高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張柳，馬少華，王磊

(1.沈陽工業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110136；3.遼寧龍?jiān)葱履茉窗l(fā)展有限公司,遼寧 沈陽 110013)

1 引言

高壓隔離開關(guān)和高壓斷路器都是發(fā)電廠、變電站等電力系統(tǒng)中的開關(guān)電器，二者通常配套使用[1]。前者相對結(jié)構(gòu)比較簡單，主要用于保證高壓電器安全、維修時(shí)的工作安全，起到隔離電壓的作用，但其不具有滅弧功能，通常情況下高壓隔離開關(guān)根據(jù)安裝地點(diǎn)不同、級(jí)數(shù)差別、動(dòng)作方式、有無接地刀閘、操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及包含的絕緣柱數(shù)目不同可以分為多種類型[2]；高壓斷路器相比于高壓隔離開關(guān)，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，是發(fā)電廠、變電站等電力系統(tǒng)中承擔(dān)發(fā)電、送電、變電、配電接通、分?jǐn)嚯娐芬约氨Ｗo(hù)電路等控制和保護(hù)電力設(shè)備的重要作用，具有比較完備的滅弧裝置，能夠在高壓電器等正常運(yùn)行情況下接通和斷開電路，在電力設(shè)備發(fā)生故障(短路、電流過載等)情況下迅速開斷故障電流的對應(yīng)開關(guān)設(shè)備，即高壓斷路器能夠根據(jù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行要求，將一部分電氣設(shè)備或者輸電線路投入或退出運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)或轉(zhuǎn)入檢修狀態(tài)；在發(fā)生故障時(shí)，通過控制斷路器動(dòng)作，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將故障部分從電力系統(tǒng)中迅速切除，避免事故擴(kuò)大，保證電力系統(tǒng)的其他無故障電力設(shè)備的正常無損運(yùn)行[3]。

目前智能化高壓隔離開關(guān)斷路器的發(fā)展日新月異，人們通過采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAN總線技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等眾多先進(jìn)技術(shù)將高壓隔離開關(guān)斷路器嵌入到高壓電器產(chǎn)品中，用于實(shí)現(xiàn)高壓配電系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，但在實(shí)際應(yīng)用過程中高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能電機(jī)燒毀事故頻頻發(fā)生，特別是無人值守變電站高壓電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，遠(yuǎn)程調(diào)度無法及時(shí)獲取設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息并作出正確決策，導(dǎo)致故障處理延誤，擴(kuò)大了事故范圍[4-5]。為了解決上述問題，保證電力系統(tǒng)或電網(wǎng)、變電站的正常、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)一種有效的高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)[6]。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于LabVIEW軟件的高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)不僅改變了高壓隔離開關(guān)斷路器機(jī)械性能和低壓動(dòng)作特性，而且增加了彈簧儲(chǔ)能耗時(shí)，延長了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，不利于及時(shí)切斷故障源，很可能導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大，研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM的高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)。

2 高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)

分別采用空心電流互感器和電壓互感器采集電力系統(tǒng)高壓電器主干線路上的電流信號(hào)和電壓信號(hào)，并經(jīng)過模擬信號(hào)調(diào)理電路對采集獲得的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行整定、分壓、濾波等預(yù)處理，將處理后的信號(hào)輸入系統(tǒng)微控制器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用系統(tǒng)微控制器對處理后的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和邏輯判斷，如果判斷主干線路發(fā)生故障，則根據(jù)判斷結(jié)果采取相應(yīng)措施，同時(shí)發(fā)出電氣隔離開關(guān)斷路器控制指令信號(hào)，由系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作；同時(shí)，將主干線路具體故障類型，發(fā)生故障事件等信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。

除此之外，高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)還具有模擬脫扣電路，當(dāng)電力系統(tǒng)線路中發(fā)生特大短路故障時(shí)，可以直接由模擬脫扣電路執(zhí)行脫扣處理，切斷故障，無需經(jīng)過系統(tǒng)微控制器。高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)同時(shí)兼有RS485總線和以太網(wǎng)RJ45兩種通信接口，能夠根據(jù)具體應(yīng)用情況，選取合適的通信接口實(shí)現(xiàn)通信。如圖1所示給出了高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

