周學(xué)斌，李曉明，楊俊杰，路書敏，黃建明，余先勇

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072；2.河北旭陽焦化有限公司，河北 定州073000）

0 引 言

焦化生產(chǎn)行業(yè)是耗能高、環(huán)境污染嚴(yán)重的行業(yè)，除需要滿足國家環(huán)保部門有關(guān)正常生產(chǎn)過程的排氣、排水和排塵的環(huán)保指標(biāo)要求外，更重要、更困難的是確保安全、可靠、連續(xù)、環(huán)保生產(chǎn)，防止煤氣異常排放。煤氣鼓風(fēng)機擔(dān)負著焦?fàn)t煤氣的正常輸送和控制焦?fàn)t集氣管壓力的任務(wù)［1］。

目前在工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)種類很多，而液力調(diào)速節(jié)能實現(xiàn)方便、節(jié)能效果顯著而受到廣泛的重視和應(yīng)用［2-5］。特別在電力、鋼鐵、礦山及石油化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用調(diào)速型液力偶合器進行調(diào)速，在節(jié)能降耗方面取得了很好的效果［6-9］。煤氣鼓風(fēng)機通過液力偶合器進行調(diào)速，液力偶合器安裝在異步電動機和鼓風(fēng)機的增速器之間，可以在電動機速度恒定的情況下無級地調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速［1］。調(diào)速型液力偶合器的工作液是隨工況的變化需求而調(diào)節(jié)變化，通過輔助油泵改變偶合器工作腔中充油量，達到調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)工作腔的進、出口流量qj和qc相等時，液力偶合器工作腔充液量將保持不變，欲使工作腔中的充液量變化，則需使工作腔的進、出口流量qj和qc不相等。

實際焦化生產(chǎn)過程的復(fù)雜性以及電網(wǎng)供電質(zhì)量和企業(yè)內(nèi)部電能質(zhì)量存在的問題，主要由短路故障、雷擊等引起的電壓跌落，以及電源切換操作不成功，導(dǎo)致煤氣鼓風(fēng)機輔助油泵電壓保護動作跳閘，工作腔進、出口流量qj和qc將不相等，引起煤氣鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速不能適應(yīng)工況變化需求，引起風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)節(jié)困難，被迫使高電壓、大功率煤氣鼓風(fēng)機及輔助設(shè)備（油泵）系統(tǒng)停機，煤氣鼓風(fēng)機及輔助設(shè)備統(tǒng)恢系復(fù)正常工作受工藝流程限制，需要20min～40min左右，在此期間，焦化集氣管壓力過大，解壓閥開啟，煤氣通過非正常排氣管向空中排放，從而污染周邊空氣環(huán)境。所以采用有效措施，確保焦化煤氣異常排放控制在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的允許范圍內(nèi)刻不容緩。

一類負荷通常采用雙電源供電［10］，本文采用復(fù)合開關(guān)（機械開關(guān)與電力電子開關(guān)并聯(lián)）在煤氣鼓風(fēng)機輔助油泵等低壓一類負荷電源正常或發(fā)生電壓跌落時，通過協(xié)調(diào)控制快速（不斷電）柔性（無電弧、無過電壓、無沖擊電流）自動投入備用電源，解決低壓輔助油泵電源正常切換操作不成功或電源電壓跌落引起高壓大功率煤氣鼓風(fēng)機及輔助設(shè)備停機導(dǎo)致煤氣異常排放的問題。

1 協(xié)調(diào)控制

協(xié)調(diào)控制主要涉及煤氣鼓風(fēng)機輔助油泵的1工1備電源的雙源切換控制。為了實現(xiàn)一類低壓負荷安全可靠雙源切換，傳統(tǒng)的機械開關(guān)切換控制自身的缺點，很難保證供電可靠性和電能質(zhì)量。某機械開關(guān)快速聯(lián)動特性試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 機械開關(guān)快速聯(lián)動特性試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data ofmechanical switch fast linkage characteristics

