CN100543488C - 合成试验同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属高压电器技术领域，尤其涉及一种用于高压断路器合成试验的合成试验同步控制系统，含有：主控站、电流测量部分、现场同步控制单元及现场时序控制单元；所述主控站实现与现场同步控制单元及现场时序控制单元的信息交换；所述现场同步控制单元经电流测量部分实时采集短路电流，预测试验电流的过零点，进而发出同步控制信号；所述现场时序控制单元接收来自主控机的设定参数，并依此发出时序控制信号；所述电流测量部分包括：电流传感器、信号调理电路、A/D转换器；试验电流经电流传感器及信号调理电路转换成电压信号，再经A/D转换后，送入同步控制单元进行数字信号处理；所述同步控制信号为电压源同步控制信号及延弧回路同步控制信号。

Description

合成试验同步控制系统

技术领域

本发明属高压电器技术领域，尤其涉及一种用于高压断路器合成试验的合成试验同步控制系统。

背景技术

随着我国电力事业的发展，高压断路器在数量、质量和容量上都得到了迅速发展，对高压断路器的试验要求也越来越高。由于高压断路器的接通和开断过程甚为复杂，现阶段还不能完全依靠理论分析和定量计算设计出符合开断性能和要求的断路器，只能通过型式试验来考核其在大电流和高电压条件下的通断能力。

为减少设备投资和满足高电压大容量高压断路器发展的需要，间接试验方法——合成试验法被广为采用，现已成为考核高压断路器开断能力的一种重要方法，也是考核特大容量高压断路器开断能力的唯一可行方法。目前，我国35kV及以上的高压断路器均采用合成试验法考核其开断能力。合成试验的等价性已经得到IEC标准的认可。

合成试验回路采用二个独立的电源即低电压大电流的电流源和高电压小电流的电压源来代替直接试验时的一个高电压大电流源。由于高压断路器开断过程具有大电流和高电压不同时出现的特点，故可先后向被试断路器施加大电流和高电压，以使高压断路器在开断过程中能得到与直接试验基本一致的燃弧时间和短路电流及熄弧后的暂态恢复电压。

合成试验虽然需要二套独立的电源，但每套电源的容量都较小，总的设备投资比直接试验小得多，既经济又灵活，能在较宽的范围内调节暂态恢复电压的波形。缺点是对电流源和电压源的参数及动作时间配合要求较高，如有失误，试验的等价性难以得到保证。但目前电压回路和延弧回路的同步控制主要采用模拟电压比较和电流移相等方法获得，非对称短路电流的过零点预测问题尚未得到成功地解决，仍需要依靠有经验的技术人员调整同步控制装置的整定时间，工作效率低，且限制了合成试验成功率的进一步提高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种具有自适应短路电流零点预测和电压回路延弧回路同步控制功能的分布式合成试验同步控制系统。

本发明的目的是这样实现的：合成试验同步控制系统，它含有：主控站、电流测量部分、现场同步控制单元及现场时序控制单元；所述主控站实现与现场同步控制单元及现场时序控制单元的信息交换；所述现场同步控制单元经电流测量部分实时采集短路电流，预测试验电流的过零点，进而发出同步控制信号；所述现场时序控制单元接收来自主控机的设定参数，并依此发出时序控制信号。

作为一种优选方案，本发明所述电流测量部分可包括：电流传感器、信号调理电路、A/D转换器；试验电流经电流传感器及信号调理电路转换成电压信号，再经A/D转换后，送入同步控制单元进行数字信号处理。

作为另一种优选方案，本发明所述同步控制信号为电压源同步控制信号及延弧回路同步控制信号。

作为第三种优选方案，本发明所述同步控制单元包括：A/D转换器中断功能控制部分、短路电流预测曲线生成部分；当主控站发出开始试验命令后，开启A/D转换器中断功能控制部分，以便定时采集短路电流；待样本数达到设定值后，生成预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零点前发出同步控制脉冲；当主控站发出停止试验命令后，关闭A/D转换器中断功能控制部分，同步控制单元返回待命状态。

