高壓斷路器出現(xiàn)重燃時(shí)會(huì)造成非常嚴(yán)重的過(guò)電壓，于是會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，于是為了抑制過(guò)電壓，文章提出了基于選相控制的方式。通過(guò)對(duì)選相控制器關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，然后使用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了選相控制器具有更好的抗干擾性，能夠提高時(shí)間準(zhǔn)確度，有助于抑制高壓斷路器過(guò)電壓。

關(guān)鍵詞：選相控制;高壓斷路器;過(guò)電壓

中圖分類號(hào)：TM561.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）04-0158-04

Abstract：When a high voltage circuit breaker reignites， it will cause a very serious overvoltage， which will affect the normal operation of the entire power system. So in order to suppress the overvoltage， the paper proposes a method based on phase selection control. By improving the key links of the phase selection controller， and then using simulation experiments to verify that the phase selection controller has better anti-interference， can improve the accuracy of time， and help to suppress the high voltage circuit breaker overvoltage.

Key words：phase selection control; high voltage circuit breaker; overvoltage

在變電站中非常重要的一次設(shè)備就是高壓斷路器，隨機(jī)相位跳閘對(duì)斷路器會(huì)造成比較大的沖擊，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，所以為了抑制斷路器過(guò)電壓，需要實(shí)現(xiàn)斷路器跳合閘相位控制，實(shí)現(xiàn)這一控制的裝置就是選相控制器[1]。對(duì)于選相控制器的研究，我國(guó)起步比較晚，2005年之后才開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研發(fā)并且投入市場(chǎng)使用。如今，我國(guó)對(duì)電力的需求不斷提高，不斷增加輸電電壓等級(jí)，增加更為昂貴的電氣設(shè)備，使得選相控制器在變電站中使用越來(lái)越廣泛[2]。然而也暴露出選相控制器的問(wèn)題，比如抗干擾性較弱、計(jì)算準(zhǔn)確度較低等[3]。于是文章將研究基于選相控制的高壓斷路器過(guò)電壓抑制方法，主要對(duì)選相控制器提出優(yōu)化措施，從而提高選相控制器的效果。

1 技術(shù)分析

1.1 選相分合閘控制時(shí)序分析

由于受到各種因素的影響，感性負(fù)載和容性負(fù)載的最佳合閘相位處于系統(tǒng)電壓峰值和電壓的過(guò)零點(diǎn)。圖1即為選相合閘控制過(guò)程。

選相控制器在T0時(shí)刻時(shí)收到合閘命令，于是就會(huì)開(kāi)啟選相控制，選相控制器會(huì)根據(jù)相關(guān)信息計(jì)算出最為合適的等待時(shí)間，從T1時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)電壓過(guò)零點(diǎn)然后達(dá)到選相合閘等待時(shí)間，于是就會(huì)發(fā)出合閘命令。

選相分閘的作用就是控制接觸頭分離時(shí)刻，從而達(dá)到提升斷路器的開(kāi)斷能力，另外還能夠避免過(guò)電壓沖擊。選相分閘控制過(guò)程如圖2所示。

選相控制器在T0時(shí)刻時(shí)收到分閘命令，于是就會(huì)開(kāi)啟選相控制，需要根據(jù)相關(guān)信息判斷出最安全觸頭分離時(shí)刻T4，然后再T5時(shí)刻可靠開(kāi)斷。選相控制其會(huì)自動(dòng)根據(jù)相關(guān)信息計(jì)算出合適的等待時(shí)間，從電壓過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，等待時(shí)間過(guò)完之后就會(huì)發(fā)出分閘命令。

通過(guò)上面選相分合閘的時(shí)序分析，能夠了解到該控制的核心要素有3個(gè)，首先是準(zhǔn)確判別過(guò)零點(diǎn)，然后準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)操作點(diǎn)，最后就是準(zhǔn)確動(dòng)作出口[4]。

1.2 裝置總體方案設(shè)計(jì)

為了能夠通過(guò)選相控制抑制高壓斷路器過(guò)電壓，文章對(duì)選相控制其進(jìn)行分析，對(duì)其緊致方案設(shè)計(jì)，其中包含硬件總體方案設(shè)計(jì)和軟件總體方案設(shè)計(jì)。下面將分別對(duì)兩者進(jìn)分析。

（1）硬件總體方案。使用獨(dú)立裝置方案，硬件設(shè)計(jì)中包含有CPU模塊、反饋信號(hào)輸入模塊、斷路器特征參量輸入模塊、基準(zhǔn)電壓輸入模塊、人機(jī)模塊和混合出口模塊等。

