CN103676658A - 高压电器合成试验的同步控制系统及其同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明高压电器合成试验的同步控制系统，包括用于给系统供电的电源电路，用于接收合成试验中传感器采集的电压和/或电流信号的传感器信号检测电路，用于将输入信号转换为数字信号的调理电路，用于处理数字信号并输出控制信号的计算机，用于接收控制信号并输出对应点火电信号的执行电路，用于输入和显示合成试验控制参数的输入显示装置；本发明还提供相应的同步控制方法，能够适应高压电器合成试验的各项要求，降低电流预测零点的误差，提高合成试验的成功率；其根据合成试验的方式选择计算机接入处理的输入信号，并执行对应的控制信号输出步骤；输入信号包括磁位计电流信号，分压器电压信号和电流互感器电流信号中的一种或多种的组合。

Description

高压电器合成试验的同步控制系统及其同步控制方法

技术领域

本发明涉及高压电器试验技术领域，具体为高压电器合成试验的同步控制系统及其同步控制方法。

背景技术

合成试验是高压电器产品试验检测与试验技术研究的重要组成部分，而同步控制装置是合成回路中必不可少的时间控制装置，是控制系统的重要组成部分，是试验中对时间要求最严格的装置，因此同步控制装置性能的好坏直接关系到合成试验的成功与否。

随着高压电器行业的发展，试验中大、小电流都会出现，由于同步控制装置的规格限制，使得电流幅值变化较大超出其控制范围时，必然会对控制精度造成影响；同时现有技术中的同步控制系统只能对单个的信号进行采集和控制，随着高压电器合成试验技术的要求的不断提高，尤其是高压电器的大容量合成试验中，需要多个参量的同时采集和控制，现有的设备和技术不能完全满足现在试验需要。

现有同步控制方法在主回路有直流分量的情况下，是通过第一个半波的电流采样真实值来预测后续所有的电流预测值，因此电流预测值的误差会逐步累积，使得电流预测零点与真实值相差较大，极易造成相关试验的失败。

发明内容

针对以上所述的现有技术中存在的问题，

本发明提供高压电器合成试验的同步控制系统，能够适应电流的大幅值变化范围，同时能够实现对多信号的采集和控制，多功能应用，覆盖现有合成试验中使用的各种点火装置的触发控制。

本发明还提供相应的同步控制方法，能够适应高压电器合成试验的各项要求，降低电流预测零点的误差，提高合成试验的成功率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

高压电器合成试验的同步控制系统，包括用于给系统供电的电源电路，用于接收合成试验中传感器采集的电压和/或电流信号的传感器信号检测电路，用于将输入信号转换为数字信号的调理电路，用于处理数字信号并输出控制信号的计算机，用于接收控制信号并输出对应点火电信号的执行电路，用于输入和显示合成试验控制参数的输入显示装置；

所述的传感器信号检测电路包括磁位计电流信号检测电路，分压器电压信号检测电路和电流互感器电流信号检测电路；

所述的调理电路包括分别与分压器电压信号检测电路和电流互感器电流检测电路对应连接的信号调理电路，与磁位计电流信号检测电路对应连接的积分AD电路，以及用于将合成试验中程控仪发出的开锁信号转换为数字信号的开锁调理电路；积分AD电路包括依次连接的分档降压电路，隔离运放电路，并联后串接的有源积分电路和无源积分电路，以及AD转换电路；分档降压电路接收磁位计电流检测电路传输的采集电流信号；AD转换电路输入端通过分档转换开关与有源积分电路和无源积分电路中的一个选择性连接，输出端与计算机输入端连接；

所述的执行电路与合成试验中的控制设备相连接。

优选的，执行电路包括逻辑与判断电路和光电隔离电路；逻辑与判断电路的输入端分别与计算机控制信号输出端和开锁调理电路的开锁信号输出端连接，输出端输出点火电信号与光电隔离电路的电信号接口连接。

进一步，传感器信号检测电路共三组，分别通过对应调理电路与计算机输入端连接；计算机对应输出的三组控制信号，每组控制信号分别对应接入四个执行电路；四个执行电路分别用于控制合成试验中的两个电压回路和两个延弧回路。

优选的，计算机的输入端设置在有硬件看门狗电路。

优选的，还包括输入端分别与调理电路、计算机和执行电路的采集端连接的监测装置。

基于以上进一步所述同步控制系统的高压电器合成试验的同步控制方法，包括如下步骤，

1）根据合成试验的方式选择计算机接入处理的输入信号，并执行对应的控制信号输出步骤；输入信号包括磁位计电流信号，分压器电压信号和电流互感器电流信号中的一种或多种的组合；

