CN103441514A - 无功补偿电容器组同步投切装置 - Google Patents

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李城荣
罗志坚
黄再先
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Abstract

本发明公开了无功补偿电容器组同步投切装置，包括：至少一套继电器控制装置，设置于三相电网的任意一相上，所述继电器控制装置包括一继电器，一继电器电流检测装置以及一继电器电压检测装置，所述继电器电流检测装置测量流进继电器的电流，将采集到的电流信号输入至微处理器的AD端，继电器电压检测装置测量流进继电器的电压，将采集到的电压信号输入至微处理器的AD端，还包括一微处理器，利用微处理器捕捉电流或电压信号，及通过A\D转换准确测出电流或电压过零点，并驱动继电器断开或闭合。实时测量各种影响开关时间分散性的参量变化，并对开断时间提前进行修整；电力设备绝缘水平可大幅度降低，从而降低了成本。

Description

无功补偿电容器组同步投切装置
技术领域
本发明涉及无功补偿电容器组同步投切装置，可在低压，高压，超高压无功补偿领域广泛使用。
背景技术
鉴于目前无功补偿装置主要是SVC，SVG，而在0.4KV低压电网中广泛应用的是智能电容器，其成本低，深受广大客户青睐。低压智能电容所采用的开关元件主要有两大类：一种是由可控硅和磁保持继电器组成的复合开关，另一种是由接触器或继电器组成的同步开关。
前者在三相电路中，都是同时执行开关的断开或闭合，也就是这个原因，不管开关开关断开还是闭合，总会出现至少两相在电压或电流有一定的幅值的情况，那么电弧由此而生，同时还会产生浪涌电流、电压电磁干扰等，成本较高。而且可控硅过压过流能力差，容易损毁，后者成本低、涌流小、使用寿命长，控制相对复合开关复杂些。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供无功补偿电容器组同步投切装置，本发明采用NuMicro M051TM系列
Figure BDA0000370016030000011
为内核的32位微控制器结合电流闭环控制技术，实时测量各种影响开关时间分散性的参量变化，并对开断时间提前进行修整；
对于控制电容器的同步开关要在继电器两端电压为零的时刻闭合，实现电容器的无涌流投入；在电流为零的时刻分断，实现继电器触点无飞弧分断。继电器闭合称为继电器动作，继电器断开称为继电器复归。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
无功补偿电容器组同步投切装置，包括：
至少一套继电器控制装置，设置于三相电网的任意一相上，
所述继电器控制装置包括一继电器和一继电器电流检测装置，所述继电器电流检测装置测量流进继电器的电流，将采集到的电流信号输入至微处理器，
以及一微处理器，利用微处理器捕捉电流信号，并准确测出电流过零点，并驱动继电器断开。
在本发明的一个优选实施例中，所述继电器控制装置还包括一继电器电压检测装置，继电器电压检测装置测量流进继电器的电压，将采集到的电压信号输入至微处理器，
微处理器捕捉电压信号，并准确测出电压过零点，并驱动继电器闭合。
在本发明的一个优选实施例中，还包括一光电隔离电路，所述光电隔离电路连接微处理器的UART接口，将电源隔离开来。
在本发明的一个优选实施例中，所述继电器电流检测装置包括一电流互感器，一设置电流互感器两端的采样电阻，运算放大器连接电流互感器，所述运算放大器将输入电流信号和偏置信号相叠加，得到电流采样信号。
在本发明的一个优选实施例中，所述继电器电压检测装置包括两只线性光耦，所述两只线性光耦反并联后串联两只120K/2W电阻，所述两只120K/2W电阻并联在继电器开关两端。
在本发明的一个优选实施例中，微处理器发出继电器闭合指令后的瞬间，依次测定在电压过零周期内，电压连续三次过零点时刻以及继电器的动作时间，通过调节继电器的动作时间，保证继电器在切除点电压为零。
在本发明的一个优选实施例中，微处理器发出继电器复归指令后的瞬间，依次测定在电流过零周期内，电流连续三次过零点时刻以及继电器的复归时间，通过调节继电器的复归时间，保证继电器在切除点电流为零。
在本发明的一个优选实施例中，微处理器捕捉电压信号的上升沿，捕捉到电压信号后立即启动连续AD模式，读取1ms的电压值，取其最中的大值并记下此时的定时器的计数值，接着按上述方法再做两次，得到3个脉冲的最大值所对应的定时计数值，利用此三个值计算出当前的电压波形周期及过零时刻。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明基于电流闭环控制可确定磁保持继电器的动作一至性，电弧不易而生，也减少了浪涌电流和电压电磁干扰等；
可以避免电力系统的操作过压，由操作过电压因素所决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低，从而降低了成本；
由于操作引起的设备（包括断路器）的损坏也可大大降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的继电器电流检测电路图。
