CN104967147B - 一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，包括电流相位传感器、信号采集处理模块、CPU模块、分闸相位设定模块，电流相位传感器的输出信号传给信号采集处理模块，信号采集处理模块将其转换成数字量信号后，传递给CPU模块，CPU模块用于对电流相位传感器的输出信号进行分析处理，实时判别电网中的电流相位并发出控制信号，并与分闸相位设定模块设定的分闸相位值进行比对，从而控制断路器分闸，使微电网正常离网。本发明一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，用于在正常或故障时，将微电网可靠地从大电网中切除，并避免大电网的波动。
Description
技术领域
本发明一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，用于在微电网或分布式电源离网时对其进行精密的控制，保证电网的安全稳定运行。
背景技术
分布式新能源发电和微电网技术的发展给电网带来了新的生机，为开发清洁能源、发展绿色电网开辟了新的途径。近年来，分布式新能源发电技术和微电网技术得到了越来越多的重视，也取得了不少成果。然而，微电网的并网或离网也给电力系统带来了新的问题。如何保证微电网并网或离网时不会对大电网造成影响是研究的难点和关键点。其中，微电网并离网时的精密控制系统是防止大电网波动和故障的关键设备之一。微电网离网时，要求在电流过零的时候准确地断开断路器，从而避免电弧或过电压的产生，引发大电网的波动，因此需要对微电网的电流过零点进行准确地监测，从而精密地控制微电网的离网。
发明内容
本发明提供一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，用于在正常或故障时，将微电网可靠地从大电网中切除，并避免大电网的波动。该系统采用带补偿线匝的电流传感器，对微电网中的电流进行准确地检测，采用点积的方法判断电流过零点，并依据此过零点对微电网的离网进行精确控制，提高了电网运行的可靠性。
本发明所采用的技术方案是：
一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，包括电流相位传感器、信号采集处理模块、CPU模块、分闸相位设定模块。电流相位传感器的输出信号传给信号采集处理模块，信号采集处理模块将其转换成数字量信号后，传递给CPU模块，CPU模块用于对电流相位传感器的输出信号进行分析处理，实时判别电网中的电流相位并发出控制信号，并与分闸相位设定模块设定的分闸相位值进行比对，从而控制断路器分闸，使微电网正常离网。
所述CPU模块实时对电流相位传感器的输出数据进行动态存储和分析，并对下一采样点的数据进行动态预测，从而提前预知分闸相位点并发出分闸指令，CPU模块采用基于改进粒子群优化小波包-BP神经网络的电流相位动态预测方法。有效提高了相位预测的准确度。动态预测结合分闸控制的方法，有效解决了传统依据实时采样值判断分闸相位存在的延时问题，实现了分闸相位的精确判断和控制。
所述CPU模块连接功率放大模块，功率放大模块用于对CPU模块的输出控制信号进行功率放大。CPU模块的控制信号由I/O口输出，其驱动能力较小，因此需要通过功率放大模块进行功率放大后，才能进一步驱动微电网分闸。
所述CPU模块连接状态显示模块，状态显示模块用于显示设定的分闸相位、实际分闸相位、分闸时电流值等信息。方便操作人员实时查看。CPU模块对状态显示模块显示的信息进行控制。
分闸相位设定模块用于设定微电网离网时的相位，用户可根据需要对相位进行合理的调整。
电流相位传感器通过4个螺线管、4个补偿线匝首尾相连构成，4个螺线管固定在支撑板上，并通过设置在支撑板上的输出端子实现传感器信号的输出。
所述每一个螺线管的支撑材料、绕线密度相同，每两个螺线管之间由一个补偿线匝连接起来。在支撑板上、下表面覆铜，构成覆铜导线，上表面的覆铜导线与下表面的覆铜导线通过过孔相连，构成一个补偿线匝。补偿线匝的存在大大提高了传感器的准确度，降低了因电流相位传感器偏心、倾斜等因素造成的影响。
所述支撑板为环氧树脂板。所述螺线管的支撑材料为环氧树脂制作而成的圆柱体，两端为方形，上面设置有固定孔，方便固定在支撑板上。螺线管外表面均匀缠绕漆包线。绕线时，直接从左到右依次绕线即可，故而与常用的圆环形线圈相比，其绕制过程更加简单，也更容易使绕线分布均匀。
本发明一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，技术效果如下：