2）当选择接入磁位计电流信号时，通过输入显示装置输入投入延弧回路和电压回路的个数，以及投入时间τ₀，并执行如下步骤；

a.通过输入的磁位计电流信号判断是否投入第一延弧回路，如果是则执行步骤b，如果否则执行步骤c；

b.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出过零点前的第一延弧回路投入时刻

其中

为第一延弧回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在第一延弧回路投入时刻

投入第一延弧回路并执行步骤c，如果否则执行步骤b；

c.通过输入的磁位计电流信号判断是否投入第二延弧回路，如果是则执行步骤d，如果否则执行步骤e；

d.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出零点前的第二延弧回路投入时刻其中

为第二延弧回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在第二延弧回路投入时刻投入第二延弧回路并执行步骤e，如果否则执行步骤d；

e.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出零点前的电压回路投入时刻其中t_g为电压回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在电压回路投入时刻输出点火电信号并执行步骤5），如果否则执行步骤e；

3）当选择接入电流互感器电流信号时，采集电流互感器输入的电流信号，通过逻辑与判断电路判断是否采集到电流信号和程控仪是否发出开锁信号，如果否则重新采集电流互感器输入的电压信号，如果是则在整定时刻输出点火电信号并执行步骤5）；

4）当选择接入分压器电压信号时，采集分压器输入的电压信号，通过逻辑与判断电路判断是否采集到电压信号和程控仪是否发出开锁信号，如果否则重新采集分压器输入的电压信号，如果是则在整定时刻输出点火电信号并执行步骤5）；

5）检测合成试验是否结束，如果是则完成试验，如果否则执行步骤1）。

优选的，预测电流零点，包括如下步骤，

A.在一个电流周期内以等时间间隔ΔT划分N个采样点；

B.采集半个电流周期内的N/2个采样点再加一个采样点，利用以下递推公式得到后续的电流预测值；

$i(k+N/2)=\frac{{[i(k-1)+i(k-1+N/2)]}^2}{[i(k-2)+i(k-2+N/2)]}-i\left(k\right),$ 其中k为递推序列号，k=2，3，...；

C.根据步骤B中的电流预测值方法，依次通过相邻的前半个电流周期采集到的电流真实值，预测后半个电流周期的电流预测值，得到整个电流周期内的预测电流零点。

优选的，采集电流互感器输入的电流信号为合成试验中的预击穿电流信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的同步控制系统，将多传感器信号同时进行采集调理后输入计算机，从而输出控制信号实现对主回路的同步控制；利用传感器信号检测电路能够实现分别针对多个传感器采集的数据进行检测和采集，提高了同步控制系统的适应能力；通过有源积分电路和无源积分电路并用，配合分档转换开关的选择，将实际工况中出现的大电流和小电流进行分别适应性处理，避免了电流幅值变化范围大对控制精度造成的影响；通过全面完整的电路设置，提供了软件升级和功能扩展的平台，可以适应未来试验发展的要求。

进一步的，通过执行电路中利用开锁信号进行逻辑与的选择，实现对输出点火电信号的校验和核对，保证了控制的准确性，提高了控制试验的同步性和试验的成功率。

进一步的，通过三组信号输入的检测，以及三组每组四个执行电路的设置，能够保证现有同步合成试验的完成和实现，提高了同步控制系统的适应能力，使其能满足不同的试验要求。同时利用硬件看门狗电路的设置，提高和增加了程序可靠性，利用监测装置能够同时将输入的传感器采集信号，实际控制信号和点火电信号的同时反映和对比。

本发明所述的同步控制方法，通过不同输入信号的独立控制和同步进行，能够覆盖现有合成试验中各种点火装置的触发控制，保证了延弧回路中电压投入的准确性，以及高压回路中电压投入的稳定和准确，从而确保了合成试验的等价性。

进一步的，通过实时采集电流波形，利用递推计算的方法进行实时计算，避免了以初始采样点数值进行计算时，因累积误差对预测电流值的影响，保证了预测电流值的准确，并且能够在有直流分量的情况下准确的预测到真实的电流零点，保证了试验的成功进行。

