CN103812214B - 智能相控断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能相控断路器，其特征在于，包括：永磁开关；驱动装置，用于控制永磁开关的分合闸；主控装置，主控装置通过光纤与驱动装置连接以与驱动装置进行数据交互。其中，采用高速光纤通讯技术来连接主控装置和驱动装置，由于通讯链路采用纯硬件控制，分合闸传输命令延时固定在0.025±0.015ms范围内，很好的解决了实时性和可靠性的矛盾。

Description

智能相控断路器

技术领域

本发明涉及电力设备，尤其涉及一种智能相控断路器。

背景技术

电网是一个动态系统，其供需变化与功率平衡问题要求电网各部分能够可靠、及时地投入或切除；因此开关的操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。应用于投切容性负载（电容器、空载输电线等）、感性负载（变压器、电抗器等）的开关分合闸操作，所带来的开关暂态过程对输配电系统会产生各种扰动甚至冲击，引起过电压和过电流，甚至会传播到远端影响其他用户。为了满足电网发展和电力用户对高质量、高可靠供电的需求，目前所采用的传统措施总存在不足，不能从根本上解决问题。近年来，一种更经济有效的方法，即开关选相分合闸技术（或称同步开关技术）得到越来越多的重视和应用。开关选相分合闸技术最早被提出是在上世纪70年代,但限于当时的技术发展水平,并没有成为真正实用的产品。近年来随着断路器制造工艺、现代测控技术的不断提高,日益受到制造厂商与用户的关注,成为智能电网建设中开关设备智能化的研究热点。

图1示出了现有的智能相控断路器的逻辑框图，如图1所示，该智能相控断路器100包括自动化控制装置110和开关本体120，其中自动化控制装置110通过传统的控制回路（220/110V）来控制开关本体120的分合闸。在现有的智能相控断路器中，如果开关本体120采用传统的机械开关，由于机械开关的操动机构由复杂的机械结构实现，分合闸时间的漂移无法调节，而且控制回路和开关本体120的状态不容易实现在线自检，不符合智能电网的要求。如果开关本体120采用永磁开关，虽然可以极大地简化开关本体120的机械设计，降低了机械故障。但是，由于永磁开关中加入了电子驱动模块，继电保护等自动化设备与断路器的接口变成了电压回路，分合闸所需的能量大幅降低至几个毫安以下，而中压开关柜里的电磁干扰又很强，这样会增加永磁开关误动的风险。虽然可以采用软硬件去抖等方法来降低这种风险，但显然不可避免地会延长分合闸时间和牺牲控制的精确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中由于永磁开关中加入了电子驱动模块后，分合闸所需的能量大幅降低至几个毫安以下，而中压开关柜里的电磁干扰较强，从而增加永磁开关误动的风险的缺陷，提供一种智能相控断路器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种智能相控断路器，包括：

永磁开关；

驱动装置，用于控制所述永磁开关的分合闸；

主控装置，所述主控装置通过光纤与所述驱动装置连接以与所述驱动装置进行数据交互。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述驱动装置通过PID闭环控制来控制所述永磁开关的分合闸。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述驱动装置包括：

与所述光纤连接的驱动接口；

用于控制所述永磁开关的分合闸以及驱动所述驱动接口以与所述主控装置进行数据交互的驱动单元；

用于控制所述驱动单元工作的驱动CPU。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述驱动单元为FPGA驱动单元。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述驱动单元通过局域总线与所述驱动CPU连接。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述驱动装置还包括用于将所述永磁开关的动作执行参数反馈至所述驱动单元的模数转换单元。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述主控装置包括：

与所述光纤连接的主控接口；

驱动所述主控接口以与所述驱动装置进行数据交互的主控单元；

用于控制所述主控单元工作的主控CPU。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述主控单元为FPGA主控单元。

在依据本发明实施例的智能相控断路器中，所述主控单元通过PCIe总线与所述主控CPU连接。

本发明产生的有益效果是：采用高速光纤通讯技术来连接主控装置和驱动装置，由于通讯链路采用纯硬件控制，分合闸传输命令延时固定在0.025±0.015ms范围内，很好的解决了实时性和可靠性的矛盾。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示出了现有的智能相控断路器的逻辑框图；