1)、电流相位传感器采用4个独立的螺线管加补偿线匝的形式，大大提高了测量的准确度，降低了因电流相位传感器偏心、倾斜等因素造成的影响。
2)、螺线管支撑材料采用环氧树脂制成圆柱体形状。螺线管侧面看为一条直线，绕线时延直线方向缠绕，故而绕制起来与常用的圆环形线圈相比，其绕制过程更加简单，绕线的分布也更加均匀，保证了测量的准确性。螺线管两端为方形，上面有固定孔，方便固定在支撑板上。
3)、补偿线匝在支撑板上利用覆铜技术实现。当在支撑板上下表面分别覆铜构成导线后，可利用过孔将上下表面的覆铜导线相连，构成补偿线匝。补偿线匝实际上为一种印刷电路板形式的线圈，制作工艺简单可靠。
4)、CPU模块对电流相位传感器的输出数据进行动态存储和分析，并对下一采样点的数据进行动态预测，从而提前预知分闸相位点并发出分闸指令，解决了传统方式依据实时采样值判断分闸相位而存在的延时问题，实现了分闸相位的精确判断和控制。CPU模块采用基于改进粒子群优化小波包-BP神经网络的电流相位动态预测方法，有效提高了相位预测的准确度。
5)、本发明一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，其控制相位精度高，误差小于0.1％，程序执行时间小于10微秒。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为改进粒子群优化小波包-BP神经网络算法流程图。
图3为本发明中电流相位传感器的结构示意图。
图4为本发明中单一螺线管的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，包括电流相位传感器、信号采集处理模块、CPU模块、分闸相位设定模块，电流相位传感器的输出信号传给信号采集处理模块，信号采集处理模块将其转换成数字量信号后，传递给CPU模块，CPU模块用于对电流相位传感器的输出信号进行分析处理，实时判别电网中的电流相位并发出控制信号，并与分闸相位设定模块设定的分闸相位值进行比对，从而控制断路器分闸，使微电网正常离网。
所述CPU模块实时对电流相位传感器的输出数据进行动态存储和分析，并对下一采样点的数据进行动态预测，从而提前预知分闸相位点并发出分闸指令，CPU模块采用基于改进粒子群优化小波包-BP神经网络的电流相位动态预测方法，其流程图如图2所示。标准粒子群算法公式如下：
zid为第i个粒子的位置，vid为第i个粒子的速度，pid为粒子搜索到的最优位置，pgd为种群搜索到的最优位置。j为迭代次数；a1、a2为学习因子；b1、b2为随机数；ω为权重。在每次迭代中，粒子更新速度和位置为：
为了算法达到更好的效果，采用基于自适应调整的惯性权重方法，计算方法如下：
其中fa和fmin分别为平均、最小适应值；α1、α2为权重调整系数。
所述CPU模块连接功率放大模块，功率放大模块用于对CPU模块的输出控制信号进行功率放大。
所述CPU模块连接状态显示模块，状态显示模块用于显示设定的分闸相位、实际分闸相位、分闸时电流值等信息；CPU模块对状态显示模块显示的信息进行控制。
所述信号采集处理模块由信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元等部分构成。信号滤波单元采用RC无源滤波器构成。信号放大单元采用精密运算放大器OPA2227构成。模数转换单元采用高精度A/D转换芯片ADS1278构成，其转换误差小于十万分之一。
所述分闸相位设定模块用于设定分闸相位，用户可根据需要对相位进行合理的调整。相位设定后，CPU模块会根据相位设定值和电流相位传感器的输出值进行综合判断。当电流相位传感器输出值与设定值一致时，CPU模块控制微电网离网。
所述CPU模块由Altera公司的Cyclone II EP2C5T144系列FPGA构成核心处理单元，用于控制信号采集处理模块的采集时间和采集过程，并将信号采集处理模块的输出信号进行分析处理，给出相应的控制信号。CPU模块的控制信号由I/O口输出，其驱动能力较小，因此需要通过功率放大模块进行功率放大后，才能进一步驱动微电网分闸。
如图3、图4所示，所述电流相位传感器通过4个螺线管1、4个补偿线匝2首尾相连构成，4个螺线管1固定在支撑板3上，并通过设置在支撑板3上的输出端子4实现传感器信号的输出。所述每一个螺线管1的支撑材料、绕线密度相同，每两个螺线管1之间由一个补偿线匝2连接起来。在支撑板3上、下表面覆铜，构成覆铜导线5，上表面的覆铜导线与下表面的覆铜导线通过过孔6相连，构成一个补偿线匝2。图3的覆铜导线5中，实线表示覆铜处于支撑板3上方，虚线表示覆铜处于支撑板3下方。