附图说明

图1为本发明实例中所述同步控制系统的结构原理框图。

图2为本发明实例中所述同步控制系统的电路连接框图。

图3为本发明实例中所述的积分AD电路原理框图。

图4为本发明实例中所述的执行电路原理框图。

图5为本发明实例中所述的同步控制方法流程框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明高压电器合成试验的同步控制系统，包括用于给系统供电的电源电路，用于接收合成试验中传感器采集的电压和/或电流信号的传感器信号检测电路，用于将输入信号转换为数字信号的调理电路，用于处理数字信号并输出控制信号的计算机，用于接收控制信号并输出对应点火电信号的执行电路，用于输入和显示合成试验控制参数的输入显示装置；传感器信号检测电路包括磁位计电流信号检测电路，分压器电压信号检测电路和电流互感器电流信号检测电路；如图3所示，其中调理电路包括分别与分压器电压信号检测电路和电流互感器电流检测电路对应连接的信号调理电路，与磁位计电流信号检测电路对应连接的积分AD电路，以及用于将合成试验中程控仪发出的开锁信号转换为数字信号的开锁调理电路；积分AD电路包括依次连接的分档降压电路，隔离运放电路，并联后串接的有源积分电路和无源积分电路，以及AD转换电路；分档降压电路接收磁位计电流检测电路传输的采集电流信号；AD转换电路输入端通过分档转换开关与有源积分电路和无源积分电路中的一个选择性连接，输出端与计算机输入端连接；其中执行电路与合成试验中的控制设备相连接。

如图4所示，本优选实施例中，执行电路包括逻辑与判断电路和光电隔离电路；逻辑与判断电路的输入端分别与计算机控制信号输出端和开锁调理电路的开锁信号输出端连接，输出端输出点火电信号与光电隔离电路的电信号接口连接。如图2所示，传感器信号检测电路共三组，分别通过对应调理电路与计算机输入端连接；计算机对应输出的三组控制信号，每组控制信号分别对应接入四个执行电路；四个执行电路分别用于控制合成试验中的两个电压回路和两个延弧回路。计算机的输入端设置在有硬件看门狗电路。

如图1所示，本发明所述同步控制系统还包括输入端分别与调理电路、计算机和执行电路的采集端连接的监测装置。

本发明高压电器合成试验的同步控制方法，基于以上优选实施例中所述的同步控制系统，运行流程如图5所示，其包括如下步骤，

1）根据合成试验的方式选择计算机接入处理的输入信号，并执行对应的控制信号输出步骤；输入信号包括磁位计电流信号，分压器电压信号和电流互感器电流信号中的一种或多种的组合；

2）当选择接入磁位计电流信号时，通过输入显示装置输入投入延弧回路和电压回路的个数，以及投入时间τ₀，并执行如下步骤；

a.通过输入的磁位计电流信号判断是否投入第一延弧回路，如果是则执行步骤b，如果否则执行步骤c；

b.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出过零点前的第一延弧回路投入时刻

其中

为第一延弧回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在第一延弧回路投入时刻

投入第一延弧回路并执行步骤c，如果否则执行步骤b；

c.通过输入的磁位计电流信号判断是否投入第二延弧回路，如果是则执行步骤d，如果否则执行步骤e；

d.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出零点前的第二延弧回路投入时刻

其中

为第二延弧回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在第二延弧回路投入时刻

投入第二延弧回路并执行步骤e，如果否则执行步骤d；

e.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出零点前的电压回路投入时刻

其中t_g为电压回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在电压回路投入时刻

输出点火电信号并执行步骤5），如果否则执行步骤e；

3）当选择接入电流互感器电流信号时，采集电流互感器输入的电流信号，通过逻辑与判断电路判断是否采集到电流信号和程控仪是否发出开锁信号，如果否则重新采集电流互感器输入的电压信号，如果是则在整定时刻输出点火电信号并执行步骤5）；

4）当选择接入分压器电压信号时，采集分压器输入的电压信号，通过逻辑与判断电路判断是否采集到电压信号和程控仪是否发出开锁信号，如果否则重新采集分压器输入的电压信号，如果是则在整定时刻输出点火电信号并执行步骤5）；

5）检测合成试验是否结束，如果是则完成试验，如果否则执行步骤1）。

优选的，采集电流互感器输入的电流信号为合成试验中的预击穿电流信号。当接入信号为磁位计电流信号时，预测电流零点时包括如下步骤，

A.在一个电流周期内以等时间间隔ΔT划分N个采样点；

B.采集半个电流周期内的N/2个采样点再加一个采样点，利用以下递推公式得到后续的电流预测值；

$i(k+N/2)=\frac{{[i(k-1)+i(k-1+N/2)]}^2}{[i(k-2)+i(k-2+N/2)]}-i\left(k\right),$ 其中k为递推序列号，k=2，3，...；