表1中的試驗數(shù)據(jù)是在空載的情況下測出的，三相機械開關(guān)聯(lián)動切換過程存在的問題：（1）無法同期合閘，系統(tǒng)過電壓和過電流不可控；（2）試驗數(shù)據(jù)為空載狀態(tài)測出，帶實際負荷后分閘時間延長，合閘間隔會縮短，可能導(dǎo)致故障擴大；（3）未考慮故障診斷時間，一般需要一個周期，至少半個周期；（4）機械開關(guān)的離散性使分閘和合閘時間準(zhǔn)確控制很困難；（5）由于無法準(zhǔn)確控制開關(guān)合分時刻，當(dāng)機械開關(guān)分閘截流時，di/dt很大，感性負荷產(chǎn)生很高的電壓，可能造成設(shè)備的損壞；（6）為了避免故障擴大，先分后合，即使機械開關(guān)空載配合加上故障檢測時間至少需要35 ms～42 ms（滅弧暫態(tài)時間一般2至3個周期除外）。

為克服傳統(tǒng)機械開關(guān)切換過程中的缺點，低壓輔助油泵雙源切換控制采用復(fù)合開關(guān)控制技術(shù)。利用電力電子開關(guān)在機械開關(guān)斷開和閉合過程中分流、鉗壓作用，實現(xiàn)機械開關(guān)迅速斷開和閉合完成雙電源快速柔性切換，保證用戶設(shè)備的正常運行。電力電子開關(guān)和機械開關(guān)協(xié)調(diào)控制，電力電子開關(guān)用于完成合閘和分閘動作工作狀態(tài)，機械開關(guān)用于完成正常運行工作狀態(tài)，確保在電源正常切換或電壓跌落情況下油泵的工作電源與備用電源快速柔性切換。

雙源切換協(xié)調(diào)控制采用電力電子開關(guān)及智能控制技術(shù)，自動檢測工作電源和備用電源的工作狀態(tài)，當(dāng)工作電源電壓跌落時，自動將備用電源不斷電地平穩(wěn)倒換為工作狀態(tài)，而將工作電源退出，故障消除后，可以根據(jù)需要進行狀態(tài)恢復(fù)操作。

1.1 協(xié)調(diào)控制步驟

煤氣鼓風(fēng)機輔助油泵雙源切換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 煤氣鼓風(fēng)機輔助油泵雙源切換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of double switching control system in gas blower auxiliary oil pump

雙電源為暗備用接線方式向負荷M油泵供電，通過復(fù)合開關(guān)實現(xiàn)工作電源與備用電源間快速柔性切換。

工作電源正?；螂妷旱淝袚Q為備用電源步驟：（1）協(xié)調(diào)控制器給復(fù)合開關(guān)1中三相電力電子開關(guān)VT12發(fā)觸發(fā)脈沖，發(fā)斷開機械開關(guān)QF11命令斷開QF11，停止給 VT12發(fā)觸發(fā)脈沖；（2）VT12斷開后協(xié)調(diào)控制器給復(fù)合開關(guān)2中三相電力電子開關(guān)VT22發(fā)觸發(fā)脈沖閉合VT22；（3）協(xié)調(diào)控制器發(fā)閉合機械開關(guān)QF21命令閉合QF21；（4）協(xié)調(diào)控制器停止給 VT22發(fā)觸發(fā)脈沖斷開VT22。

協(xié)調(diào)控制器接收到電源正常切換操作命令或檢測到工作電源電壓跌落，通過協(xié)調(diào)控制器進行雙源切換控制。首先協(xié)調(diào)控制器給復(fù)合開關(guān)1中三相電力電子開關(guān)VT12發(fā)觸發(fā)脈沖，同時發(fā)斷開機械開關(guān)QF11命令，機械開關(guān)QF11一旦斷開，VT12兩端建立起正向電壓立刻導(dǎo)通，工作電源經(jīng)VT12給負荷M油泵供電，機械開關(guān)QF11斷開不會因電流突變產(chǎn)生過電壓。之后，協(xié)調(diào)控制器停止給VT12發(fā)觸發(fā)脈沖，VT12三相在電流過零點自動斷開不產(chǎn)生過電壓。三相VT12全部斷開后，協(xié)調(diào)控制器給復(fù)合開關(guān)2中三相電力電子開關(guān)VT22發(fā)觸發(fā)脈沖，兩端存在正向電壓立刻導(dǎo)通，但VT22長時間導(dǎo)通發(fā)熱嚴(yán)重，縮短開關(guān)壽命，影響設(shè)備正常運行。協(xié)調(diào)控制器發(fā)閉合機械開關(guān)QF21命令，機械開關(guān)QF21閉合后協(xié)調(diào)控制器停止給VT22發(fā)觸發(fā)脈沖，VT22三相在電流過零點自動斷開不產(chǎn)生過電壓，負荷M油泵由備用電源經(jīng)機械開關(guān)QF21供電，切換結(jié)束。

