CN107492897A - 用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统及工作方法 - Google Patents
用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统及工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统及工作方法,本发明涉及一种同步开关的控制领域。智能电容器一般采用复合开关的方案来减小电容器的投入涌流和切除拉弧，由于可控硅本身质量的良莠不齐，而且可控硅的耐压要求又比较高，导致复合开关屡次发生质量问题。本发明包括：信号检测模块；时基定位模块；继电器电压过零点投入计算模块；继电器投入延时跟踪模块；继电器投入延时逼近模块；继电器切除延时模糊逼近模块。本技术方案实时跟踪同步继电器的投入延时，把温度和投入延时进行拟合，达到电压过零点投入目的；采用本技术方案的继电器动作延时精准度可以在100us以内；时同步开关的涌流可以控制在2.3倍以内，可同于电子开关的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步开关的控制领域 ，尤其指用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统及工作方法。
背景技术
智能电容器在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。智能电容器一般采用复合开关的方案来减小电容器的投入涌流和切除拉弧；复合开关采用继电器加可控硅的模式，可以很好的抑制涌流，但是因为可控硅本身质量的良莠不齐，而且可控硅的耐压要求又比较高，导致复合开关屡次发生质量问题；复合开关中可控硅的价格偏高，导致智能电容器价格高居不下。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统及工作方法，以达到兼顾抑制涌流和成本目的。为此，本发明采取以下技术方案。
用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统，包括：
信号检测模块：与同步开关相连，用于检测同步开关两端信号以获取过零脉冲信号及同步开关动作情况；
时基定位模块：与信号检测模块相连，通过实时查询以获取高精度的时基定位信息；
继电器电压过零点投入计算模块：根据信号检测模块获得的电压过零点信息，计算继电器的延时，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间，以等到下个电压过零点刚好投入；
继电器投入延时跟踪模块：从每次投入波形中进行分析，剥离出上一次继电器投入延时具体值，从而对每个继电器的投入延时进行实时跟踪，使得继电器电压过零投入；
继电器投入延时逼近模块：采用最小二乘法将投入延时和环境温度进行拟合形成三阶曲线，根据当前温度，计算出最接近当前的继电器投入延时， 温度和投入延时的数据根据运行数据实时更新，使投入延时逼近真实值；
继电器切除延时模糊逼近模块：通过继电器切除延时模糊逼近模块，检测拉弧的时间长度，根据拉弧的时间长度，逐次逼近继电器的切除延时时间。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
所述的信号检测模块包括信号检测电路；所述的信号检测电路包括光耦合器，光耦合器的两输入端与同步开关两端相连，光耦合器的输出端与控制器相连以输出同步开关两端信号，光耦合器之同步开关之间设有电阻R1。
进一步的，所述的光耦合器为双向光耦合器，所述的同步开关为同步开关继电器的常开触点。
本发明的另一个目的是提供同步开关动作延时跟踪方法，同步开关动作延时跟踪方法包括以步骤：
1）信号检测：检测同步开关两端信号，获取过零脉冲信号及同步开关动作情况；
2）时基定位：实时查询信号检测数据，获取高精度的时基定位信息；
3）继电器延时投入；
301）计算继电器过零信号脉冲宽度；
302)电压过零点投入计算：根据继电器过零信号脉冲宽度、信号检测获得的电压过零点信息，计算继电器投入延时时间，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间；
303）以脉宽下降沿作为相对起始时间，根据预算的继电器投入点到下一个电压过零点的时间，给出继电器投入信号；在经过投入时间后，继电器投入；
304）继电器投入延时跟踪，从每次投入波形中进行分析，剥离出上一次继电器投入延时具体值，计算继电器投入点前上升沿与相对起始点的时间差值，对每个继电器的投入延时进行实时跟踪，使得继电器电压过零投入；
305）判断时间差值是否在设定区间内，若时间差值在设定区间内，则结束；否则对投入延时进行修正，新的投入延时为继电器信号给出点与继电器投入点前上升沿的时间差；
4）继电器延时切除；
401）计算UBC过零信号脉冲宽度；
402) 计算继电器切除延时时间,并根据UBC过零信号脉冲宽度、相位差，预算继电器切除点的时间；