圖1 控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)硬件

(1)系統(tǒng)微控制器設(shè)計(jì)

選取ARM系列MB9BF218TH/SH嵌入式微處理器作為高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)控制核心，其時(shí)鐘頻率最高能夠達(dá)到144MHz；含有24通道12位A/D轉(zhuǎn)換器；擁有八個(gè)多功能串行口，且每個(gè)通道均支持四種不同的功能配置；芯片內(nèi)部擁有充足的I/O接口以及快速計(jì)算和處理任務(wù)的能力，能夠滿足高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)對不同等級(jí)故障處理的實(shí)時(shí)性要求。

(2)系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高壓電器主干線路上的電流信號(hào)和電壓信號(hào)的整定、分壓、濾波等預(yù)處理，使得處理后的信號(hào)能夠滿足系統(tǒng)微控制器的處理要求。在實(shí)際應(yīng)用過程中，考慮到高壓隔離開關(guān)斷路器正常工作時(shí)的測量電流和保護(hù)電流大小，需要對二者分開檢測。由5.9kΩ和1.6電阻串聯(lián)構(gòu)成的分壓電路負(fù)責(zé)做分壓處理；由760Ω電阻和0.15μF電容構(gòu)成的低通濾波電路主要負(fù)責(zé)處理空心電流互感器和電壓互感器輸出的高頻噪聲信號(hào)。

(3)系統(tǒng)時(shí)鐘電路和溫度檢測電路設(shè)計(jì)

為了能夠準(zhǔn)確記錄電力系統(tǒng)高壓電器主干線路上發(fā)生故障的具體時(shí)間以及環(huán)境溫度情況，采用SD2068A芯片和DS18B20芯片分別設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和溫度檢測電路，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率、數(shù)字調(diào)整、強(qiáng)抗干擾、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 斷路器儲(chǔ)能回路缺陷分析與處理

(1)斷路器儲(chǔ)能回路缺陷分析

導(dǎo)致高壓隔離開關(guān)斷路器合閘失敗的原因是：系統(tǒng)繼電器的動(dòng)作時(shí)間小于高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲(chǔ)能完成時(shí)間，致使高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲(chǔ)能不到位，彈簧儲(chǔ)能回路發(fā)生缺陷。

(2)斷路器儲(chǔ)能回路缺陷處理

①調(diào)整控制系統(tǒng)繼電器的整定時(shí)間，使得系統(tǒng)儲(chǔ)能電機(jī)整定時(shí)間之內(nèi)完成繼電器彈簧儲(chǔ)能，并留有充足的裕度空間。通過采用秒表測出高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲(chǔ)能所需時(shí)長，調(diào)整控制系統(tǒng)繼電器的整定時(shí)間，使整定延時(shí)大于系統(tǒng)儲(chǔ)能電機(jī)實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)間，并充分考慮裕度空間；

②由于儲(chǔ)能電機(jī)長時(shí)間在室外環(huán)境中運(yùn)行，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可能因?yàn)樘鞖獾纫蛩赜绊懓l(fā)生卡頓，使得系統(tǒng)斷路器彈簧儲(chǔ)能時(shí)間延長，嚴(yán)重情況下斷路器彈簧儲(chǔ)能時(shí)間可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)繼電器整定時(shí)間，可以通過對斷路器儲(chǔ)能彈簧的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做潤滑處理以解決儲(chǔ)能不到位的缺陷。

根據(jù)上述處理方法，能夠順利執(zhí)行遠(yuǎn)程和本地合閘，同時(shí)系統(tǒng)微控制器也停止發(fā)送“斷路器彈簧儲(chǔ)能回路異常”信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)電力參數(shù)的三點(diǎn)法測量原理