图2示出了依据本发明实施例的智能相控断路器的逻辑框图；

图3示出了图2的优选实施例中智能相控断路器的逻辑框图；

图4示出了帧的收发操作示意图；

图5示出了图4中主控装置610的帧结构的示意图；

图6示出了图4中驱动装置620的帧结构的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2示出了依据本发明实施例的智能相控断路器600的逻辑框图，如图2所示，该智能相控断路器600包括永磁开关630、驱动装置620以及主控装置610。其中，驱动装置620控制永磁开关630的分合闸，优选地，驱动装置620通过控制回路来控制永磁开关630的分合闸，例如，驱动装置620通过PID（比例-积分-微分）闭环控制回路来控制永磁开关630的分合闸。此处，采用闭环控制主要是为了确保每次分合闸操作的执行时间保持稳定。具体到执行环节，主要是控制每次分合闸的电流基本一致。因为每次开关进行分合闸操作时，驱动装置内部的蓄能电容器充电电压有较大差异；另外电容的容量随着时间推移也会有所下降，这些因素会导致分合闸电流有较大变化，所以需要进行闭环的脉冲宽度调制（PWM：PulseWidthModulation）控制。主控装置610通过光纤与驱动装置620连接以与所述驱动装置620进行数据交互。一方面，主控装置610可向驱动装置620发送用于控制永磁开关630分合闸的驱动数据；另一方面，主控装置610还可从驱动装置620接收永磁开关630反馈的动作执行参数。其中，永磁开关的动作执行参数包括：驱动装置内部蓄能电容器的充电电压、分合闸电流、真空灭弧室动触头的行程。

具体而言，主控装置610从指令输入系统200和/或工程维护系统400接收就地指令和/或工程维护指令，从而生成主控指令。驱动装置620基于通过光纤从主控装置610接收的主控指令，或者还结合从现场手操系统700接收的现场手操指令，生成驱动指令。该驱动指令通过控制回路发送至永磁开关630，从而控制永磁开关630的分合闸。与此同时，永磁开关630的动作执行参数通过该控制回路反馈给驱动装置620，驱动装置620再由光纤将该动作执行参数传输至主控装置610，从而对永磁开关630的动作曲线、行程量等参数进行监控调整，从而实现对永磁开关630的超高精度控制。

图3示出了图2的优选实施例中智能相控断路器600的逻辑框图，如图3所示，驱动装置620包括：与光纤连接的驱动接口621；用于控制永磁开关630的分合闸以及驱动驱动接口621以与主控装置610进行数据交互的驱动单元622；以及用于控制驱动单元622工作的驱动CPU623。其中，驱动单元622优选为现场可编程门阵列（FPGA：Field－ProgrammableGateArray）驱动单元622，驱动单元622通过局域总线（LocalBus）与驱动CPU623连接。优选地，驱动装置620还包括用于将永磁开关630的动作执行参数反馈至驱动单元622的模数转换单元624。通过上述设置，依据本发明实施例的智能相控断路器600的分合闸时间漂移小于±0.5ms。

仍如图3所示，主控装置610包括：与光纤连接的主控接口611；驱动主控接口611以与驱动装置620进行数据交互的主控单元612；用于控制主控单元612工作的主控CPU613。其中，主控单元612为FPGA主控单元612；主控单元612通过PCIe总线与主控CPU613连接。

下面将通过定义帧结构来阐述永磁开关630的分合闸控制过程，当主控装置610要向驱动装置620发送主控指令时，由主控CPU613通过PCIe总线将主控指令有关的数据写入FPGA主控单元612的数据缓存中，由FPGA主控单元612对该数据进行打包发送，通过FPGA主控单元612的并行处理可以使帧的打包及发送接近同时进行。驱动装置620的接收端在检测到帧头时，启动对当前帧的接收机制，并根据帧的类型对接收到的帧进行解包。

图4示出了帧的收发操作示意图，如图4所示，T为一次数据帧传输周期：10us（由数据打包发送到数据响应接收并解包完成的过程）。具体操作过程如下：

①主控装置610对要发送的数据（及主控指令）打包并启动数据发送；

②驱动装置620检测到帧头开始数据接收，在数据接收的过程中对接收到的帧进行解包；

③驱动装置620准备应答传输并对数据进行打包，然后进行应答发送；

④主控装置610检测到帧头开始数据接收并进行解包，得到应答结果，完成一次正常情况下的数据传输。

主控装置610自发送最后一个字节开始计数，等待5us后还没有接收到驱动装置620（此时为从机）的响应信号，判别为发送超时，对当前发送失败的帧进行两次重发送。

在依据本发明实施例的智能相控断路器600中，主控装置610的发送帧结构有四种，驱动装置620的响应帧结构也有四种；不同的帧之间有优先级关系，优先级的先后关系由FPGA单元根据指令和数据的优先级别进行判别。

图5示出了图4中主控装置610的帧结构的示意图，如图5所示，图中的四种帧中相同的结构为：帧头（D0-D7、序列码、Frame_type）和帧尾（CRC）。它们之间有差别的字节为图5中的下划线部分。具体阐述如下所示：

CRC验证码为8byte,其运算的字节范围：序列码、Frame_type、每帧的下划线标识部分；

Frame_data_m帖的Len2：为0~8byte的实际长度，Len2的最高位为1时，标志最后一字节；

备用字节中，高4byte由主控CPU613配置，低4byte由FPGA主控单元612配置；

Frame_type:用于标记当前帧的类型，接收端根据帧类型进行帧的接收；

D0-D7:采用以太网帧前导符字节，前导符的作用是：使接收点进行同步并做好数据接收的准备，前7个字节为前同步码，内容是16进制的0xAA，最后一个字节为帧起始标志符，内容是16进制的0xAB；