403）以脉宽下降沿作为相对起始时间，在预算的继电器切除点时间给出继电器切除信号；在经过切除时间后，继电器切除；
404）继电器切除延时跟踪，计算切除信号给出与继电器光耦下降沿之间的时间差值；
405）判断时间差值是否超过设定值，若时间差值小于设定值，则结束；若时间差值超出设定值，则对切除延时进行修正，进入下一步406）；
406）继电器切除延时模糊逼近：检测拉弧的时间长度，根据拉弧的时间长度，逐次逼近继电器的切除延时时间。
进一步的，在步骤302）计算继电器投入延时时间时，进行投入延时继电器投入延时逼近：采用最小二乘法将投入延时和环境温度进行拟合形成三阶曲线，根据当前温度，计算出最接近当前的继电器投入延时，温度和投入延时的数据根据运行数据实时更新，使投入延时逼近真实值。
进一步的，信号检测通过信号检测模块获取检测信号；信号检测模块包括光耦合器，光耦合器的两输入端与同步开关两端相连，光耦合器的输出端与控制器相连以输出同步开关两端信号，光耦合器之同步开关之间设有电阻R1。
进一步的，所述的光耦合器为双向光耦合器，所述的同步开关为同步开关继电器的常开触点。
进一步的，在步骤302）中，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间为20ms-继电器过零信号脉冲宽度/2-投入延时，其中投入延时包括继电器投入延时、程序运行延时。
进一步的，在步骤402）中，预算继电器切除延时时间为当前延时值+500us，跟踪逼近，使新延时值更加逼近于继电器本身切除延时值。
有益效果：本技术方案实时跟踪同步继电器的投入延时，把温度和投入延时进行拟合， 利用最小二乘法对动作延时进行精准的计算，达到电压过零点投入目的；利用继电器切除延时模糊逼近技术达到电流过零点切除的目的；目前继电器动作延时精准度可以在100us以内；时同步开关的涌流可以控制在2.3倍以内，可同于电子开关的效果。
附图说明
图1是本发明原理图。
图2是本发明的信号检测电路图。
图3是本发明的投切光耦模拟波形图。
图4是本发明的继电器投入计算图。
图5是本发明的继电器切除计算图。
图6是本发明的继电器投入流程图。
图7是本发明的继电器切除流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括：
信号检测模块：与同步开关相连，用于检测同步开关两端信号以获取过零脉冲信号及同步开关动作情况；
时基定位模块：与信号检测模块相连，通过实时查询以获取高精度的时基定位信息；
继电器电压过零点投入计算模块：根据信号检测模块获得的电压过零点信息，计算继电器的延时，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间，以等到下个电压过零点刚好投入；
继电器投入延时跟踪模块：从每次投入波形中进行分析，剥离出上一次继电器投入延时具体值，从而对每个继电器的投入延时进行实时跟踪，使得继电器电压过零投入；
继电器投入延时逼近模块：采用最小二乘法将投入延时和环境温度进行拟合形成三阶曲线，根据当前温度，计算出最接近当前的继电器投入延时， 温度和投入延时的数据根据运行数据实时更新，使投入延时逼近真实值；
继电器切除延时模糊逼近模块：通过继电器切除延时模糊逼近模块，检测拉弧的时间长度，根据拉弧的时间长度，逐次逼近继电器的切除延时时间。
其中，信号检测模块包括信号检测电路；如图2所示，所述的信号检测电路包括光耦合器，光耦合器的两输入端与同步开关两端相连，光耦合器的输出端与控制器相连以输出同步开关两端信号，光耦合器之同步开关之间设有电阻R1。所述的光耦合器为双向光耦合器，所述的同步开关为同步开关继电器的常开触点。
图中，K1为同步开关继电器，U3为双向光耦，通过上述电路，可以在单片机中检测UZero+信号；此信号过零脉冲波形如图3所示。
同步开关动作延时跟踪技术针对继电器的动作延时离散型比较大，导致继电器投入过零点不准的现象，本技术方案实时跟踪每次继电器的动作时间，无限接近实际动作时间。
本发明的具体技术方案采用：
1.高精度时基定位技术；
目前同步开关投入涌流比较大，大约6倍以上，比复合开关（继电器+可控硅）的涌流大出很多；出现这个原因，跟选择的时基不准有很大的关系；一般方案采用晶振12M低速单片机，只能利用定时中断方式来处理动作延时，定时延时的间隔一般在500us以上，导致投入点和电压过零点之间误差比较大；
我们采用32位，100M处理器,运算速度达到10ns左右，并且运用实时查询取代中断方式，使我们电压过零点计算精度1us以上；因为采用高精度时基定位技术，开关的投入涌流可控制在2.3倍以内。
2.继电器电压过零点投入技术；
采用双向光耦监测电路，检测继电器两端的电压过零点；此电路硬件原理简单可靠，成本低廉；利用精准的软件算法，计算出继电器的延时,程序运行延时和其他误差，预算出继电器投入点到下一个电压过零点的时间；即在20ms 减去继电器投入延时减去程序运行延时再减去其他误差所得的时间，等到下个电压过零点刚好投入，到达电压过零点投入的目的。
