CN109801815A - 一种新型高压断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高压断路器及其控制方法，新型高压断路器主要包括测量单元、DSP控制单元、驱动单元、逆变单元、无刷直流电机和高压断路器操动机构单元；控制方法包括以下步骤：对观测器改进使其具有扰动估计能力，从而实现对抗扰跟踪控制。本实施例提供的一种新型高压断路器及其控制方法，为实现高压断路器运动特性控制。对操动机构的数学描述存在一定的非精确部分，操动机构复杂系统存在非线性部分，同时在不同线路电流时，操动机构分合闸受到电动力不同，这些都将影响对操作机构的控制。将上述部分定义为扰动，通过改进控制策略对扰动进行观测与估计，通过反馈实现扰动消除，最终实现高压断路器运动过程性能要求的控制目标。

Description

一种新型高压断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及高压断路器技术领域，具体为一种新型高压断路器及其控制方法。

背景技术

高压断路器是电力系统中最重要电力设备之一，对电网起到控制和保护作用，即正常的投退相关电气设备以及故障时配合保护及自动装置切除故障。高压断路器保护的设备价值高，同时应保证切除故障的及时性，防止故障范围扩大，保证电网正常运行。高压断路器的全部使命，归根结底是体现在高压断路器触头的分合动作上，而分合动作又是通过操动机构来实现的。操动机构工作性能对高压断路器快速、高效分合闸操作起到决定性作用。因而研制新型操动机构一直是提高高压断路器可靠运行能力的首要考虑因素。

现有技术提供的高压断路器有以下两个缺点：第一、高压断路器传统操动机构有电磁、弹簧、气动和液压等，这些操动机构结构复杂、零件多以及多个传动机构间存在非线性关系，由此设计的系统建模数学描述不精确，进一步由此系统设计的控制器，其响应时间分散性大，导致动态控制特性不理想；第二、高压断路器在电网不同工作状态下(例如空载、轻载、负荷变化、短路故障等)，开断时受到的电动力不同，导致运行实际电路参数不同，高压断路器所需开断能力是不相同的。但目前国内外现有的高压断路器大部分是按预定设计的一种分闸方式，开断条件不同其负载分闸特性也不相同的。这些均可看作为系统的扰动，传统控制方法难以实现良好的动态控制特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型高压断路器及其控制方法，以克服背景技术中提到的两个缺点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种新型高压断路器，包括检测单元、DSP控制单元、驱动单元、逆变单元、无刷直流电机和高压断路器操动机构；

所述检测单元电连接于所述DSP控制单元，所述DSP控制单元电连接与所述驱动单元单元，所述驱动单元单元电连接于所述逆变单元，所述逆变单元器输出电流给无刷直流电机，所述无刷直流电机驱动连接于所述高压断路器操动机构；

所述高压断路器操动机构包括连接在所述无刷直流电机的输出端上的转轴、连接所述转轴的拐臂、连接所述拐臂的触头弹簧、连接所述触头弹簧的绝缘拉杆、连接所述绝缘拉杆的三角拐臂和连接所述三角拐臂的用于触碰静触头的动触头；

所述转轴连接有测量其电机转速和转子位置的光电编码器，所述动触头连接有测量其位置的直线位移传感器，所述逆变输出部分连接有测量电流的霍尔电流传感器。所述光电编码器、直线位移传感器以及霍尔电流传感器构成的检查单元电连接于所述电机控制单元；

所述电机控制单元接收所述光电编码器的数据、所述直线位移传感器和所述霍尔电流传感器的数据，根据接收的数据控制所述驱动单元发出脉冲信号，从而控制所述逆变单元的输出电流大小，以驱动无刷直流电机带动所述动触头运动，实现高压断路器分合闸。

可选的，所述逆变单元包括储能电容、逆变器和IGBT触发模块；

所述储能电容电连接于所述逆变器的输入端，所述驱动信号模块电连接于所述逆变器各IGBT模块的输入端，所述逆变器的输出端电连接于所述无刷直流电机。

可选的，所述无刷直流电机能安装有光电编码器、霍尔电流传感器、直线位移传感器；

所述光电编码器用于测量所述无刷直流电机的转速和转子位置，所述霍尔电流传感器用于测量所述无刷直流电机的电流，所述直线位移传感器用于测量所述断路器动触头的位置；根据检测信号所述驱动单元发出不同脉冲信号，控制逆变器IGBT通断实现驱动所述无刷直流电机以实现操动机构的分合闸。

可选的，所述电机检测控制单元包括检测单元、DSP控制单元、驱动单元，所述检测单元、驱动单元分别电连接于所述DSP控制单元。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于控制如上所述的新型高压断路器的控制方法，包括以下步骤：