图2为本发明的继电器电压检测电路图。
图3为本发明的继电器并联光耦输出信号图。
图4为本发明的同步开关动作原理图：
图5为本发明的同步天关复归原理图：
图6为本发明的一个实施例的接法示意图。
图7为本发明的图6中投入继电器端电压波形图。
图8为本发明的继电器在过零后动作的电流波形图。
图9为本发明的继电器在过零点前动作电流波形图。
图10为本发明的同步投入流程框图。
图11为本发明的同步切除流程框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
无功补偿电容器组同步投切装置，包括：
至少一套继电器控制装置，设置于三相电网的任意一相上，
所述继电器控制装置包括一继电器，一继电器电流检测装置以及一继电器电压检测装置，
采用TA2-60A/60mA电流互感器来测流进继电器的电流，采用光耦将380V电压转换成单片机可处理的5V以内的电压，利用M052LBN的捕捉及A\D转换功能准确测出电压过零点；
继电器是用缔索的DS902A-60（60A磁保持继电器），驱动是采用缔索的RY8023T，系统电源12V、5V，485通讯电路、232通讯电路，掉电检测、系统温度检测电路，继电器电流及电压检测电路，显示电路。整个系统成本低，稳定性好，性能优良，实用性强。
a、继电器电流检测电路
参照图1，采用TA2-60A/60mA电流互感器配合如下所述的电流信号检测原理图。图中U10为所用电流互感器CT，R37为采样电阻，本电路采用单电源运放，取CIM为运放MCP6004U6A产生的2.5V偏置电压，运放U6B将ICIN输入信号与CIM偏置信号相叠加，得到信号IAIN2，信号IAIN2并输入到M052LBN的AD端供微处理器采集。
b、继电器电压检测电路
参照图2为继电器电压检测电路，由两只线性光耦P521-1反并联组后串联两只120K/2W电阻后，U1端、U2端并联在继电器开关两端。线性光耦P521-1的截止电流为0.7mA，当继电器两端输入电压大于168V时，光耦输出端电压接近为零，当电压小于168V时，光耦输出端SYS处电压为0～Umax之间变化的抛物线状的电压信号如图3所示，当电压时，光耦输出电压为Umax=5V，利用M052LBN捕捉功能，捕捉电压信号的上升沿，捕捉到信号后立即启动连续AD模式，读取1ms的电压值，取其最中的大值并记下此时的单片机的计数值，接着按些方法做两次，得到3个脉冲的最大值所对应的定时计数值，利用此三个值计算出当前的电压波形周期及过零时刻。
磁操持继电器驱动的ASIC（RY8023T）。RY8023T是双向继电器驱动集成电路，用于控制直流电机，磁保持继电器等的工作，具有输出电流大，静态功耗小的特点，可广泛用于智能表及其它用脉冲、电平控制应用领域。
本发明的工作原理：
电容器同步投切是指在继电器两端电压为零时投入，在继电器电流为零时切除。对于控制电容器的同步开关要在继电器两端电压为零的时刻闭合，实现电容器的无涌流投入；在电流为零的时刻分断，实现继电器触点无飞弧分断。继电器闭合称为继电器动作，继电器断开称为继电器复归。
a、电容器同步投入的工作原理
电容器的投入过程就是同步开关动作过程，需要检测继电器两端电压的过零点时刻及其周期，并控制继电器在下个周期过零点时动作，这样才能实现同步动作。
由于从开始驱动继电器到继电器闭合需要大约5ms（每只磁保持继电的延时不同）而磁操持继电器动作一致性也成了影响同步开关质量的关键，而本发明（基于电流闭环控制的无功补偿电容器组同步投切装置）可确定磁保持继电器的动作一至性。
图4中：Tcmd为随机时间，是接收到继电器动作命令的时刻；Tcn为接收到命令后继电器端电压第一次过零的时刻；Tzross为继电器端电压第二次过零的时刻；Tfreq为继电器端电压第三次过零的时刻；Tctrl为给继电器驱动信号的时刻；Tclose为继电器闭合的时刻。在接收到控制命令后，捕捉继电器两端电压的过零点，分别捕捉Tcn、Tzross、Tfreq这三个过零点，于是可以得出继电器端电压的周期为：
Treq=Tfreq-Tcn  (1)
若继电器的延时时间为Tdelay，那么
Tctrl=Tzcross+Tfreq-Tcn-Tdelay  (2)
在Tctrl时刻给出继电器的驱动信号(驱动继电器)，在理想状态下，继电器在Tclose时刻闭合，从而实现继电器端电压为零的时刻动作，达到无涌流投入开关的目的。从以上的分析看出，通过调节继电器的动作时间Tdelay，就可以控制继电器的闭合时刻。
b、电容器同步切除的工作原理
电容器的切除过程就是同步开关的复归过程。要实现同步复归就需要检测电流的过零点，并在下个电流过零周期的过零点断开继电器。
图5中：Tcmd为随机时间，是接收到继电器复归命令的时刻；Tcn为接收到命令后流过继电器的电流第一次过零的时刻；Tctr为给定继电器驱动信号的时刻；Topen为继电器复归的时刻。
继电器复归的过程：当继电器在Tcmd时刻接收到复归命令后，检测到流过继电器的电流，当电流为零时记下此时的时刻Tcn，利用检测并计算好的电压周期Freq和继电器复归延迟时间O_Tdelay，计算Tctr得
Tctr=Treq+Tcn-O_Tdelay  （3）
