張柳，馬少華，王磊

(1.沈陽工業(yè)大學,遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工程學院 遼寧 沈陽 110136；3.遼寧龍源新能源發(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)安裝地點不同、級數(shù)差別、動作方式、有無接地刀閘、操動機構(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)更加復雜，是發(fā)電廠、變電站等電力系統(tǒng)中承擔發(fā)電、送電、變電、配電接通、分斷電路以及保護電路等控制和保護電力設備的重要作用，具有比較完備的滅弧裝置，能夠在高壓電器等正常運行情況下接通和斷開電路，在電力設備發(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開關(guān)設備，即高壓斷路器能夠根據(jù)電力系統(tǒng)正常運行要求，將一部分電氣設備或者輸電線路投入或退出運行狀態(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，通過控制斷路器動作，在規(guī)定的時間內(nèi)將故障部分從電力系統(tǒng)中迅速切除，避免事故擴大，保證電力系統(tǒng)的其他無故障電力設備的正常無損運行[3]。

目前智能化高壓隔離開關(guān)斷路器的發(fā)展日新月異，人們通過采用計算機技術(shù)、CAN總線技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)等眾多先進技術(shù)將高壓隔離開關(guān)斷路器嵌入到高壓電器產(chǎn)品中，用于實現(xiàn)高壓配電系統(tǒng)的自動化控制，但在實際應用過程中高壓隔離開關(guān)斷路器儲能電機燒毀事故頻頻發(fā)生，特別是無人值守變電站高壓電氣設備出現(xiàn)故障時，遠程調(diào)度無法及時獲取設備當前狀態(tài)信息并作出正確決策，導致故障處理延誤，擴大了事故范圍[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、可靠運行，需要設計一種有效的高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)[6]。

文獻[5]設計了基于LabVIEW軟件的高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)不僅改變了高壓隔離開關(guān)斷路器機械性能和低壓動作特性，而且增加了彈簧儲能耗時，延長了系統(tǒng)反應時間，不利于及時切斷故障源，很可能導致事故范圍擴大，研究并設計了一種基于ARM的高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)。

2 高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(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和電壓信號，并經(jīng)過模擬信號調(diào)理電路對采集獲得的電流信號和電壓信號進行整定、分壓、濾波等預處理，將處理后的信號輸入系統(tǒng)微控制器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用系統(tǒng)微控制器對處理后的電流信號和電壓信號進行計算和邏輯判斷，如果判斷主干線路發(fā)生故障，則根據(jù)判斷結(jié)果采取相應措施，同時發(fā)出電氣隔離開關(guān)斷路器控制指令信號，由系統(tǒng)驅(qū)動電路執(zhí)行保護動作；同時，將主干線路具體故障類型，發(fā)生故障事件等信息存儲在系統(tǒng)中。

除此之外，高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)還具有模擬脫扣電路，當電力系統(tǒng)線路中發(fā)生特大短路故障時，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)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)同時兼有RS485總線和以太網(wǎng)RJ45兩種通信接口，能夠根據(jù)具體應用情況，選取合適的通信接口實現(xiàn)通信。如圖1所示給出了高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(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)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)硬件

(1)系統(tǒng)微控制器設計

選取ARM系列MB9BF218TH/SH嵌入式微處理器作為高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)控制核心，其時鐘頻率最高能夠達到144MHz；含有24通道12位A/D轉(zhuǎn)換器；擁有八個多功能串行口，且每個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接口以及快速計算和處理任務的能力，能夠滿足高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)對不同等級故障處理的實時性要求。

(2)系統(tǒng)模擬信號調(diào)理電路設計

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

(3)系統(tǒng)時鐘電路和溫度檢測電路設計

為了能夠準確記錄電力系統(tǒng)高壓電器主干線路上發(fā)生故障的具體時間以及環(huán)境溫度情況，采用SD2068A芯片和DS18B20芯片分別設計了實時時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、強抗干擾、低功耗等優(yōu)點。

2.2 斷路器儲能回路缺陷分析與處理

(1)斷路器儲能回路缺陷分析

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

(2)斷路器儲能回路缺陷處理

①調(diào)整控制系統(tǒng)繼電器的整定時間，使得系統(tǒng)儲能電機整定時間之內(nèi)完成繼電器彈簧儲能，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)斷路器彈簧儲能所需時長，調(diào)整控制系統(tǒng)繼電器的整定時間，使整定延時大于系統(tǒng)儲能電機實際儲能時間，并充分考慮裕度空間；

②由于儲能電機長時間在室外環(huán)境中運行，其傳動機構(gòu)可能因為天氣等因素影響發(fā)生卡頓，使得系統(tǒng)斷路器彈簧儲能時間延長，嚴重情況下斷路器彈簧儲能時間可能會遠遠超過系統(tǒng)繼電器整定時間，可以通過對斷路器儲能彈簧的傳動機構(gòu)做潤滑處理以解決儲能不到位的缺陷。