圖3為選相控制器典型回路，從圖中可以看出，選相控制其是通過(guò)繼電保護(hù)、測(cè)控等出口發(fā)出操作命令，能夠使用一般的電纜就可以完成輸入工作。反饋信號(hào)來(lái)自線路PT或者CT，另外選相基準(zhǔn)電壓來(lái)自母線PT。分合閘命令可以直接輸出到斷路器，也能夠間接的傳達(dá)到斷路器[5]。另外，能夠反映斷路器動(dòng)作特征的參量會(huì)輸入比較小的電流信號(hào)。

（2）軟件總體方案。當(dāng)選相控制器接收到跳合閘命令之后，就會(huì)開(kāi)啟選相控制，基準(zhǔn)電壓會(huì)進(jìn)行無(wú)壓判斷，于是就會(huì)觸發(fā)控制接點(diǎn)出口。當(dāng)投入選相功能時(shí)，選相控制器會(huì)自動(dòng)計(jì)算出需要使用的各種參數(shù)、頻率和相位等，并且在能夠在預(yù)定時(shí)刻上將繼電器和IGBT混合出口進(jìn)行觸發(fā)。當(dāng)不投入選相功能時(shí)，比如對(duì)跳合閘進(jìn)行保護(hù)時(shí)，只需要將繼電器出口進(jìn)行觸發(fā)，從而滿足實(shí)時(shí)出口要求[6]。圖4即為選相控制器出口邏輯圖。

1.3 IGBT和繼電器混合出口設(shè)計(jì)

基于選相控制器方法抑制高壓斷路器過(guò)電壓時(shí)，其中需要確保動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)該功能來(lái)源與IGBT和繼電器混合出口。CPU模塊發(fā)出分合閘命令，會(huì)通過(guò)FPGA和繼電器控制信號(hào)之間進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，然后將命令通過(guò)不同通道發(fā)動(dòng)到IGBT和繼電器混合出口。混合出口原理圖如圖5所示。

CPU模塊對(duì)CPLD芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)使用的是軟件報(bào)文，從而可以實(shí)現(xiàn)控制出口繼電器開(kāi)放，也就是開(kāi)發(fā)出口。而且對(duì)IGBT芯片準(zhǔn)時(shí)開(kāi)放動(dòng)作進(jìn)行控制時(shí)，選擇的差分導(dǎo)線進(jìn)行完成，這種方式具有很好的抗干擾性能，能夠非常快速的完成出口回路動(dòng)作。

繼電器回路的主要優(yōu)勢(shì)在于其節(jié)點(diǎn)具有很好的抗沖擊性能，然而也存在缺陷，如動(dòng)作時(shí)間離散度大。IGBT回路的優(yōu)勢(shì)在于具有精準(zhǔn)的動(dòng)作時(shí)間，動(dòng)作時(shí)間離散性小于20?m。表1即為繼電器和IGBT回路特性對(duì)比。如果將兩者進(jìn)行結(jié)合使用，那么就會(huì)使得整個(gè)回路具有很好的優(yōu)勢(shì)，既能夠有很好的抗沖擊性能、可靠的耐受電壓性能，還能夠保證動(dòng)作時(shí)間的準(zhǔn)確，比較適合于斷路器的需求[7]。

1.4 高精度抗干擾算法研究

在選相控制中非常重要的算法有相位、頻率等信息測(cè)量，其測(cè)量的準(zhǔn)確性直接與選相控制準(zhǔn)確程度相互關(guān)聯(lián)。通常情況下，選相控制的參考電壓有兩種方式獲取，分別為A相電壓和正序電壓，這兩種獲取方式的算法不同。

（1）正序電壓方法。使用該方式的計(jì)算公式如下所示：

其中，表示的是正序電壓的復(fù)向量，、和代表的是三相電壓的瞬時(shí)值。

正序電壓的相位通過(guò)上述公式可以計(jì)算出來(lái)，然后頻率計(jì)算可以通過(guò)相位差進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)每工頻周波計(jì)算一次相交，然后兩次的相角差可以用進(jìn)行表示，然而需要注意的是將進(jìn)行調(diào)整，直至屬于之間，然后就有如下所示的公式：