在Tctr时刻给继电器驱动信号（驱动继电器），理想情况下，继电器在Topen时刻复归，从而实现继电器在流过继电器的电流为零的时刻复归。由此分析可以看出，通过调节继电器复归延迟时间O_Tdelay，并可以控制继电器的断开时刻。
实施例1：
参照图6，无功补偿电容器组作为样机，三角形接法，B相直接接入电网，A相、C相通过继电器接入电网。接法如下图：
图6中J1，J2为磁保持继电器，继电器动作控制算法如下：
在电容器投入电网时，控制A相继电器在其电压过零时投入，随后将C相依次投入，在继电器投入电网时，电容初始电压接近于零。此时继电器J1的电压为Uab，在继电器闭合瞬间，电容A电压Ua=Uab;
波形如图7：
电容电流与电压的关系式：
I=C×du/dt  （4）
如果继电器动作延时时间Tdelay较实际偏小，则由式（2）可知Tctr偏大，继电器将在电压右侧（过零之后）投入，如图所示A点，电容电压在很短的时间内由0变成Uab、Uab>0、则Ia>0，即投入瞬时涌流为正；稳态时最大值在M点之前由（4）式可知dUab/dt>0、则Ia>0；即瞬时渗流与稳态值符号相同。如果继电器动作延迟时间Tdelay较实际偏大，则由（2）式可知，Tctr偏小，继电器将在电压左侧（过零点之前）投入。如图中B点，电容电压在很短的时间内由0变成Uab、Uab<0、则Ia<0、即投入涌流为负，稳态时，最大值M点之前，由（4）可知dUab/dt>0，瞬时涌流与稳态值付号相反。
综合上述继电器在正向、反向过零点动作的情况可知，利用流过继电器的电流方向可以判断继电器是过早动作还是过晚动作，从而可以确定继电器延时时间调整方向（增加延时还是减少延时）再利用检测并计算得到的涌流比的大小结合PID算法来调整继电器延时的大小。由于继电器电压过零时，Ua=Uab、由（4）式得此时电流最大，由此看出，继电器闭合瞬间，继电器的电流由零迅速上升到涌流值，这时很容易区分涌流所在位置及大小。
其中图8为继电器在过零后动作的电流波形图，图9为继电器在过零点前动作电流波形图。
参照图10为本发明的同步投入流程框图，微处理器发出继电器闭合指令后的瞬间，依次测定在电压过零周期内，电压连续三次过零点时刻以及继电器的动作时间，通过调节继电器的动作时间，保证继电器在切除点电压为零。
参照图11为本发明的同步切除流程框图，微处理器发出继电器复归指令后的瞬间，依次测定在电流过零周期内，电流连续三次过零点时刻以及继电器的复归时间，通过调节继电器的复归时间，保证继电器在切除点电流为零。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于，包括：
至少一套继电器控制装置，设置于三相电网的任意一相上，
所述继电器控制装置包括一继电器和一继电器电流检测装置，所述继电器电流检测装置测量流进继电器的电流，将采集到的电流信号输入至微处理器，
以及一微处理器，利用微处理器捕捉电流信号，并准确测出电流过零点，并驱动继电器断开。
2.根据权利要求1所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：所述继电器控制装置还包括一继电器电压检测装置，继电器电压检测装置测量流进继电器的电压，将采集到的电压信号输入至微处理器，
微处理器捕捉电压信号，并准确测出电压过零点，并驱动继电器闭合。
3.根据权利要求1所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：还包括一光电隔离电路，所述光电隔离电路连接微处理器的UART接口，将电源隔离开来。
4.根据权利要求1所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：所述继电器电流检测装置包括一电流互感器，一设置电流互感器两端的采样电阻，运算放大器连接电流互感器，所述运算放大器将输入电流信号和偏置信号相叠加，得到电流采样信号。
5.根据权利要求2所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：所述继电器电压检测装置包括两只线性光耦，所述两只线性光耦反并联后串联两只120K/2W电阻，所述两只120K/2W电阻并联在继电器开关两端。
6.根据权利要求2所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：微处理器发出继电器闭合指令后的瞬间，依次测定在电压过零周期内，电压连续三次过零点时刻以及继电器的动作时间，通过调节继电器的动作时间，保证继电器在切除点电压为零。
7.根据权利要求1所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：微处理器发出继电器复归指令后的瞬间，依次测定在电流过零周期内，电流连续三次过零点时刻以及继电器的复归时间，通过调节继电器的复归时间，保证继电器在切除点电流为零。
8.根据权利要求2所述的无功补偿电容器组同步投切装置，其特征在于：微处理器捕捉电压信号的上升沿，捕捉到电压信号后立即启动连续AD模式，读取1ms的电压值，取其最中的大值并记下此时的定时器的计数值，接着按上述方法再做两次，得到3个脉冲的最大值所对应的定时计数值，利用此三个值计算出当前的电压波形周期及过零时刻。
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