CN101246785A - 断路器同步控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力供电中的断路器控制器技术领域，采用现代电力电子技术实现中高压断路器的同步控制的断路器同步控制器及其控制方法，包括电压电流传感器、DSP控制器、功率电力电子模块及其驱动模块，过零比较电路，DSP控制电路包括并联的波形整形电路和电平变换电路，DSP芯片，用于存储断路器特征参数的EEPROM，DSP控制器检查断路器两端电压或流过断路器电流的过零时刻，根据断路器动作特性计算出延迟时间，然后发出控制指令，功率电子驱动模块接受DSP发出的弱信号控制指令，经过一定的整形、放大驱动功率电子接通断路器的二次控制回路，从而实现断路器同步控制，提高了电力系统供电质量和可靠性，结构简单、价格低。

Description

断路器同步控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力供电中的断路器控制器技术领域，特别是采用现代电力电子技术实现中高压断路器的同步控制的断路器同步控制器及其控制方法。

背景技术

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，社会对电力的需求越来越大。而电力法的公布和执行，更要求电力供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。在供电和配电系统中，断路器是十分重要的电气设备，它主要有两个用途：一是控制作用，即根据电网运行的需要投入或切出一部分设备或线路；二是保护作用，即在电力元件或线路发生故障时，能自动迅速有选择地将故障元件和线路从运行的系统中切除分离出来，避免故障元件继续遭受损害，并保证无故障部分能迅速恢复正常。目前，几乎所有的断路器都采用手动或自动方式进行合闸和分闸操作，在开断和关合电力设备的瞬时，所处系统电压的初相角通常都是随机的和不确定的，因此会产生不同程度的暂态过程。例如，在关合空载变压器、电容器组和空载线路时，常常产生幅值很高的涌流和过电压。幅值很大的涌流将导致断路器触电受损、变压器绕组产生机械应力及继电器误动作；过电压可能导致设备局部放电，绝缘被破坏；这些不仅对系统中的设备不利，还影响电力系统的稳定运行。为了减小暂态过程，一是可以采用固态断路器，即利用高速无触点的电力电子器件如晶闸管，GTO和IGCT作为无弧电子开关，也称固态开关，来替代传统的机械式开关，但它控制复杂，价格昂贵，同时由于开关器件自身在开关过程和导通状态下均存在损耗，特别是作为断路器使用时，其导通过程中的功率损耗等于线路的工作电流和器件通态的管压降的乘积，是一个相当大的数值。上述功率损耗不仅造成能量的浪费，还会转化为热能导致器件温度的上升，影响到器件的正常工作和可靠性，因此必须采用适当的手段进行冷却，这又造成系统复杂性的增加和可靠性的降低。另一种常用的方法是断路器动、静触头在控制系统的控制下，在电网电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合，即对断路器进行同步控制。所谓断路器同步控制技术是指断路器的动、静触头在系统电压波形的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统的一种智能控制技术。同步控制技术实现开关主触头在零电压时关合和零电流时分断以大幅度提高开关的通断特性。相比固态断路器它结构及控制简单、可靠性高、价格低。利用同步关合技术可以降低合闸操作暂态过程中的过电流和过电压，从而提高电力设备的寿命和系统运行的稳定性。采用同步关合技术可以达到以下效果：

(1)减小合闸操作的涌流和过电压。

幅值很大的涌流将导致断路器触点受损，变压器绕组产生机械应力，保护继电器误动作。过电压可能导致设备局部放电。采用同步合闸可以减小涌流的幅值和电压的扰动，从限制瞬态电压的效果和经济性等方面考虑，都比通常所用的预置合闸电阻和避雷器要好得多。

(2)提高电能质量和系统的稳定性。

在日益竞争激烈的能源市场中，电能质量正在成为一个重要的性能指标。在以前认为可以接受的一些微小变化的暂态过程会由于电力电子的应用的增长而有所上升，造成不希望出现的故障状态而导致生产过程停滞和巨大的产量损失。开关操作的暂态过程对配电系统会产生各种干扰，它们包括恶劣的电能质量导致的保护不按时动作和不可接受的过电压导致的严重危害和早期故障。开关本地产生的暂态过电压可能会传播到远处，有时会影响其他用户并发展到不同的电压等级。同步关合技术可以减小在对负载进行合闸操作时电网设备所承受的过电流和过电压的作用，有效的改善了电能质量并提高了系统的稳定性。