C.根据步骤B中的电流预测值方法，依次通过相邻的前半个电流周期采集到的电流真实值，预测后半个电流周期的电流预测值，得到整个电流周期内的预测电流零点。

利用本优选实例所述的同步控制系统和同步控制方法进行合成试验时，具体操作如下。

在威尔合成试验中的应用，为了保证合成试验的等价性，必须根据电压源电流的频率来确定电压提前电流源零点的投入时间τ₀，同步控制系统通过磁位计电流信号的采集，利用递推跟踪预测电流源零点，在预测的零点前发出信号，使得电压源准确的投入，保证合成试验的等价性。通过实时采集和对预测零点的逐步递推保证了预测零点的准确性，确保了电压源的准确投入；本发明同步控制系统还能够同时采集分压器电压信号，为试验提供的反馈。

在高压关合试验中的应用，根据国际电工委员会(IEC)制定的高压断路器关合试验标准，在额定电压下的合成关合试验对电流源的合闸设备、时间控制精度等提出了很高的要求，利用电流互感器采集开关合闸过程中发生的预击穿电流，经调理后输入到计算机中，产生对应的控制信号，并与开锁信号经过逻辑与电路处理后发出点火电信号，再由光电隔离电路转化为光信号送至点火箱完成实验。

同步控制系统通过电流互感器测到预击穿电流后经过调理电路转变成计算机可识别的电信号，计算机经过计算，按照预先设定的时间向执行电路发出信号，执行电路通过光电转换给高压点火箱发出点火电信号，使点火箱动作，从而使隔离电流源的球贯穿，将大电流引入。同步控制系统共分三组信号输入输出，三组之间相互独立，可以分别检测三相预击穿电压来控制三组独立的隔离电流源的点火球。从而完成三相高压关合试验的控制。

在合成试验三回路中的应用，合成试验三回路中电压源采用了两套电压回路的叠加，这种回路充分利用了试验室的试验设备，在相同的设备容量情况下，回路设备的安全系数较高，而且能够满足电压等级更高的断路器试验要求。但是对于控制系统的要求也比普通合成试验要高，特别是第二套电压回路的投入时间，要求在一套电压回路瞬态恢复电压到达峰值附近时投入。在回路工作过程中，第一点火间隙的动作由同步控制系统根据电流回路电流信号来控制，第二点火间隙的动作由同步控制系统根据第一套电压回路的恢复电压信号来控制。由于第一点火间隙和第二点火间隙的动作时刻会影响试验的成败，尤其是第二点火间隙投入时刻的误差会对恢复电压的叠加波形产生很大的影响，因此对同步控制系统的准确性和精度有很高的要求，还需要同时检测电流信号和电压信号，现有的同步控制系统和同步控制方法都无法进行控制操作。

本发明同步控制系统先通过磁位计信号输入端口接收磁位计采集到的电流信号，然后通过积分A/D转换电路送给计算机，计算机根据整定时间给电压回路发出控制信号的执行指令，执行电路根据输入的控制信号和开锁信号，再通过光电转换给高压点火箱发出点火电信号，使点火箱动作，将第一套电压回路投入；在断路器开断过程中第一套电压回路产生的恢复电压通过分压器被采集到，同步控制系统接收分压器测到的电压信号，这个信号经过调理电路转变成计算机可识别的电信号，计算机经过计算，按照预先设定的时间向执行电路发出信号，执行电路通过光电转换给高压点火箱发出点火电信号，使点火箱动作，从而使第二套电压回路的点火球贯穿，将第二套电压引入。同步控制中，通过对电流的准确控制，以及电压和电流的同时控制，保证了第一点火间隙和第二点火间隙的动作时刻的准确性，提高了试验的成功率。

Claims (8)

1.高压电器合成试验的同步控制系统，其特征在于，包括用于给系统供电的电源电路，用于接收合成试验中传感器采集的电压和/或电流信号的传感器信号检测电路，用于将输入信号转换为数字信号的调理电路，用于处理数字信号并输出控制信号的计算机，用于接收控制信号并输出对应点火电信号的执行电路，用于输入和显示合成试验控制参数的输入显示装置；