对观测器进行改进，将系统中的参数非精确部分、非线性部分以及不同工作状态下参数变化部分统一定义为系统扰动部分并进行观测估计，最终实现抗扰及跟踪反馈控制。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本实施例提供的一种新型高压断路器及其控制方法，为实现高压断路器运动特性的良好控制，通过基于改进观测器设计实现抗扰抑制与跟踪控制，将系统非精确部分、非线性部分以及不同工作状态下电路参数变化的部分定义为扰动，通过改进控制策略对扰动进行观测与估计，通过负反馈实现扰动消除，从而实现控制目标。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种新型高压断路器的系统设计图。

图2为本发明实施例提供的一种新型高压断路器的控制方法流程图。

图3为本发明实施例提供的一种新型高压断路器的控制方法原理图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种新型高压断路器，包括检测单元、DSP控制单元，驱动单元、无刷直流电机和高压断路器操动机构。

所述电机控制单元电连接于所述驱动单元，所述驱动单元电连接于所述逆变器，所述逆变器输出连接与所述无刷直流电机，所述无刷直流电机驱动连接于所述高压断路器操动机构。

所述高压断路器操动机构包括连接在所述无刷直流电机的输出端上的转轴、连接所述转轴的拐臂、连接所述拐臂的触头弹簧、连接所述触头弹簧的绝缘拉杆、连接所述绝缘拉杆的三角拐臂和连接所述三角拐臂的用于触碰静触头的动触头。

所述转轴连接有测量其电机转速和转子位置的光电编码器，所述动触头连接有测量其位置的直线位移传感器，所述逆变输出部分连接有测量电流的霍尔电流传感器。所述光电编码器、直线位移传感器以及霍尔电流传感器构成的检查单元电连接于所述电机控制单元。

所述电机控制单元接收所述光电编码器的数据、所述直线位移传感器和所述霍尔电流传感器的数据，根据接收的数据控制所述驱动单元发出脉冲信号，从而控制所述逆变单元的输出电流大小，以驱动无刷直流电机带动所述动触头运动，实现高压断路器分合闸。具体的，通过PWM波信号控制电机的电流和速度，实现对操动机构的动触头控制，进而实现高压断路器分合闸运动过程的全程控制要求。

具体的，其操动机构的特点是其将数字控制技术与可靠、成熟的电机相结合，由操动机构控制直接控制合分间的高压断路器驱动机构，此控制技术具有结构简单和工作可靠性高等优点，能有效针对传统操动机构的多机构传动环节导致难以控制的缺点。

进一步的，所述逆变单元单元包括储能电容、逆变器和IGBT触发模块。

所述储能电容电连接于所述逆变器的输入端，所述驱动信号模块电连接于所述逆变器各IGBT模块的输入端，所述逆变器的输出端电连接于所述无刷直流电机。

通过电容储能，相比于传统的电磁、弹簧、气动或液压等方式，能够更加快速、有效、安全的实现分合闸功能。

进一步的，所述无刷直流电机能安装有光电编码器、霍尔电流传感器、直线位移传感器。

所述光电编码器用于测量所述无刷直流电机的转速和转子位置，所述霍尔电流传感器用于测量所述无刷直流电机的电流，所述直线位移传感器用于测量所述断路器动触头的位置；根据检测信号所述驱动单元发出不同脉冲信号，控制逆变器IGBT通断实现驱动所述无刷直流电机以实现操动机构的分合闸。

实施例二

本发明实施例提供了一种用于控制如上所述的新型高压断路器的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，基于已知非精确描述系统，设计观测器，对其进行极点配置，使得其满足赫尔维茨稳定；

步骤S2，将系统中的参数非精确部分、非线性部分以及不同工作状态下参数变化部分三者统一作为系统扰动部分并进行观测估计，针对该扰动部分进行反馈控制。

需要说明的是，采用基于改进观测器的抗扰控制策略，此抗扰控制是一种多通道二元控制，具有良好的跟踪和抗扰能力，它能够使被控量精准、快速和经济的跟踪指令，同时能够使系统在存在扰动的影响下稳定运行。

针对步骤S1，针对给定参数系统采用传统经典状态反馈控制，即对观测器而言，通过进行观测器极点配置，设计使得满足赫尔维茨稳定。与此同时在选择合理的参数时能使其有良好的动态过程，采用状态反馈控制率对控制系统进行极点配置，将系统极点配置在期望稳定处。以上是针对系统给定参数的传统状态反馈控制设计，它是一种不含扰动的理想精确系统设计方案，针对系统参数不精确、系统非线性特性以及系统运行方式的不确定部分，传统状态反馈不能实现良好的估计和反馈。