1.2 協(xié)調(diào)控制時間分析

協(xié)調(diào)控制器控制雙電源切換時間分析，工作電源發(fā)生電壓跌落時，協(xié)調(diào)控制器快速智能算法檢測出電壓跌落所需時間最長為5 ms，復(fù)合開關(guān)1中三相電力電子開關(guān)VT12斷開時間最長為10 ms，工作電源發(fā)生電壓跌落到VT12斷開總時間最長為15 ms+機械開關(guān)QF11斷開時間（如6 ms）。復(fù)合開關(guān)2中三相電力電子開關(guān)VT22閉合時間為0 ms，斷開時間最長為10 ms，VT22從閉合到斷開所需總時間最長為10 ms+機械開關(guān)QF21閉合時間（如16 ms），整個切換過程所需時間最長為25 ms+機械開關(guān)QF11斷開時間+機械開關(guān)QF21閉合時間=47 ms。負荷M油泵處在電壓不正常狀態(tài)時間最長為VT12斷開總時間，即15 ms+機械開關(guān)QF11斷開時間=21 ms遠小于機械開關(guān)切換時間。工作電源正常切換時，整個切換過程所需時間比工作電源發(fā)生電壓跌落時少了5 ms檢測時間，總時間最長為20 ms+機械開關(guān)QF11斷開時間+機械開關(guān)QF21閉合時間=42 ms。負荷M油泵處在電壓不正常狀態(tài)時間最長為10 ms，即VT12最長斷開時間。

1.3 協(xié)調(diào)控制信息流

為了適應(yīng)設(shè)備間互操作性，面向未來需求的開放性、可擴展性以及海量電物理量輕型傳輸?shù)男枰?，采用IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)來描述各信息流的性質(zhì)與含義。IEC 61850采用面向?qū)ο蠼?、設(shè)備間傳輸服務(wù)采用抽象通信服務(wù)接口和特殊通信服務(wù)映射等諸多先進技術(shù)。2009年底，IEC 61850第2版發(fā)布，至此，IEC 61850成為智能電網(wǎng)技術(shù)通信領(lǐng)域最為重要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)［11］。協(xié)調(diào)控制器控制雙電源切換各LN協(xié)作如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)控制器控制雙電源切換各LN協(xié)作圖Fig.2 LN collaboration diagram of the coordinated controller controls the double power switch

協(xié)作圖括號中數(shù)字代表協(xié)調(diào)控制器操作順序及信息類別，電力電子開關(guān)沒有切斷短路電流的能力，用邏輯接點XSWI表示。協(xié)調(diào)控制器控制類模型采用帶增強安全機制的選擇后操作（SBOW）防止＂防空程＂發(fā)生，確保控制操作正確執(zhí)行。

TVTR和TCTR用STIM來實現(xiàn)同步采樣信息（Ⅰ），MMXU測量電壓和電流模擬量信息（Ⅱ）SV報文，經(jīng)過海量電物理量輕型傳輸機制處理，將反映電物理量的特征信息信息（Ⅲ）MMS報文傳輸給IHMI，大大減少了傳輸數(shù)據(jù)量，減輕了網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)，通過特征信息向量編碼可以節(jié)省存儲空間，對數(shù)據(jù)存取非常方便。