(3)延长了电器的使用寿命和检修周期，降低了成本。

同步关合技术的应用使断路器和电力系统中的其它电器在合闸操作中承受的过电流和过电压大大减小，从而延长了使用寿命和检修周期。同时，同步关合技术的实现可以取代传统的合闸电阻，合闸电感和串联电抗器等辅助设备，所增加的是一套成本较低的控制系统，从而降低了成本。

按结构，断路器分操动机构和开关本体两部分，目前，中高压断路器主要采用真空断路器，广泛使用电磁操动机构和弹簧操动机构。弹簧操动机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。它将电机的机械功在短时间内储存在合闸弹簧中，然后将合闸弹簧中的能量释放进行合闸，同时，分闸弹簧储能。弹簧操动机构的工作特性受外界影响较小，要求的电源容量小，交、直流电源都可用。弹簧操动机构在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点，既能够获得较高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作。但缺点是：完全依靠机械传动，零部件多，动作时间分散性大。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传统断路器操动机构的全部功能，其最大特点在于它无须传统的脱扣和锁扣装置即可实现机构终端位置的保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也很少，这大大减小了动作时间的分散性和不可控性。实验证明当动作延迟时间小于±1ms时，断路器同步控制具有良好的效果，目前大多数断路器采用的是弹簧操作机构，根据图2的测试结构表明，在一定条件下，弹簧操作机构动作时间分散性小于0.5ms，因此可用于同步控制，如果永磁机构大范围采用，将有更好的效果和性能。

就同步控制方面，国际上1975年开始研究同步控制断路器，这项技术较合闸电阻、串联电抗器或避雷器更好，近年来随着电子技术的发展，国际上对这一技术的现实性更给以高度的重视。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用现代电力电子控制技术实现对常规中高压断路器的同步合闸或分闸操作，可大大减小负荷在投切过程中产生的暂态过程，提高电力系统供电质量和可靠性，并具有结构简单、价格低的断路器同步控制器。

本发明的另一个目的是提供一种断路器同步控制器的控制方法。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

按照本发明的断路器同步控制器，包括电压电流传感器、DSP控制器、功率电力电子模块及其驱动模块，其特征在于由与断路器相连接的电流互感器和电压互感器，与此电流互感器和电压互感器相连接的过零比较电路，与此过零比较电路相连接的DSP控制电路，与此DSP控制电路相连接的功率电力电子模块所组成，断路器与此功率电力电子模块相连接。

所述的DSP控制电路包括并联的波形整形电路和电平变换电路，与此并联的波形整形电路和电平变换电路相连接的DSP芯片，与此DSP芯片相连接的及用于存储断路器特征参数的EEPROM所组成，此并联的波形整形电路和电平变换电路分别与所述的过零比较电路相连接，DSP芯片与所述的功率电力电子模块相连接。

所述的过零比较电路主要采用两个高精度比较器，其中同相输入端接采集的电压电流信号，反相输入端通过电阻接地。

所述的DSP芯片采用TI公司最新的TMS320LF2812芯片。

在常规断路器的二次电气控制部分储能电机、合闸线圈、分闸线圈中串联功率电力电子器件代替常规的手动分合闸，控制电源为直流时采用IGBT，控制电源为交流时采用反并联晶闸管，IGBT两端并联缓冲吸收电路。

一种采用所述的断路器同步控制器的控制方法，其特征在于包括下述控制过程：

1)电流互感器与被控断路器串联检测流过电流，电压互感器与被控断路器并联测量两端电压，

2)检测到的流过电流和测量到的两端电压输入到过零比较电路，

3)当过零比较电路采集的电压电流信号过零时输出电平发生跳变，从而检测出电压电流过零时刻，根据存储在EEPROM中的数据预测本次动作时间，检测是否有合闸指令，

4)过零比较电路得到的方波信号，输入到DSP控制电路中，经过电平匹配、整形后输入到DSP的捕获引脚，当捕获引脚发生跳变时发生中断，中断服务程序延迟一定时间后输出触发信号到功率电力电子模块，

5)DSP控制器输出的是弱电信号，不能直接驱动电力电子器件IGBT或反并联晶闸管，经过驱动电路放大整形后驱动IGBT反并联晶闸管，IGBT与合闸线圈和分闸线圈串联，当IGBT触发导通时，可实现合闸操作和分闸操作，

6)每次动作后，根据DSP发出控制指令时刻和电流初始时刻之差来记录本次动作延迟时间，并存储在EEPROM中，在下次动作前先分析前面若干次动作时间，采用自适应控制算法来预测下次动作时间。