文章將會(huì)使用數(shù)字帶通濾波器，目的在于提高算法的抗干擾能力[8-9]。

（2）A相電壓方法。當(dāng)前會(huì)使用過(guò)零點(diǎn)測(cè)量、傅里葉分析算法等對(duì)單相電壓進(jìn)行測(cè)量，然而這些方法有一些局限性。比如過(guò)零點(diǎn)算法具有非常簡(jiǎn)單的原理，很容易被理解，但是在處理直流分量和疊加諧波時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)該算法具有比較大的誤差;傅里葉分析算法具有較為成熟的應(yīng)用，然而存在頻譜泄漏問(wèn)題，就會(huì)造成在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)加大偏差。另外，采樣數(shù)據(jù)非常容易受到干擾，因?yàn)殡娏υO(shè)備比較復(fù)雜，所以就會(huì)影響到測(cè)量準(zhǔn)確度。于是為了解決這些問(wèn)題，文章將會(huì)通過(guò)應(yīng)用實(shí)部、虛部提取算法，從而提高抗干擾能力。BPF1和BPF2表示的是帶通濾波器，具有以下的表達(dá)公式：

復(fù)向量的算法如圖6所示，由于文章使用復(fù)向量提取算法可以直接計(jì)算出虛部和實(shí)部，不會(huì)受到其他因素的影響，于是就可以避免數(shù)據(jù)干擾。對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于虛部和實(shí)部存在一樣的延時(shí)和增益，所以就會(huì)提高計(jì)算結(jié)果的精確度，能夠與原始數(shù)據(jù)保持一致，還能夠增加抗干擾能力[10]。

2 仿真與試驗(yàn)

2.1 仿真計(jì)算

圖7即為頻率與相角仿真模型，為驗(yàn)證算法的效果，使用基波疊加諧波的方式輸入波形，表達(dá)公式如下所示。其中各種參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

仿真結(jié)果如圖8所示，通過(guò)該方式計(jì)算出的頻率為55Hz，正好與實(shí)際情況相符合，而且相位計(jì)算結(jié)果和基波波形也相符合，于是可以證明具有較好的準(zhǔn)確度和抗干擾能力。

2.2 裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

圖9即為試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)圖，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示，其中黃色線表示的是沒(méi)有疊加的諧波和同相位的交流量波形，藍(lán)色線表示的是加載到裝置上的交流量波形，綠色線表示的是混合接點(diǎn)輸出。通過(guò)研究結(jié)果表明，選相控制器具有較好的應(yīng)用效果，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出口目標(biāo)時(shí)刻，而且動(dòng)作準(zhǔn)確，應(yīng)用于抑制高壓斷電器過(guò)電壓比較合適。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章對(duì)選相控制器進(jìn)行優(yōu)化研究，將其中幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，于是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)的選相控制在高壓斷路器過(guò)電壓抑制方法中具有較好的效果，能夠提高抗干擾能力，還能夠提高準(zhǔn)確執(zhí)行出口動(dòng)作，并且具有較準(zhǔn)確的計(jì)算出口時(shí)間。于是將有助于降低高壓斷路器的危險(xiǎn)，有利于我國(guó)電力領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]史建博.光控模塊式真空斷路器選相控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)， 2011.

[2]徐麗青，李帥，陳慶旭，等.一種新型智能選相控制器設(shè)計(jì)及抗干擾措施[J].中國(guó)電力，2016，48（2）：176-179.

[3]石立平，方鴻發(fā).交流接觸器選相分合閘控制器[J].低壓電器，1991（02）：5-8.

[4]Yang J Z ， Liu C W . A precise calculation of power system frequency[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2002， 16（3）：361-366.

[5]翟瑞聰， 王紅斌， 朱文俊.電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)譜圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].廣東電力，2015（03）：39-44.

[6]周小波，汪思滿，吳正學(xué)，等.環(huán)網(wǎng)分布式母線保護(hù)裝置就地化實(shí)現(xiàn)探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2015（6）：104-108.

[7]卞星明，文遠(yuǎn)芳，雷琴.電力系統(tǒng)測(cè)頻算法比較[J].高電壓技術(shù)，2006（05）：111-114.

[8]李赟，程洋.多機(jī)并聯(lián)光伏逆變器系統(tǒng)諧振抑制策略[J].廣東電力，2017，30（10）：47-51.

[9]陸征軍，李超群，李燕，等.就地安裝的智能電子設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題[J].高壓電器，2013，49（07）：92-95.

[10]趙仁德，馬帥，李海艦，等.基于強(qiáng)跟蹤濾波器的電力系統(tǒng)頻率測(cè)量算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（07）：85-90.