作为第四种优选方案，本发明所述短路电流由算术平均滤波算法进行了预处理，取多次A/D转换的算术平均值参与运算。

作为第五种优选方案，本发明可由DSP开始在两个采样时间间隔内计算短路电流的预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零点前发出同步控制脉冲。

作为第六种优选方案，本发明所述现场时序控制单元包括：主控机命令部分、接收部分、外部中断控制部分；若主控机命令部分为“写”命令，则通过并行从动端口接收来自主控机的设定参数，并打开外部中断控制部分；若主控机命令部分为“读””命令，则向主控机上传数据；当打开外部中断控制部分后，若主控机发出同步启动信号，则时序控制通道立即响应外部中断，按照预先设定的电平状态及时间常数发出高低电平信号，从而对外部设备进行动作控制。

作为第七种优选方案，本发明所述外部中断控制部分包括：寄存器读取部分、定时器模块部分、信号捕捉模块部分；寄存器读取部分读取高低电平变化次数N；若N＝0，系该通道未被启用，返回调用处；若N>0，则读出自然数第i段电平状态及持续时间，即而启动定时器模块部分，同时输出相应的电平状态；发出电平信号后，信号捕捉模块部分捕捉返回信号，并将发送信号与返回信号之差存入文件寄存器，以判断该段时序控制信号是否准确无误地发出。

作为第八种优选方案，本发明所述现场时序控制单元可具有32个独立通道，采用分布式模式对32个独立通道进行管理及控制。

本发明具备以下基本功能：

1)测量功能 对合成电流(即被试断路器中的短路电流)、引入电流和暂态恢复电压进行测量；

2)零点预测功能 根据暂态短路电流的变化特性，采用数字化测量技术和数字信号处理算法提前预测出其过零点，零前整定时间0～3000μs，由操作者设定；

3)对点火球隙进行同步控制，在短路电流过零点之前某一时刻，根据短路电流的变化特性自适应调整电压回路和延弧回路的投入时刻，使点火球隙恰好在预定的时刻击穿；

4)时序控制功能 对多个独立通道进行时序控制，电平状态及作用时间符合用户要求。除满足上述基本功能外，系统应有足够高的抗干扰能力以保证其能在高电压、强电流的工况下可靠运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。本发明的保护范围将不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明现场同步控制单元结构框图；

图3为本发明时序控制单元现场同步控制单元软件流程图；

图4为本发明时序控制单元网络拓扑结构框图；

图5为本发明时序控制通道主程序流程图；

图6为本发明时序控制通道中断服务程序流程图；

图7为本发明同步控制单元电路图；

图8为本发明时序控制通道电路图。

具体实施方式

如图1～6所示，合成试验同步控制系统，含有主控站、电流测量部分、现场同步控制单元及现场时序控制单元；所述主控站实现与现场同步控制单元及现场时序控制单元的信息交换；所述现场同步控制单元经电流测量部分实时采集短路电流，预测试验电流的过零点，进而发出同步控制信号；所述现场时序控制单元接收来自主控机的设定参数，并依此发出时序控制信号。所述电流测量部分包括：电流传感器、信号调理电路、A/D转换器；试验电流经电流传感器及信号调理电路转换成电压信号，再经A/D转换后，送入同步控制单元进行数字信号处理。所述同步控制信号为电压源同步控制信号及延弧回路同步控制信号。所述同步控制单元包括：A/D转换器中断功能控制部分、短路电流预测曲线生成部分；当主控站发出开始试验命令后，开启A/D转换器中断功能控制部分，以便定时采集短路电流；待样本数达到设定值后，生成预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零前发出同步控制脉冲；当主控站发出停止试验命令后，关闭A/D转换器中断功能控制部分，同步控制单元返回待命状态。所述短路电流由算术平均滤波算法进行了预处理，取多次A/D转换的算术平均值参与运算。本发明可由DSP开始在两个采样时间间隔内计算短路电流的预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零前发出同步控制脉冲；本发明所述现场时序控制单元包括：主控机命令部分、接收部分、外部中断控制部分；若主控机命令部分为“写”命令，则通过并行从动端口接收来自主控机的设定参数，并打开外部中断控制部分；若主控机命令部分为“读”命令，则向主控机上传数据；当打开外部中断控制部分后，若主控机发出同步启动信号，则时序控制通道立即响应外部中断，按照预先设定的电平状态及时间常数发出高低电平信号，从而对外部设备进行动作控制。所述外部中断控制部分包括：寄存器读取部分、定时器模块部分、信号捕捉模块部分；寄存器读取部分读取高低电平变化次数N；若N＝0，系该通道未被启用，返回调用处；若N>0，则读出自然数第i段电平状态及持续时间，即而启动定时器模块部分，同时输出相应的电平状态；发出电平信号后，信号捕捉模块部分捕捉返回信号，并将发送信号与返回信号之差存入文件寄存器，以判断该段时序信号是否准确无误地发出。所述现场时序控制单元具有32个独立通道，采用分布式模式对32个独立通道进行管理及控制。