工作電源電壓跌落切換為備用電源主要信息流分析，欠電壓保護PTUV接收TVTR1采集的電壓模擬量信息（1）SV報文，PTUV中快速智能算法檢測出電壓跌落主要特征參數(shù)：電壓暫降幅值、持續(xù)時間和相位跳變。PTUV發(fā)出信息（2）MMS報文啟動GAPC進行順序過程控制GAPC.SPCSO.ctlVal=on。GAPC發(fā)出控制信息（4）MMS報文發(fā)出控制信息（5）GOOSE報文XSWI12.Pos.ctlVal=on，給三相電力電子開關(guān)VT12發(fā)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置為：pulseConfig.cmdQual=persistent，停止給VT12發(fā)觸發(fā)脈沖條件是XCBR11位置狀態(tài)為斷開，即XCBR11位置狀態(tài)信息（8）GOOSE報文XCBR11.Pos.stVal=off。GAPC在發(fā)出控制信息（4）同時發(fā)出控制信息（6）MMS報文發(fā)出控制信息（7）GOOSE報文XCBR11.Pos.ctlVal=off斷開機械開關(guān)QF11，機械開關(guān)QF11位置斷開狀態(tài)信息（8）GOOSE報文傳輸給GAPC，三相電力電子開關(guān)VT12位置閉合狀態(tài)信息（10）GOOSE報文XSWI12.Pos.stVal=on傳輸給GAPC。GAPC發(fā)控制信息（12）MMS報文ctlVal=off，CSWI12發(fā)出控制信息（13）GOOSE報文XSWI12.Pos.ctlVal=off，停止給VT12發(fā)觸發(fā)脈沖，電力電子開關(guān)VT12三相在電流過零點自動斷開，位置斷開狀態(tài)信息（14）GOOSE報文XSWI12.Pos.stVal=off傳輸給GAPC。GAPC發(fā)控制信息（16）MMS報文而CSWI22發(fā)出控制信息給XSWI22需進行互鎖檢查CSWI22.Pos.Check.interlockcheck=TRUE，即當(dāng)機械開關(guān)QF6位置狀態(tài)信息（17）GOOSE報文XCBR6.Pos.stVal=on時，聯(lián)鎖信息（18）GOOSE報文CILO.EnaCls.stVal=TRUE，當(dāng)機械開關(guān)QF6位置狀態(tài)信息（17）GOOSE報文XCBR6.Pos.stVal=off時，聯(lián)鎖信息（18）GOOSE報文 CILO.EnaCls.stVal=FALSE，同時CALH發(fā)出報警信號信息（20）MMS報文用于提醒工作人員?；ユi檢查CILO.EnaCls.stVal=TRUE時，CSWI22.Op-Cls.general=TURE，CSWI22發(fā)控制信息（21）GOOSE報文XSWI22.Pos.ctlVal=on，給三相電力電子開關(guān)VT22發(fā)觸發(fā)脈沖，停止給VT22發(fā)觸發(fā)脈沖條件是XCBR21位置狀態(tài)為閉合，即XCBR21位置狀態(tài)信息（28）GOOSE報文XCBR21.Pos.stVal=on，XSWI22位置閉合狀態(tài)信息（22）GOOSE報文 XSWI22.Pos.stVal=on傳輸給 GAPC。GAPC發(fā)控制信息（24）MMS報文發(fā)報警信號信息（27）MMS報文用于提醒工作人員。電力電子開關(guān)長時間導(dǎo)通發(fā)熱嚴(yán)重，正常運行工作狀態(tài)時切換為機械開關(guān)導(dǎo)通而電力電子開關(guān)斷開。機械開關(guān)QF21位置閉合狀態(tài)信息（28）GOOSE報文XCBR21.Pos.stVal=on傳輸給GAPC，同時CALH撤銷報警信號信息（30）MMS報文GAPC發(fā)控制信息（32）MMS報文斷開電力電子開關(guān)VT22，XSWI22位置斷開狀態(tài)信息（34）GOOSE報文XSWI22.Pos.stVal=off傳輸給GAPC切換結(jié)束。