所述支撑板3为环氧树脂板。支撑板3上共设有4个补偿线匝2，用以补偿电流相位传感器因偏心、倾斜等因素造成的误差。原来的4个独立的螺线管1两两之间存在空隙，如果没有补偿线匝2，其测量误差增大，将会影响测量结果。加上补偿线匝2之后，其误差大大降低，补偿效果由表1中结果可以看出。
表1 补偿线匝补偿效果数据
| 测量电流(A) | 无补偿时误差(％) | 加入补偿线匝后误差(％) |
| 50 | 0.134 | 0.024 |
| 100 | 0.080 | 0.016 |
| 200 | 0.048 | 0.012 |
| 500 | 0.042 | 0.014 |
所述螺线管1的支撑材料7为环氧树脂制作而成的圆柱体，两端为方形，上面设置有固定孔8，螺线管1外表面均匀缠绕漆包线。由于螺线管1缠绕时可从左向右或从右向左顺序缠绕，故而与常用的圆环形线圈相比，其绕制过程更加简单，也更容易使绕线分布均匀。缠绕的漆包线直径为0.1mm，每个螺线管绕线的匝数为500匝。
本发明一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，采用特殊设计的电流相位传感器对微电网离网时的电流相位进行准确测量，并通过CPU模块控制微电网的离网，有效保证了微电网离网时的电网运行可靠性，防止微电网离网时对主电网造成的影响。本发明提供的精密选相分闸控制系统，其控制相位精度高，程序执行时间小于10微秒。表2给出了本发明一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统的分闸相位测试结果。表2中的测试结果表明，该精密选相分闸控制系统可准确根据设定的相位控制分闸，误差小于0.1％。
表2 精密选相分闸控制系统测试结果
| 设定相位 | 实际分闸相位 |
| 360 | 360.010 |
| 180 | 180.004 |
| 90 | 90.004 |
| 15 | 15.003 |
| 2.5 | 2.502 |
| 0 | 0.001 |
Claims (4)
1.一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，包括电流相位传感器、信号采集处理模块、CPU模块、分闸相位设定模块，其特征在于，电流相位传感器的输出信号传给信号采集处理模块，信号采集处理模块将电流相位传感器的输出信号转换成数字量信号后，传递给CPU模块，CPU模块用于对电流相位传感器的输出信号进行分析处理，实时判别电网中的电流相位并发出控制信号，并与分闸相位设定模块设定的分闸相位值进行比对，从而控制断路器分闸，使微电网正常离网；
所述电流相位传感器通过4个螺线管（1）、4个补偿线匝（2）首尾相连构成，4个螺线管（1）固定在支撑板（3）上，并通过设置在支撑板（3）上的输出端子（4）实现传感器信号的输出，所述每一个螺线管（1）的支撑材料、绕线密度相同，每两个螺线管（1）之间由一个补偿线匝（2）连接起来，在支撑板（3）上、下表面覆铜，构成覆铜导线（5），上表面的覆铜导线与下表面的覆铜导线通过孔（6）相连，构成一个补偿线匝（2），所述支撑板（3）为环氧树脂板，所述螺线管（1）的支撑材料（7）为环氧树脂制作而成的圆柱体，两端为方形，上面设置有固定孔（8），螺线管（1）外表面均匀缠绕漆包线。
2.根据权利要求1所述一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，其特征在于，所述CPU模块实时对电流相位传感器的输出数据进行动态存储和分析，并对下一采样点的数据进行动态预测，从而提前预知分闸相位点并发出分闸指令，CPU模块采用基于改进粒子群优化小波包-BP神经网络的电流相位动态预测方法。
3.根据权利要求1所述一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，其特征在于，所述CPU模块连接功率放大模块，功率放大模块用于对CPU模块的输出控制信号进行功率放大。
4.根据权利要求1所述一种微电网离网时的精密选相分闸控制系统，其特征在于，所述CPU模块连接状态显示模块，状态显示模块用于显示设定的分闸相位、实际分闸相位、分闸时电流值信息；CPU模块对状态显示模块显示的信息进行控制。
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