高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示、三段保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、交流通訊以及熱記憶等功能都需要依靠軟件實(shí)現(xiàn)。軟件結(jié)構(gòu)的可靠性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度決定了高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)的最終性能。系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)的根本目的是當(dāng)設(shè)備中或線路中出現(xiàn)電路過載現(xiàn)象時(shí)，實(shí)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)斷路器三相電路電流、電壓等參數(shù)的實(shí)時(shí)測量計(jì)算，及時(shí)切斷故障源防止事故范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)還可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的斷路器保護(hù)閾值決定是否控制脫扣器動(dòng)作。為了準(zhǔn)確、快速判斷設(shè)備或線路是否發(fā)生故障，控制系統(tǒng)采用三點(diǎn)法測量和計(jì)算電流和電壓的有效值。

以電流有效值的三點(diǎn)法測量和計(jì)算為例，假設(shè)高壓電器運(yùn)行中有一個(gè)正弦信號(hào)，只要有幅值、頻率、初始相位三個(gè)點(diǎn)的信息即可確定該正弦信號(hào)的特征量，假設(shè)Im和ω表示待測電流信號(hào)幅值和頻率；Δt表示待測電流信號(hào)采樣間隔；k表示待測電流信號(hào)采樣序列；φ0表示待測電流信號(hào)初始相位，采用三點(diǎn)法測量和計(jì)算待測電流信號(hào)i(t)，具體計(jì)算公式如下：

i(t)=Imsin(ωΔtk)φ0)

(1)

將上式采用三角公式展開，可得：

i(t)=Imsin(ωΔtk)φ0)=Imsinφ0cos(ωΔtk)+Imcosφ0sin(ωΔtk)=Iscos(ωΔtk)+Icsin(ωΔtk)

(2)

Is=Imsinφ0

(3)

Ic=Imcosφ0

(4)

選取任意時(shí)刻作為電流采樣起始時(shí)刻，即k=0，則上一時(shí)刻和下一時(shí)刻可以分別用k=-1和k=1表示，則可得：

i-1=Iscos(-ωΔt)+Icsin(-ωΔt)

(5)

i0=Iscos(ωΔt·0)+Icsin(ωΔt·0)

(6)

i1=Iscos(ωΔt)+Icsin(ωΔt)

(7)

根據(jù)上述計(jì)算可得：

Is=i0

(8)

(9)

將式(8)和式(9)的計(jì)算結(jié)果帶入公式(4)中，整理可得：

(10)

則可得待測電流信號(hào)i(t)的有效值為：

(11)

上述計(jì)算過程表明，只要設(shè)置的電流信號(hào)采樣間隔Δt的值小于閾值T/20，即可獲得較高的計(jì)算精度。

在實(shí)際應(yīng)用過程中如果出現(xiàn)|cos(ωΔt)|≥1的現(xiàn)象，說明采樣點(diǎn)中存在干擾，為了減少干擾影響，應(yīng)多采幾個(gè)點(diǎn)后運(yùn)用數(shù)字濾波。采用三點(diǎn)法測量和計(jì)算電流和電壓的有效值，具有計(jì)算量較小的有頂，能夠大大提高高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路的響應(yīng)速度，適用于系統(tǒng)電力參數(shù)的準(zhǔn)確測量和計(jì)算。

(2)高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)要完成諸如采樣計(jì)算、故障判斷等實(shí)時(shí)性要求較高的計(jì)算處理任務(wù)，同時(shí)還要完任務(wù)顯示、鍵盤掃描，以及交流通訊等實(shí)時(shí)性要求不高的計(jì)算處理任務(wù)，為了保證系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)足夠清晰，減小系統(tǒng)服務(wù)器計(jì)算量，根據(jù)計(jì)算處理任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，將計(jì)算處理任務(wù)劃分為四個(gè)等級(jí)。例如計(jì)算處理顯示等作為實(shí)時(shí)性要求不高的慢速任務(wù)，系統(tǒng)程序每隔300ms執(zhí)行一次，并根據(jù)用戶要求發(fā)送數(shù)據(jù)；鍵盤掃描等作為快速計(jì)算處理任務(wù)，系統(tǒng)程序每隔60ms執(zhí)行一次；采樣、測量與計(jì)算、故障判斷等任務(wù)作為實(shí)時(shí)計(jì)算處理任務(wù)，由系統(tǒng)程序中斷完成；另外諸如看門狗定時(shí)器、高壓檢測等常規(guī)計(jì)算處理任務(wù)每次系統(tǒng)程序主循環(huán)都要執(zhí)行一次。