雙電源正常切換是人機接口IHMI發(fā)出的控制操作命令信息（1'）啟動GAPC順序過程控制，其余信息流過程與工作電源電壓跌落切換為備用電源相同。

2 實例分析

用Matlab中的Simulink工具包仿真協(xié)調(diào)控制器進行工作電源電壓跌落快速柔性切換為備用電源操作，確保低壓一類負荷正常連續(xù)供電。電壓跌落發(fā)生具有不確定性，且持續(xù)時間較短，因此快速、準(zhǔn)確的檢測出電壓跌落要求檢測算法具有較高實時性。一般來講電壓跌落的定義是：供電電壓有效值快速下降到額定值的90% ～10%，持續(xù)時間為10 ms～1 min［12］。目前電力系統(tǒng)電壓跌落的檢測方法主要包括有效值法、峰值電壓法等時域檢測方法和基于變換域dq變換、αβ變換方法等［13］。有效值法和峰值法因為需要半周期數(shù)據(jù)，實時性最差，αβ變換法有1/4周期延時，實時性較差，但有效值法、峰值法和αβ變換法抗干擾性能好，效果最穩(wěn)定，而改進αβ變換法和改進能量算子法的實時性最好但抗噪性能差，本文電壓跌落檢測算法選用αβ變換法［14-15］。

從圖中知t=0.083 28 s時，αβ變換法檢測出工作電源電壓U=198 V，檢測出工作電源發(fā)生電壓跌落所需時間t=3.28 ms。機械開關(guān)斷開所用時間t=6 ms，機械開關(guān)合閘所用時間t=16 ms，機械開關(guān)在t=0.105 28 s合閘于備用電源，用機械開關(guān)進行工作電源電壓跌落切換為備用電源負荷側(cè)A相電流、電壓波形如圖4所示。

圖3 αβ變換法檢測工作電源電壓跌落Fig.3 Alpha beta test the voltage drop of power supply

圖4 機械開關(guān)進行工作電源電壓跌落切換為備用電源負荷側(cè)A相電流、電壓波形Fig.4 Load side A phase current，voltage waveform of power supply voltage drop switch to emergency power supply with mechanical switch

從圖知機械開關(guān)斷開時，因iA≠0 A，uA產(chǎn)生約8倍過電壓，同理B相和C相也不同程度產(chǎn)生過電壓，嚴(yán)重損壞電氣設(shè)備絕緣、縮短電氣壽命，影響設(shè)備正常運行。為了防止機械開關(guān)斷開時產(chǎn)生過電壓，采用復(fù)合開關(guān)（機械開關(guān)與電力電子開關(guān)并聯(lián)）中電力電子開關(guān)在電流過零點時自動斷開，t=0.089 28 s停止給三相電力電子開關(guān)VT12發(fā)觸發(fā)脈沖，當(dāng)i=0 A時自動斷開后立刻觸發(fā)三相電力電子開關(guān)VT22，由備用電源經(jīng)VT22給負荷供電，用復(fù)合開關(guān)進行工作電源電壓跌落切換為備用電源負荷側(cè)電流、電壓波形如圖5所示。

從圖知t=0.097 08 s時，VT12斷開沒有產(chǎn)生過電壓，斷開總耗時t=0.097 08-0.089 28=7.8 ms＜10 ms。t=0.097 08 s VT22瞬間合閘，沒有產(chǎn)生沖擊電流、過電壓。之后，將機械開關(guān)閉合，正常運行工作狀態(tài)由機械開關(guān)導(dǎo)通，斷開VT22，避免電力電子開關(guān)長時間導(dǎo)通，發(fā)熱嚴(yán)重損壞設(shè)備。工作電源電壓跌落負荷電壓處于不正常狀態(tài)時間是t1=0.097 08-0.08=17.08 ms。工作電源正常切換為備用電源負荷電壓處于缺相狀態(tài)時間是t2=0.097 08-0.092 09=4.99 ms。

3 結(jié)束語

提出了一種連續(xù)供電系統(tǒng)雙電源快速柔性切換方法，該方法利用電力電子開關(guān)在機械開關(guān)斷開和閉合過程中分流、鉗壓作用，實現(xiàn)機械開關(guān)迅速斷開和閉合完成雙電源快速柔性切換，保證用戶設(shè)備的正常運行。電力電子開關(guān)用于完成合閘和分閘動作工作狀態(tài)，機械開關(guān)用于完成正常運行工作狀態(tài)。協(xié)調(diào)控制器利用IEC 61850信息模型協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)雙電源快速柔性切換，適應(yīng)電網(wǎng)未來發(fā)展。實例分析結(jié)果表明，利用復(fù)合開關(guān)進行雙電源快速切換，切換過程中不產(chǎn)生沖擊電流、過電壓，保證設(shè)備正常運行。所述方法對實際雙電源快速切換具有一定指導(dǎo)意義。