Frame_reset_m:具有最高的优先级，当主控装置610发送该帧时，整个传输链路将会被复位到初始状态；

Frame_cmd_m:该帧类型为驱动指令帧，实现永磁开关630ABC相的分合操作指令的传输；

Frame_data_m:该帧类型将主控装置610的控制策略（即主控指令）传输给驱动单元622。

Frame_misc_m:该帧将主控装置610的时钟同步信号传输给驱动装置620，实现时钟同步。

由FPGA单元根据帧内容的数据量及实时性要求对主控端发送帧的类型进行优先级排列：Frame_cmd_m优先级最高；Frame_data_m优先级次之；Frame_misc_m优先级最后。

驱动装置620在每次收到主控端的数据帧后，都会根据驱动端的优先级关系，给主控端回复数据帧，驱动端回复的数据帧有以下四种类型。图6示出了图4中驱动装置620的帧结构的示意图，如图6所示，以上四种帧结构与主控端相似，在内容上有差别如图6的下划线标识部分，图6中的四种帧结构的优先级由左到右依次降低。具体阐述如下：

Frame_reset_s:具有最高的优先级，驱动装置620向主控端响应该帧，通知主控端该复位帧已接收到并且已完成驱动端的传输链路复位；

Frame_ad_s:该帧类型将永磁开关630的行程量、电压量及电流参数发送给主控装置610；

Frame_data_s:该帧类型将驱动CPU623的数据传输给主控CPU613；

Frame_misc_s:该帧类型将驱动装置620及永磁开关630的工作状态发送给主控端。

通过以上定义的传输方式及传输协议，实现了数据的100Mbit/s光纤数据传输，经过大量的实验证明该种方式有效的保证的数据可靠、安全、高速的传输。

从以上可以看出，采用高速光纤通讯连接主控装置和驱动装置，由于通讯链路采用纯硬件控制，分合闸传输命令延时固定在0.025±0.015ms范围内，较好地解决了实时性和可靠性的矛盾。此外，利用该光纤通道，还实现了智能相控断路器回路自检等众多开关本体信息的传输，包括如永磁开关内部电容的充电电压、分合闸电流、主触头行程等，为将来开关智能化的深入研究打下基础。并且，结合采用FPGA单元直接驱动接口，使得数据在告诉传输的同时，还确保了安全性，提高了可靠性。

这样不再采用TCP/IP协议，就可以实现主控装置与驱动装置之间的数据传输，并且为了更有效的提高数据的实时性，还可采用自定义的帧结构。由于主控装置与驱动装置之间是点对点通讯，不会发生以太网通讯的“碰撞”问题，所以可省掉以太网MAC（媒体访问层）链路控制，有利于提高数据传输率和通讯实时性，另外用户对帧的长度、帧类型、帧结构、帧优先级可以完全根据实际需要进行灵活的定制调整以保证指令数据传输的实时性，带来设计应用上的灵活性且减少FPGA调用MACIP时的逻辑资源。

应当注意的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能相控断路器，其特征在于，包括：

永磁开关；

驱动装置，用于控制所述永磁开关的分合闸；

主控装置，所述主控装置通过光纤与所述驱动装置连接以与所述驱动装置进行数据交互；

其中，所述主控装置向所述驱动装置发送用于控制所述永磁开关分合闸的驱动数据，所述主控装置从所述驱动装置接收所述永磁开关反馈的实时的动作执行参数。

2.根据权利要求1所述的智能相控断路器，其特征在于，所述驱动装置通过PID闭环控制来控制所述永磁开关的分合闸。

3.根据权利要求1所述的智能相控断路器，其特征在于，所述驱动装置包括：

与所述光纤连接的驱动接口；

用于控制所述永磁开关的分合闸以及驱动所述驱动接口以与所述主控装置进行数据交互的驱动单元；

用于控制所述驱动单元工作的驱动CPU。

4.根据权利要求3所述的智能相控断路器，其特征在于，所述驱动单元为FPGA驱动单元。

5.根据权利要求3所述的智能相控断路器，其特征在于，所述驱动单元通过局域总线与所述驱动CPU连接。

6.根据权利要求3所述的智能相控断路器，其特征在于，所述驱动装置还包括用于将所述永磁开关的动作执行参数反馈至所述驱动单元的模数转换单元。

7.根据权利要求1所述的智能相控断路器，其特征在于，所述主控装置包括：

与所述光纤连接的主控接口；

驱动所述主控接口以与所述驱动装置进行数据交互的主控单元；

用于控制所述主控单元工作的主控CPU。

8.根据权利要求7所述的智能相控断路器，其特征在于，所述主控单元为FPGA主控单元。

9.根据权利要求7所述的智能相控断路器，其特征在于，所述主控单元通过PCIe总线与所述主控CPU连接。