3.继电器投入延时跟踪技术；
同步继电器本身是机械开关，继电器投切延时离散性比较大；目前大部分采用的是固定继电器投切延时的方法，为了保证继电器能在电压过零点投入，需要从大量的继电器中挑选合格的继电器；这样使得继电器的过零投切很难保证。即使出厂继电器过零比较准确，但是因为继电器随着投切次数的增加，继电器器的投入延时也会随着使用的时间而变化，导致继电器涌流变大；为了解决此问题我们采用继电器投入延时跟踪技术，从每次投入波形中进行分析，剥离出上一次继电器投入延时具体值，从而对每个继电器的投入延时进行实时跟踪，不用专门挑选继电器的延时一致性，就可以达到继电器电压过零投入的目的。
4.继电器投入延时逼近技术；
因为继电器的动作时间随温度有所变化；目前同步开关只是做简单的温度补偿，但是每个继电器对于温度的敏感程度不一致，这样也会使投入过零点不准确，导致涌流增大；所以采用最小二乘法来计算投入延时。最小二乘法（generalized least squares）是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。 最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平方之和为最小。 最小二乘法通常用曲线拟合的方式来取得事件真实的目的。我们采用最小二乘法将投入延时和环境温度进行拟合形成三阶曲线，根据当前温度，计算出最接近当前的继电器投入延时， 温度和投入延时的数据根据运行数据实时更新，让投入延时更能逼近真实值。
5.继电器切除延时模糊逼近技术；
因为继电器的切除拉弧，继电器的切除延时不好准确跟踪；目前技术只是采用固定的切除时间，导致继电器触点拉弧，因为拉弧继电器触点变得粗糙，这样增加了继电器投入粘连的风险。我们通过继电器切除延时模糊逼近技术， 检测拉弧的时间长度，根据拉弧的时间长度，逐次逼近继电器的切除延时时间。
同步开关动作延时跟踪方法包括以步骤：
S1:信号检测：检测同步开关两端信号，获取过零脉冲信号及同步开关动作情况；
S2:时基定位：实时查询信号检测数据，获取高精度的时基定位信息；
S3:继电器延时投入；继电器延时投入流程如图6所示：
S301:计算继电器过零信号脉冲宽度；
S302: 把脉宽下降沿作为相对起始时间；
S303: 经过(20ms-脉宽/2-投入延时)时间，给出继电器投入信号；继电器投入计算，如图4所示；
S304:经过投入时间后，继电器投入；
S305:计算继电器投入点前上升沿与相对起始点时间差值；
S306:判断差值是否在20220us~20260us范围内，（理论范围为20000us-脉宽~20000us，实际需考虑光耦与电压波形的非一致性因素）；若是，则结束；若否则进入步骤S307；
S307: 新的投入延时为继电器信号给出点与继电器投入点前上升沿的时间差；
S308:结束。
S4:继电器延时切除；继电器切除流程如图7所示；
S401:计算UBC过零信号脉冲宽度；
S402:把UBC光耦下降沿作为相对起始时间；
S403:经过(20ms+相位差-UBC过零信号脉冲宽度/2-切除延时)时间，给出继电器切除信号；继电器切除计算如图5所示；
S404:经过切除时间后，继电器切除；
S405:计算切除信号给出与继电器光耦下降沿之间的时间差值；
S406:判断差值是否超过10ms；（如果切除不准会导致至少10ms的拉弧）；若否，则结束；若是，则进入步骤S407；
S407：切除因为有拉弧所以跟踪采用逼近法，新的切除延时值为当前延时值+500us，新延时值更加逼近于继电器本身切除延时值；S408：结束。
以上图1-7所示的用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统及工作方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。
Claims (10)
1.用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统，其特征在于包括：
信号检测模块：与同步开关相连，用于检测同步开关两端信号以获取过零脉冲信号及同步开关动作情况；
时基定位模块：与信号检测模块相连，通过实时查询以获取高精度的时基定位信息；
继电器电压过零点投入计算模块：根据信号检测模块获得的电压过零点信息，计算继电器的延时，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间，以等到下个电压过零点刚好投入；
继电器投入延时跟踪模块：从每次投入波形中进行分析，剥离出上一次继电器投入延时具体值，从而对每个继电器的投入延时进行实时跟踪，使得继电器电压过零投入；
继电器投入延时逼近模块：采用最小二乘法将投入延时和环境温度进行拟合形成三阶曲线，根据当前温度，计算出最接近当前的继电器投入延时， 温度和投入延时的数据根据运行数据实时更新，使投入延时逼近真实值；