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

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計

(1)系統(tǒng)電力參數(shù)的三點法測量原理

高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)的實時顯示、三段保護、遠程監(jiān)控、交流通訊以及熱記憶等功能都需要依靠軟件實現(xiàn)。軟件結(jié)構(gòu)的可靠性以及結(jié)構(gòu)的復雜程度決定了高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)的最終性能。系統(tǒng)軟件部分設計的根本目的是當設備中或線路中出現(xiàn)電路過載現(xiàn)象時，實現(xiàn)高壓隔離開關(guān)斷路器三相電路電流、電壓等參數(shù)的實時測量計算，及時切斷故障源防止事故范圍的進一步擴大，同時還可以根據(jù)預先設置的斷路器保護閾值決定是否控制脫扣器動作。為了準確、快速判斷設備或線路是否發(fā)生故障，控制系統(tǒng)采用三點法測量和計算電流和電壓的有效值。

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

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)

選取任意時刻作為電流采樣起始時刻，即k=0，則上一時刻和下一時刻可以分別用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)上述計算可得：

Is=i0

(8)

(9)

將式(8)和式(9)的計算結(jié)果帶入公式(4)中，整理可得：

(10)

則可得待測電流信號i(t)的有效值為：

(11)

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

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

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

高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)要完成諸如采樣計算、故障判斷等實時性要求較高的計算處理任務，同時還要完任務顯示、鍵盤掃描，以及交流通訊等實時性要求不高的計算處理任務，為了保證系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)足夠清晰，減小系統(tǒng)服務器計算量，根據(jù)計算處理任務的實時性要求，將計算處理任務劃分為四個等級。例如計算處理顯示等作為實時性要求不高的慢速任務，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算處理任務，系統(tǒng)程序每隔60ms執(zhí)行一次；采樣、測量與計算、故障判斷等任務作為實時計算處理任務，由系統(tǒng)程序中斷完成；另外諸如看門狗定時器、高壓檢測等常規(guī)計算處理任務每次系統(tǒng)程序主循環(huán)都要執(zhí)行一次。

3 系統(tǒng)性能實驗結(jié)果與分析

現(xiàn)場采用美國生產(chǎn)的型號為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[5]系統(tǒng)和研究提出并設計的的基于ARM的高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)分別對高壓隔離開關(guān)斷路器進行機械特性測試，測試結(jié)果顯示設計系統(tǒng)的分合閘時間和分合閘同期時間與文獻[5]系統(tǒng)相比，誤差均在0.3ms以內(nèi)，說明設計系統(tǒng)較好地保留了斷路器機械特性。之后又對兩個系統(tǒng)進行低電壓動作特性測試，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、合閘臨界動作電壓本身具有波動性特點，設計系統(tǒng)對高壓隔離開關(guān)斷路器低電壓動作特性亦沒有影響。

為了進一步檢驗設計系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，對兩種系統(tǒng)的高壓隔離開關(guān)斷路器儲能耗時做了對比測試，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知，相比于文獻[5]系統(tǒng)，采用設計系統(tǒng)能夠有效減小高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲能耗時，這是由于設計系統(tǒng)通過調(diào)整高壓隔離開關(guān)斷路器儲能回路控制系統(tǒng)繼電器的整定時間，使得系統(tǒng)儲能電機在繼電器整定時間之內(nèi)完成繼電器彈簧儲能，并留有一定裕度空間，有效縮短了斷路器儲能耗時，為后續(xù)實現(xiàn)故障快速、準確切斷奠定了良好基礎。

表1 兩種系統(tǒng)的斷路器彈簧儲能耗時對比結(jié)果

在高壓隔離開關(guān)斷路器彈簧儲能完成后，如果系統(tǒng)檢測到設備或線路發(fā)生過載、短路等故障電流后會發(fā)出控制指令信號，由系統(tǒng)驅(qū)動電路執(zhí)行保護動作。為了檢驗設計系統(tǒng)的響應時間，在不同等級電流下進行了故障響應時間對比測試，其中額定工作電流設為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實驗結(jié)果表明，當電力系統(tǒng)運行過程中某相中出現(xiàn)電流過載和短路故障時，文獻[5]系統(tǒng)響應時間最高分別為8ms和9ms，設計系統(tǒng)響應時間最高沒有超過4ms，能夠滿足不同等級計算處理任務的實時性要求，這是由于設計系統(tǒng)為了準確、快速判斷設備或線路是否發(fā)生故障，控制系統(tǒng)采用三點法測量和計算電流和電壓的有效值，有效減小了系統(tǒng)服務器計算量，提供了系統(tǒng)響應速度，另外，設計系統(tǒng)相比與文獻[5]系統(tǒng)的彈簧儲能耗時較少，一旦發(fā)生故障，能夠第一時間切斷故障源，較好地保證了電力系統(tǒng)設備的正常、安全、穩(wěn)定運行。

圖2 電流過載故障/短路故障時不同系統(tǒng)響應時間對比

4 結(jié)束語

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