进行合闸操作时，对单相容性负荷，选择电压过零时合闸，对单相感性负荷，选择电压峰值处合闸，对三相星形不接地和三角形接线方式，在A、B相电压相同时接入其中两相，延迟5ms后接入第三相，对三相星形接地接线方式，在A相满足单相投入的情况下合闸，C相延迟3.3ms后合闸，B相延迟6.7ms合闸。

进行分闸操作时，在电流过零前5-7ms DSP发出分闸指令。

DSP控制器记录指令发出时刻和初始电流时刻，并计算两者时间差，据此判断断路器动作延迟时间。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：整个同步控制器包括电压电流传感器、DSP控制器、功率电子器件及其驱动模块。采用现代DSP控制技术，将功率电力电子技术引用到断路器同步控制中，首先DSP控制器检查断路器两端电压或流过断路器电流的过零时刻，根据断路器动作特性计算出延迟时间，然后发出控制指令，功率电子驱动模块接受DSP发出的弱信号控制指令，经过一定的整形、放大驱动功率电子接通断路器的二次控制回路，从而实现断路器同步控制。

本发明的有益效果是，采用现代电力电子控制技术实现对常规中高压断路器的同步合闸或分闸操作，可大大减小负荷在投切过程中产生的暂态过程，提高电力系统供电质量和可靠性，并具有结构简单、价格低的特点。

附图说明

图1是断路器同步控制器原理结构框图。

图2是DSP控制器硬件结构图。

图3断路器同步操作流程图。

图4采用本发明进行同步合闸所得曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，按照本发明的断路器同步控制器，包括电压、电流传感器、DSP控制器4、功率电力电子模块5及其驱动模块，其特征在于由与断路器6相连接的电流互感器1和电压互感器2，与此电流互感器1和电压互感器2相连接的过零比较电路3，与此过零比较电路3相连接的DSP控制器4，与此DSP控制器4相连接的功率电力电子模块5及其驱动模块所组成，断路器6与此功率电力电子模块5相连接。

如图2所示，所述的DSP控制器4包括并联的波形整形电路9和电平变换电路10，与此并联的波形整形电路9和电平变换电路10相连接的DSP芯片11，与此DSP芯片11相连接的用于存储断路器特征参数的EEPROM12所组成，此并联的波形整形电路9和电平变换电路10分别与所述的过零比较电路3的相连接，DSP芯片11与所述的功率电力电子模块5相连接。

所述的过零比较电路主要采用两个高精度比较器，其中同相输入端接采集的电压电流信号，反相输入端通过电阻接地。

所述的DSP芯片采用TI公司最新的TMS320LF2812芯片。

在常规断路器的二次电气控制部分储能电机、合闸线圈、分闸线圈中串联功率电力电子器件代替常规的手动分合闸，控制电源为直流时采用IGBT，控制电源为交流时采用反并联晶闸管，IGBT两端并联缓冲吸收电路。

如图3所示，本发明的断路器同步控制器的控制方法，其特征在于包括下述控制过程：

1)电流互感器与被控断路器串联检测流过电流，电压互感器与被控断路器并联测量两端电压，

2)检测到的流过电流和测量到的两端电压输入到过零比较电路，

3)当过零比较电路采集的电压电流信号过零时输出电平发生跳变，从而检测出电压电流过零时刻，根据存储在EEPROM中的数据预测本次动作时间，检测是否有合闸指令，

4)过零比较电路得到的方波信号，输入到DSP控制电路中，经过电平匹配、整形后输入到DSP的捕获引脚，当捕获引脚发生跳变时发生中断，中断服务程序延迟一定时间后输出触发信号到功率电力电子模块，

5)DSP控制器输出的是弱电信号，不能直接驱动电力电子器件IGBT或反并联晶闸管，经过驱动电路放大整形后驱动IGBT反并联晶闸管，IGBT与合闸线圈和分闸线圈串联，当IGBT触发导通时，可实现合闸操作和分闸操作，

6)每次动作后，根据DSP发出控制指令时刻和电流初始时刻之差来记录本次动作延迟时间，并存储在EEPROM中，在下次动作前先分析前面若干次动作时间，采用自适应控制算法来预测下次动作时间。

进行合闸操作时，对单相容性负荷，选择电压过零时合闸，对单相感性负荷，选择电压峰值处合闸，对三相星形不接地和三角形接线方式，在A、B相电压相同时接入其中两相，延迟5ms后接入第三相，对三相星形接地接线方式，在A相满足单相投入的情况下合闸，C相延迟3.3ms后合闸，B相延迟6.7ms合闸。