所述的传感器信号检测电路包括磁位计电流信号检测电路，分压器电压信号检测电路和电流互感器电流信号检测电路；

所述的调理电路包括分别与分压器电压信号检测电路和电流互感器电流检测电路对应连接的信号调理电路，与磁位计电流信号检测电路对应连接的积分AD电路，以及用于将合成试验中程控仪发出的开锁信号转换为数字信号的开锁调理电路；积分AD电路包括依次连接的分档降压电路，隔离运放电路，并联后串接的有源积分电路和无源积分电路，以及AD转换电路；分档降压电路接收磁位计电流检测电路传输的采集电流信号；AD转换电路输入端通过分档转换开关与有源积分电路和无源积分电路中的一个选择性连接，输出端与计算机输入端连接；

所述的执行电路与合成试验中的控制设备相连接。

2.根据权利要求1所述的高压电器合成试验的同步控制系统，其特征在于，所述的执行电路包括逻辑与判断电路和光电隔离电路；逻辑与判断电路的输入端分别与计算机控制信号输出端和开锁调理电路的开锁信号输出端连接，输出端输出点火电信号与光电隔离电路的电信号接口连接。

3.根据权利要求2所述的高压电器合成试验的同步控制系统，其特征在于，所述的传感器信号检测电路共三组，分别通过对应调理电路与计算机输入端连接；计算机对应输出的三组控制信号，每组控制信号分别对应接入四个执行电路；四个执行电路分别用于控制合成试验中的两个电压回路和两个延弧回路。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高压电器合成试验的同步控制系统，其特征在于，所述的计算机的输入端设置在有硬件看门狗电路。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的高压电器合成试验的同步控制系统，其特征在于，还包括输入端分别与调理电路、计算机和执行电路的采集端连接的监测装置。

6.基于权利要求3中所述同步控制系统的高压电器合成试验的同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

1）根据合成试验的方式选择计算机接入处理的输入信号，并执行对应的控制信号输出步骤；输入信号包括磁位计电流信号，分压器电压信号和电流互感器电流信号中的一种或多种的组合；

2）当选择接入磁位计电流信号时，通过输入显示装置输入投入延弧回路和电压回路的个数，以及投入时间τ₀，并执行如下步骤；

a.通过输入的磁位计电流信号判断是否投入第一延弧回路，如果是则执行步骤b，如果否则执行步骤c；

b.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出过零点前的第一延弧回路投入时刻其中为第一延弧回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在第一延弧回路投入时刻

投入第一延弧回路并执行步骤c，如果否则执行步骤b；

c.通过输入的磁位计电流信号判断是否投入第二延弧回路，如果是则执行步骤d，如果否则执行步骤e；

d.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出零点前的第二延弧回路投入时刻

其中

为第二延弧回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在第二延弧回路投入时刻

投入第二延弧回路并执行步骤e，如果否则执行步骤d；

e.采集磁位计输入的电流信号，预测电流零点，根据公式

计算出零点前的电压回路投入时刻

其中t_g为电压回路动作时间；判断程控仪是否发出开锁信号，如果是则在电压回路投入时刻

输出点火电信号并执行步骤5），如果否则执行步骤e；

3）当选择接入电流互感器电流信号时，采集电流互感器输入的电流信号，通过逻辑与判断电路判断是否采集到电流信号和程控仪是否发出开锁信号，如果否则重新采集电流互感器输入的电压信号，如果是则在整定时刻输出点火电信号并执行步骤5）；

4）当选择接入分压器电压信号时，采集分压器输入的电压信号，通过逻辑与判断电路判断是否采集到电压信号和程控仪是否发出开锁信号，如果否则重新采集分压器输入的电压信号，如果是则在整定时刻输出点火电信号并执行步骤5）；

5）检测合成试验是否结束，如果是则完成试验，如果否则执行步骤1）。

7.根据权利要求6所述的高压电器合成试验的同步控制方法，其特征在于，所述的预测电流零点，包括如下步骤，

A.在一个电流周期内以等时间间隔ΔT划分N个采样点；

B.采集半个电流周期内的N/2个采样点再加一个采样点，利用以下递推公式得到后续的电流预测值；

$i(k+N/2)=\frac{{[i(k-1)+i(k-1+N/2)]}^2}{[i(k-2)+i(k-2+N/2)]}-i\left(k\right),$ 其中k为递推序列号，k=2，3，...；

C.根据步骤B中的电流预测值方法，依次通过相邻的前半个电流周期采集到的电流真实值，预测后半个电流周期的电流预测值，得到整个电流周期内的预测电流零点。

8.根据权利要求6所述的高压电器合成试验的同步控制方法，其特征在于，所述的采集电流互感器输入的电流信号为合成试验中的预击穿电流信号。

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