继电器切除延时模糊逼近模块：通过继电器切除延时模糊逼近模块，检测拉弧的时间长度，根据拉弧的时间长度，逐次逼近继电器的切除延时时间。
2.根据权利要求1所述的用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统，其特征在于：所述的信号检测模块包括信号检测电路；所述的信号检测电路包括光耦合器，光耦合器的两输入端与同步开关两端相连，光耦合器的输出端与控制器相连以输出同步开关两端信号，光耦合器之同步开关之间设有电阻R1。
3.根据权利要求2述的用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统，其特征在于：所述的光耦合器为双向光耦合器，所述的同步开关为同步开关继电器的常开触点。
4.采用权利要求1-3任一权利要求所述的用于智能电容器的同步开关动作延时跟踪系统的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于包括以步骤：
1）信号检测：检测同步开关两端信号，获取过零脉冲信号及同步开关动作情况；
2）时基定位：实时查询信号检测数据，获取高精度的时基定位信息；
3）继电器延时投入；
301）计算继电器过零信号脉冲宽度；
302)电压过零点投入计算：根据继电器过零信号脉冲宽度、信号检测获得的电压过零点信息，计算继电器投入延时时间，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间；
303）以脉宽下降沿作为相对起始时间，根据预算的继电器投入点到下一个电压过零点的时间，给出继电器投入信号；在经过投入时间后，继电器投入；
304）继电器投入延时跟踪，从每次投入波形中进行分析，剥离出上一次继电器投入延时具体值，计算继电器投入点前上升沿与相对起始点的时间差值，对每个继电器的投入延时进行实时跟踪，使得继电器电压过零投入；
305）判断时间差值是否在设定区间内，若时间差值在设定区间内，则结束；否则对投入延时进行修正，新的投入延时为继电器信号给出点与继电器投入点前上升沿的时间差；
4）继电器延时切除；
401）采集系统线电压UBC过零信号；
402) 计算继电器切除延时时间,并根据UBC过零信号、相位差，推算出每相电流过零点，从而预算继电器切除点的时间；
403）以脉宽下降沿作为相对起始时间，在预算的继电器切除点时间给出继电器切除信号；在经过切除时间后，继电器切除；
404）继电器切除延时跟踪，计算切除信号给出与继电器过零信号脉冲宽度之间的时间差值；
405）判断时间差值是否超过设定值，若时间差值小于设定值，则结束；若时间差值超出设定值，则对切除延时进行修正，进入下一步406）；
406）继电器切除延时模糊逼近：检测拉弧的时间长度，根据拉弧的时间长度，逐次逼近继电器的切除延时时间。
5.根据权利要求4所述的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于：在步骤302）计算继电器投入延时时间时，进行投入延时继电器投入延时逼近：采用最小二乘法将投入延时和环境温度进行拟合形成三阶曲线，根据当前温度，计算出最接近当前的继电器投入延时，温度和投入延时的数据根据运行数据实时更新，使投入延时逼近真实值。
6.根据权利要求5所述的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于：信号检测通过信号检测模块获取检测信号；信号检测模块包括光耦合器，光耦合器的两输入端与同步开关两端相连，光耦合器的输出端与控制器相连以输出同步开关两端信号，光耦合器之同步开关之间设有电阻R1。
7.根据权利要求6所述的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于：所述的光耦合器为双向光耦合器，所述的同步开关为同步开关继电器的常开触点。
8.根据权利要求7所述的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于：在步骤302）中，预算继电器投入点到下一个电压过零点的时间为20ms-继电器过零信号脉冲宽度/2-投入延时，其中投入延时包括继电器投入延时、程序运行延时。
9.根据权利要求8所述的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于：在步骤402）中，预算继电器切除点的时间为20ms+相位差-UBC过零信号脉冲宽度/2-切除延时。
10.根据权利要求9所述的同步开关动作延时跟踪方法，其特征在于：在步骤406）中，计算新切除延时时间，新的切除延时时间为当前延时值+500us，跟踪逼近，使新延时值更加逼近于继电器本身切除延时值。
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| 王砼 等: "低压智能电容器自适应过零投切技术的研究", 《电器与能效管理技术》 * |
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