进行分闸操作时，在电流过零前5-7ms DSP发出分闸指令。

DSP控制器记录指令发出时刻和初始电流时刻，并计算两者时间差，据此判断断路器动作延迟时间。

图4示出了采用本发明进行同步合闸所得曲线。

本发明所采用的技术方案是：整个同步控制器包括电压电流传感器、DSP控制器、功率电子器件及其驱动模块。采用现代DSP控制技术，将功率电力电子技术引用到断路器同步控制中，首先DSP控制器检查断路器两端电压或流过断路器电流的过零时刻，根据断路器动作特性计算出延迟时间，然后发出控制指令，功率电子驱动模块接受DSP发出的弱信号控制指令，经过一定的整形、放大驱动功率电子接通断路器的二次控制回路，从而实现断路器同步控制。

本发明的有益效果是，采用现代电力电子控制技术实现对常规中高压断路器的同步合闸或分闸操作，可大大减小负荷在投切过程中产生的暂态过程，提高电力系统供电质量和可靠性，并具有结构简单、价格低的特点。

Claims (9)

1、一种断路器同步控制器，包括电压传感器、电流传感器、DSP控制器、功率电力电子模块及其驱动模块，其特征在于由与所述的断路器相连接的电流互感器和电压互感器，与此电流互感器和电压互感器相连接的过零比较电路，与此过零比较电路相连接的DSP控制电路，与此DSP控制电路相连接的功率电力电子模块所组成，断路器与此功率电力电子模块相连接。

2、根据权利要求1所述的断路器同步控制器，其特征在于所述的DSP控制电路包括并联的波形整形电路和电平变换电路，与此并联的波形整形电路和电平变换电路相连接的DSP芯片，与此DSP芯片相连接的及用于存储断路器特征参数的EEPROM所组成，此并联的波形整形电路和电平变换电路分别与所述的过零比较电路相连接，DSP芯片与所述的功率电力电子模块相连接。

3、根据权利要求1所述的断路器同步控制器，其特征在于所述的过零比较电路采用两个高精度比较器，其中同相输入端接采集的电压电流信号，反相输入端通过电阻接地。

4、根据权利要求1所述的断路器同步控制器，其特征在于所述的DSP芯片采用TI公司的TMS 320LF2812芯片。

5、根据权利要求1所述的断路器同步控制器，其特征在于在常规断路器的二次电气控制部分储能电机、合闸线圈、分闸线圈中，用串联功率电力电子器件代替常规的手动分合闸，控制电源为直流时采用IGBT，IGBT两端并联缓冲吸收电路，控制电源为交流时采用反并联晶闸管。

6、一种采用权利要求1所述的断路器同步控制器的控制方法，其特征在于包括下述控制过程：

1)电流互感器与被控断路器串联检测流过电流，电压互感器与被控断路器并联测量两端电压，

2)检测到的流过电流和测量到的两端电压输入到过零比较电路进行过零比较，

3)当过零比较电路采集的电压、电流信号过零时，输出电平发生跳变，从而检测出电压电流过零时刻，根据存储在EEPROM中的数据预测本次动作时间，检测是否有合闸指令，

4)过零比较电路得到的方波信号，输入到DSP控制电路中，经过电平匹配、整形后输入到DSP的捕获引脚，当捕获引脚发生跳变时发生中断，中断服务程序延迟一定时间后输出触发信号到功率电力电子模块，

5)DSP控制器输出的是弱电信号，经过驱动电路放大整形后驱动IGBT反并联晶闸管，IGBT与合闸线圈和分闸线圈串联，当IGBT触发导通时，可实现合闸操作和分闸操作，

6)每次动作后，根据DSP发出控制指令时刻和电流初始时刻之差来记录本次动作延迟时间，并存储在EEPROM中，在下次动作前先分析前面若干次动作时间，采用自适应控制算法来预测下次动作时间。

7、根据权利要求6所述的断路器同步控制器的控制方法，其特征在于进行合闸操作时，对单相容性负荷，选择电压过零时合闸，对单相感性负荷，选择电压峰值处合闸，对三相星形不接地和三角形接线方式，在A、B相电压相同时接入其中两相，延迟5ms后接入第三相，对三相星形接地接线方式，在A相满足单相投入的情况下合闸，C相延迟3.3ms后合闸，B相延迟6.7ms合闸。

8、根据权利要求6所述的断路器同步控制器的控制方法，其特征在于进行分闸操作时，在电流过零前5-7ms DSP发出分闸指令。

9、根据权利要求6所述的断路器同步控制器的控制方法，其特征在于DSP控制器记录指令发出时刻和初始电流时刻，并计算两者时间差，据此判断断路器动作延迟时间。

Images