因此，在步骤S1的基础上，进一步提出了步骤S2。具体的，步骤S2的重点是采用改进观测器对系统的总扰动进行估计并实现反馈。

定义系统总扰动f，此扰动包含系统的内部扰动和外部扰动，即系统自身参数不精确部分、非线性部分和外部运行方式不确定部分。传统观测器在无扰动设计时可实现良好的观测及控制，但由于扰动的存在，此时设计的观测器不能观测出系统实际输出，其观测值与实际输出值y的误差是由系统扰动导致的。通过对经典观测器设计增加修正量从修正量可以看出，观测器输出未跟踪到实际输出值y的原因是扰动的存在。也就说明系统的扰动信息在误差当中也是有体现的，通过对误差中的不确定性信息提取来得到扰动。通过类似于消除静态误差，对此误差进行积分，得到的即为扰动，将此部分反馈到系统中，即可消除系统扰动，此即为添加的辅助系统部分。最终可实现高压断路器良好的动态特性控制。

进一步的，r是输入量，u是控制量，f(X，t)即为系统扰动部分，观测器可观测出和分别是观测器计算得出的量，其中，K和C为常数矩阵。辅助系统是一个积分器，通过对误差e的积分，得到反馈

此外，基于改进观测器抗扰控制是在不改变原有观测器控制的基础上实现抗扰，通过增加辅助系统模块，实用价值强，同时观测器设计利用给定参数的系统模型设计，与实际系统相比扰动总量较小，其带宽要求得到降低，符合经济实用性。

综上所述，本申请实施例提供的一种新型高压断路器及其控制方法，为实现高压断路器运动特性的良好控制，通过基于改进观测器设计实现抗扰抑制与跟踪控制，将系统非精确部分、非线性部分以及不同工作状态下电路参数变化的部分定义为总扰动，通过改进控制策略对总扰动进行观测与估计，通过负反馈实现扰动消除，从而实现断路器运动性能控制目标。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种新型高压断路器，其特征在于，主要包括检测单元、DSP控制单元、驱动单元单元、逆变单元、无刷直流电机和高压断路器操动机构；

所述检测单元电连接于所述DSP控制单元，所述DSP控制单元电连接与所述驱动单元单元，所述驱动单元单元电连接于所述逆变单元，所述逆变单元器输出电流给所述无刷直流电机，所述无刷直流电机驱动连接于所述高压断路器操动机构；

所述高压断路器操动机构包括连接在所述无刷直流电机的输出端上的转轴、连接所述转轴的拐臂、连接所述拐臂的触头弹簧、连接所述触头弹簧的绝缘拉杆、连接所述绝缘拉杆的三角拐臂和连接所述三角拐臂的用于触碰静触头的动触头；

所述转轴连接有测量其电机转速和转子位置的光电编码器，所述动触头连接有测量其位置的直线位移传感器，所述逆变输出部分连接有测量电流的霍尔电流传感器。所述光电编码器、直线位移传感器以及霍尔电流传感器分别电连接于所述电机控制单元；

所述电机控制单元接收所述光电编码器的数据、所述直线位移传感器和所述霍尔电流传感器的数据，根据接收的数据控制所述驱动单元发出脉冲信号，从而控制所述逆变单元的输出电流大小，以驱动无刷直流电机带动所述动触头运动，实现高压断路器分合闸。

2.根据权利要求1所述的一种新型高压断路器，其特征在于，所述逆变单元包括储能电容、逆变器和驱动信号模块；

所述储能电容电连接于所述逆变器的输入端，所述驱动信号模块电连接于所述逆变器各IGBT模块的输入端，所述逆变器的输出端电连接于所述无刷直流电机。

3.根据权利要求1所述的一种新型高压断路器，其特征在于，所述无刷直流电机安装有电机转速和转子位置的光电编码器、霍尔电流传感器和直线位移传感器；

所述光电编码器器用于测量所述无刷直流电机的转速和转子位置，所述霍尔电流传感器用于测量所述无刷直流电机的电流，所述直线位移传感器用于测量所述断路器动触头的位置；

根据所述转子转速位置、电流和开关到位的不同，所述检测单元控制驱动单元驱动逆变器IGBT模块通断，实现控制所述无刷直流电机以实现操动机构控制高压断路器分合闸。

4.根据权利要求1所述的一种新型高压断路器，其特征在于，所述电机检测控制单元包括检测单元、DSP控制单元、驱动单元，所述检测单元、驱动单元分别电连接于所述DSP控制单元。

5.一种用于控制如权利要求1至4中任意一项所述的新型高压断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对观测器进行改进，将系统中的参数非精确部分、非线性部分以及不同工作状态下参数变化部分统一定义为系统扰动部分并进行观测估计，最终实现抗扰及跟踪反馈控制。