本发明系统硬件总体框图如图1所示，由主控站、现场同步控制单元和现场时序控制单元等组成。主控站以工业控制计算机为核心，拓展了输入输出接口，以便与现场同步控制单元和现场时序控制单元交换信息。同步控制单元的核心为TMS320LC5416A，每个时序控制通道均以一片PIC16F877单片机为核心。

图2所示为现场同步控制单元及电流测量部分硬件框图，它包括电流传感器、信号调理电路、A/D转换器和同步控制单元等。试验电流经过电流传感器和信号调理电路转换成与之成比例的电压信号，再送入A/D转换器使之转换成数字量。同步控制单元对暂态短路电流进行数字信号处理，预测其过零点，进而根据用户整定参数发出高压同步控制信号和延弧同步控制信号，从而在规定的时刻将电压回路或延弧回路投入。同步控制单元通过RS232接口与工控机交换数据。

同步控制单元的功能是实时采集短路电流，并采用数字信号处理算法预测出试验电流的过零点，进而发出同步控制信号。图3所示为同步控制单元主程序流程图。

系统上电后，首先进行初始化，然而进入监控状态。当接收到来自主控站的开始试验命令(Start＝1)后，同步控制单元打开A/D转换器中断功能，以便自动定时采集短路电流，采样时间间隔为20μs。

当采集到的样本数达到一定值后，DSP开始在两个采样时间间隔内按照相空间近邻等距离法计算短路电流的预测曲线，随后求出偏差函数，并根据偏差函数修正预测曲线，进而提前预测出短路电流的过零点，以便在零前指定时刻发出同步控制脉冲。当接收到来自用户的停止试验命令(Start＝0)后，关闭A/D转换中断功能，同步控制单元返回待命状态。为在一定程度上消除随机测量误差，采用算术平均滤波算法对实测短路电流进行了预处理，取若干次A/D转换的算术平均值参与运算。

时序控制单元有32个独立通道。为保证控制的灵活性和定时的精确性，采用分布式模式对32个独立通道进行管理和控制，图4所示为分布式控制单元的网络拓扑结构图。操作者在工控机上通过用户图形界面分别对32路时序控制通道中的任意一路进行参数设定，包括是否启用该通道；如果启用，则设定操作顺序和时间间隔。当操作者按下用户图形界面上的“试验”按钮后，工控机通过输出口向32路时序控制通道统一发出同步启动信号，随即被启用的通道按照预先设定好的操作顺序和时间间隔输出高、低电平，控制相应的设备动作。试验结束后，工控机从被启用的时序控制通道接收时序控制信号与返回信号，据此判定该通道是否正常工作。

时序控制通道以嵌入式微处理器为核心，具有以下功能：

(1)接收来自工控机的设定参数。根据工控机的片选地址，对应的时序控制通道同步并行接收来工控机发送的数据，每次接收8bit。

(2)发出时序控制信号。当设定好参数后，时序控制单元处于等待状态，此后，一旦接收到来自工控机的同步启动信号，各个通道即按预先设置好的电平变化次数和电平状态及持续时间输出时序脉冲信号。