3 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場采用美國生產(chǎn)的型號(hào)為CT-7500的數(shù)字式高壓隔離開關(guān)斷路器特性測試儀，對文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)和研究提出并設(shè)計(jì)的的基于ARM的高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)分別對高壓隔離開關(guān)斷路器進(jìn)行機(jī)械特性測試，測試結(jié)果顯示設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分合閘時(shí)間和分合閘同期時(shí)間與文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)相比，誤差均在0.3ms以內(nèi)，說明設(shè)計(jì)系統(tǒng)較好地保留了斷路器機(jī)械特性。之后又對兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行低電壓動(dòng)作特性測試，觀察對比測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于高壓隔離開關(guān)斷路器分閘、合閘臨界動(dòng)作電壓本身具有波動(dòng)性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)對高壓隔離開關(guān)斷路器低電壓動(dòng)作特性亦沒有影響。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，對兩種系統(tǒng)的高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能耗時(shí)做了對比測試，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知，相比于文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)，采用設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效減小高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲(chǔ)能耗時(shí)，這是由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過調(diào)整高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)繼電器的整定時(shí)間，使得系統(tǒng)儲(chǔ)能電機(jī)在繼電器整定時(shí)間之內(nèi)完成繼電器彈簧儲(chǔ)能，并留有一定裕度空間，有效縮短了斷路器儲(chǔ)能耗時(shí)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)故障快速、準(zhǔn)確切斷奠定了良好基礎(chǔ)。

表1 兩種系統(tǒng)的斷路器彈簧儲(chǔ)能耗時(shí)對比結(jié)果

在高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲(chǔ)能完成后，如果系統(tǒng)檢測到設(shè)備或線路發(fā)生過載、短路等故障電流后會(huì)發(fā)出控制指令信號(hào)，由系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，在不同等級(jí)電流下進(jìn)行了故障響應(yīng)時(shí)間對比測試，其中額定工作電流設(shè)為8A，即系統(tǒng)微控制器的輸入電流。測試結(jié)果如圖2所示。

上述圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中某相中出現(xiàn)電流過載和短路故障時(shí)，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最高分別為8ms和9ms，設(shè)計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最高沒有超過4ms，能夠滿足不同等級(jí)計(jì)算處理任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，這是由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)為了準(zhǔn)確、快速判斷設(shè)備或線路是否發(fā)生故障，控制系統(tǒng)采用三點(diǎn)法測量和計(jì)算電流和電壓的有效值，有效減小了系統(tǒng)服務(wù)器計(jì)算量，提供了系統(tǒng)響應(yīng)速度，另外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比與文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的彈簧儲(chǔ)能耗時(shí)較少，一旦發(fā)生故障，能夠第一時(shí)間切斷故障源，較好地保證了電力系統(tǒng)設(shè)備的正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 電流過載故障/短路故障時(shí)不同系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對比

4 結(jié)束語

為了解決無人值守變電站高壓電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，遠(yuǎn)程調(diào)度無法及時(shí)獲取設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息并作出正確決策，導(dǎo)致故障處理延誤，事故范圍擴(kuò)大，電力系統(tǒng)無法正常、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的現(xiàn)狀，利用具有高性能、低能耗以及高性價(jià)比的ARM系列微處理器作為控制核心，提出并設(shè)計(jì)了基于ARM高壓隔離開關(guān)斷路器儲(chǔ)能回路控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)性能對比測試，證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的合理性與可行性，減少斷路器儲(chǔ)能耗時(shí)的同時(shí)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，為高壓隔離開關(guān)斷路器的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。