(3)监测时序控制信号是否准确无误地发出。根据发送信号与返回信号的时延，判定时序控制通道是否正常，如异常，给出报警指示。

每个时序控制通道均以一片单片机为核心，通过并行同步模块与工控机传递数据。当工控制发出写命令后，被地址线选中的时序控制通道通过并行数据口接收设定参数，并将设定参数存储在文件寄存器中，接收设定参数后，时序控制通道的外部时间触发中断被打开。随后，只要工控机发出同步控制信号，外部中断事件立即被触发。中断控制程序按照用户设定的参数发出符合要求的时序控制信号，信号宽度由TMR2模块加以定时。输入捕捉模块CCP测量返回信号的到达时刻，并加以记录，CCP模块工作于捕捉器模式时，由TMR1模块提供时钟源。在发出时序控制信号后，单片机关闭外部中断，并计算出发送信号与返回信号的时延，以判断时序控制通道是否工作正常，如异常则给出报警指示。当接收到来自工控机的读命令后，被地址线选中的时序控制通道将发送信号与返回信号的时延通过并行同步端口上传给工控机。

图5所示为时序控制通道主程序流程图。时序控制通道工作后，首先对I/O口、定时器和外部中断及CCP模块进行初始化，随后进入监控状态。如果接收到来自工控机的写(Write＝1)命令，则通过并行从动端口接收来自工控机的设定参数，并打开外部中断。如果接收到来自工控机的读(Read＝1)命令，则向工控机上传数据。当打开外部中断后，如果工控机发出同步启动信号，则时序控制通道立即响应外部中断，按照预先设定的电平状态和时间常数发出高低电平信号，从而控制外部设备动作。

图6所示为时序控制通道中断服务程序流程图。执行中断服务程序后，首先从文件寄存器中读出高低电平变化次数N。如N＝0，表示该通道未被启用，因而退出中断服务程序，返回调用处；如N>0，则读出第i(i＝1，2，…，k)段电平状态和持续时间，接着启动TMR2定时器模块，同时输出相应的电平状态。由于TMR2仅8bit宽，故需与用户自定义的文件寄存器配合使用才能满足最长10s的定时。发出电平信号后，CCP模块捕捉返回信号，并将发送信号与返回信号之差存入文件寄存器，以判断该段时序信号是否准确无误地发出。重复上述过程，直至按要求输出所有的高低时序信号为止。

图7所示为本发明同步控制单元电路图。同步控制单元由A/D转换器、DSP和输出电路等组成。为满足数字信号处理算法对数据采集精度和采样速度等的要求，模数转换器选用TI公司生产的ADS7864。ADS7864的采样速率最高为500kHz，数据有效位数为12bit，模拟信号输入范围为0～+5V。同步控制单元的核心为TMS320LC5416A，TMS320C5416是TI公司推出的一款高性能16bit通用定点DSP芯片，速度最高为160MIPS，指令周期为6.25ns，其CPU带有一个40bit的ALU，一个17bit×17bit的硬件乘法器，两个累加器，一个40bit的筒式移位器和一个指数编码器，并带有128k×16bit片内RAM，3条独立的16bit数据总线，1条程序总线，3个McBsp，6个DMA通道和两个16bit的计时器。当其核心工作电压为1.5V时，功耗仅90mW[93～96]。其硬件配置和运算能力及运算速度足能满足相空间重构短路电流波形分析算法的需要。

同步控制单元的功能是实时采集短路电流，并采用相空间重构算法预测出试验电流的过零点，进而发出同步控制信号。为保证同步控制的实时性，本设计采取中断模式实现A/D转换和现场同步控制单元与主控站之间的数据传输。

图8所示为时序控制通道的电路原理图。每个时序控制通道均以一片PIC16F877单片机为核心，通过并行同步模块与工控机传递数据。D0～D7为并行数据口，AD0～AD4为地址线，RD为读控制线，WR为写控制线。当工控制发出写命令后，被地址线选中的时序控制通道通过并行数据口接收设定参数，并将设定参数存储在文件寄存器中，接收设定参数后，时序控制通道的外部时间触发中断被打开。随后，只要工控机发出同步控制信号，外部中断事件立即被触发。中断控制程序按照用户设定的参数发出符合要求的时序控制信号，信号宽度由TMR2模块加以定时。输入捕捉模块CCP测量返回信号的到达时刻，并加以记录，CCP模块工作于捕捉器模式时，由TMR1模块提供时钟源。在发出时序控制信号后，单片机关闭外部中断，并计算出发送信号与返回信号的时延，以判断时序控制通道是否工作正常，如异常则给出报警指示。当接收到来自工控机的读命令后，被地址线选中的时序控制通道将发送信号与返回信号的时延通过并行同步端口上传给工控机。

Claims (10)

1、合成试验同步控制系统，其特征在于，含有：主控站、电流测量部分、现场同步控制单元及现场时序控制单元；所述主控站实现与现场同步控制单元及现场时序控制单元的信息交换；所述现场同步控制单元经电流测量部分实时采集短路电流，预测试验电流的过零点，进而发出同步控制信号；所述现场时序控制单元接收来自主控机的设定参数，并依此发出时序控制信号。

2、根据权利要求1所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述电流测量部分包括：电流传感器、信号调理电路、A/D转换器；试验电流经电流传感器及信号调理电路转换成电压信号，再经A/D转换后，送入同步控制单元进行数字信号处理。

3、根据权利要求1或2所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述同步控制信号为电压源同步控制信号及延弧回路同步控制信号。

4、根据权利要求1或2所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述同步控制单元包括：A/D转换器中断功能控制部分、短路电流预测曲线生成部分；当主控站发出开始试验命令后，开启A/D转换器中断功能控制部分，以便定时采集短路电流；待样本数达到设定值后，生成预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零点前发出同步控制脉冲；当主控站发出停止试验命令后，关闭A/D转换器中断功能控制部分，同步控制单元返回待命状态。

5、根据权利要求4所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述短路电流由算术平均滤波算法进行了预处理，取多次A/D转换的算术平均值参与运算。

6、根据权利要求4所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：由DSP开始在两个采样时间间隔内计算短路电流的预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零点前发出同步控制脉冲。

7、根据权利要求1或2所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述现场时序控制单元包括：主控机命令部分、接收部分、外部中断控制部分；若主控机命令部分为“写”命令，则通过并行从动端口接收来自主控机的设定参数，并打开外部中断控制部分；若主控机命令部分为“读”命令，则向主控机上传数据；当打开外部中断控制部分后，若主控机发出同步启动信号，则时序控制通道立即响应外部中断，按照预先设定的电平状态及时间常数发出高低电平信号，从而对外部设备进行动作控制。

8、根据权利要求7所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述外部中断控制部分包括：寄存器读取部分、定时器模块部分、信号捕捉模块部分；寄存器读取部分读取高低电平变化次数N；若N＝0，系该通道未被启用，返回调用处；若N>0，则读出自然数第i段电平状态及持续时间，即而启动定时器模块部分，同时输出相应的电平状态；发出电平信号后，信号捕捉模块部分捕捉返回信号，并将发送信号与返回信号之差存入文件寄存器，以判断该段时序控制信号是否准确无误地发出。

9、根据权利要求1或2所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述现场时序控制单元具有32个独立通道，采用分布式模式对32个独立通道进行管理及控制。

10、根据权利要求3所述的合成试验同步控制系统，其特征在于：所述同步控制单元包括：A/D转换器中断功能控制部分、短路电流预测曲线生成部分；当主控站发出开始试验命令后，开启A/D转换器中断功能控制部分，以便定时采集短路电流；待样本数达到设定值后，生成预测曲线，并进行相应的修正，进而预测出短路电流的过零点，以便在零点前发出同步控制脉冲；当主控站发出停止试验命令后，关闭A/D转换器中断功能控制部分，同步控制单元返回待命状态。

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