智能式断路器（精选七篇）
智能式断路器 篇1
随着国网公司 “三集五大”建设的快速推进, 新的管理理念和模式对智能变电站提出了更高的要求。基于此, 国网公司提出了建设新一代智能变电站的战略决策, 以实现 “系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保”为特征的新一代智能变电站。变电站内一系列设备需要技术升级, 部分设备需要新研制, 而集成式智能隔离断路器就是需要新研制的最重要的设备之一。
1 设备集成智能化技术要求
新一代智能变电站突破了原有的受制于设备制造水平的设计理念, 首次实现了由以供应商为主导的分专业设计模式向引导设备研制的整体集成设计模式的重大转变。为满足智能变电站的发展需求, 设备应具有小型化、 智能化、集成化、一体化、模块化、免维护、高可靠、节能环保等特征。
2 功能需求分析
根据设备智能化技术要求, 对集成式智能隔离断路器的功能需求进行分析。
2.1 基础功能需求
集成式智能隔离断路器最基础的功能就是开断功能, 即必须具备断路器的全部功能, 合闸时能够通过额定电流, 耐受短时过电流;分闸时能够可靠断开连接, 维持设备间的绝缘;操作或故障时能够根据操作指令关合和开断各种额定和故障电流。简单来说, 集成式智能隔离断路器首先必须是性能卓越的断路器, 并拥有很高的可靠性。
2.2 集成功能需求
常规AIS变电站是把功能相对独立的设备按照一定的接线形式连接到系统中, 设备布置较分散, 配电装置纵向尺寸较长, 整个配电装置占地面积大, 控制系统与设备之间的距离长, 其间的联系电缆长, 运维工作量大。因此, 集成式智能隔离断路器应能实现开关设备功能集约化, 或者说首先要实现传统断路器的功能和隔离开关的功能, 在此基础上再根据变电站的设计要求和主接线来配置集成式电流互感器、接地开关。其集成特点应随电子式互感器、光学互感器技术的进步不断加深, 并最终实现开关间隔单一设备集成断路器、隔离开关、接地开关电流互感器和电压互感器功能, 同时集成各种功能的传感器, 达到智能化一次设备的目标。
2.3 智能化功能需求
智能化是由设备到系统的关键一步, 是在功能完备、充分集成的基础上实现的。其最为主要的特点就是通过智能化一次设备的应用, 打破传统一次设备和二次设备的界限, 实现传统二次智能组件嵌入一次高压设备, 一次高压设备集成二次测量控制等功能。
智能化功能应与集成化功能结合, 建立电子式互感器系统、智能控制系统、状态监测系统。传感器通过感知开关设备本体的各种状态参量 (包括绝缘状态、 机械状态等) , 以数字信号或模拟信号上传至智能组件, 由智能组件将结果发送至上层网络。智能电网系统可根据获取的状态信息, 实现对高压开关设备状态的监测, 进而支撑智能电网的优化运行;同时, 智能电网系统根据观测结果对智能组件发出指令, 智能组件经过逻辑判断后控制操动机构执行分合操作, 达到支持智能电网优化控制的目的。
3 关键技术
3.1 断口绝缘设计技术
根据隔离断路器设计标准要求, 集成式智能隔离断路器断口的绝缘水平必须达到隔离断口要求。与普通隔离开关相比, 集成式智能隔离断路器的隔离断口还要承担灭弧工作, 因此保证隔离断路器断口在开断后依然满足其绝缘水平是集成式智能隔离断路器的核心之一。
3.2 闭锁系统设计技术
集成式智能隔离断路器的闭锁系统是基于安全和与传统设备的操作兼容两方面来考虑的。由于隔离断路器取消了隔离开关, 集成了接地开关, 因此设备状态有了较大改变, 设备机械状态由2个增加到4个, 各个状态对应系统不同的状态, 合理设计的闭锁系统可确保人员安全和防止误操作。此外, 闭锁系统设计还要考虑与其它设备的配合问题, 隔离闭锁系统包括机械闭锁系统和电气闭锁系统。
3.2.1 机械闭锁
机械闭锁包括断路器分闸状态闭锁机构和断路器合闸状态时接地开关的闭锁, 机械闭锁具体要求如图1所示。
3.2.2 电气闭锁
集成式智能隔离断路器电气闭锁要求如下:
(1) 当隔离断路器合闸时, 闭锁装置和接地开关都被锁在分闸位置。
(2) 当隔离断路器分闸、 闭锁装置未启动时, 隔离断路器和闭锁装置均可操作, 但接地开关操作被限制。
(3) 当接地开关分闸、 闭锁装置未启动时, 隔离断路器可操作, 但接地开关操作被限制。
(4) 当隔离断路器分闸、 闭锁装置启动时, 接地开关可操作, 隔离断路器被锁在分闸位置。
(5) 当接地开关合闸时, 闭锁装置和隔离断路器均不能操作。
(6) 当接地开关分闸、 闭锁装置启动时, 隔离断路器被锁在分闸位置, 接地开关可操作。
3.3 电子式互感器集成安装技术
根据隔离断路器的结构特点, 电子式互感器既可集成在断路器顶部, 也可集成在断路器与支柱绝缘子之间, 结构型式可分为分步安装式和整体套装式。
3.3.1 分步安装式
分步安装式即电子式互感器集成于隔离断路器上, 线圈和采集器分开放置。在隔离断路器和支柱套管之间增加一段带上下法兰的导体, 线圈套在该导体上, 线圈上下用绝缘板紧固压实。采集器置于支柱套管顶部的支撑板上, 采用了先进的铝制密封外罩, 达到防电磁干扰和隔热、减震的效果。采集器采集的数据通过光纤传输到合并单元, 光纤采用专用的光纤绝缘子进行绝缘保护。
3.3.2 整体套装式
整体套装式即电子式互感器套装在隔离断路器下接线板上, 电流从中间通过, 光纤通过小的绝缘支柱与地绝缘, 小的绝缘支柱紧密布置在断路器支柱旁边。该方式将互感器同断路器紧密集成, 同时又与断路器相对独立, 便于安装维修。
3.4 智能化集成技术
集成式智能隔离断路器的智能化要求包括数字化测量、网络化控制、状态监测等, 其技术关键是传感器的集成, 主要包括机械特性位移传感器与机构、SF6气体特性传感器与管路、合分闸电流传感器与控制系统、机构控制系统与智能终端的集成;要求实现对SF6气体压力、温度的监测, 并通过监测断路器分合闸的速度、时间和线圈电流波形等机械特性, 为确定断路器的机械寿命提供依据。集成式隔离断路器智能化配置系统如图2所示。
4 设备机构
4.1 基本机构
集成式智能隔离断路器包括三相隔离断路器、1台断路器机构、三相接地开关、1 台接地开关机构、1 套隔离断路器与接地开关的闭锁系统、3台电子式互感器和相关智能组件。
4.2 智能化部分机构
集成式智能隔离断路器是在隔离断路器本体的基础上集成智能监测装置、智能终端、合并单元等。集成了隔离开关、接地开关、电子式互感器、角位移传感器、光传感器、声波传感器、气体传感器、温度传感器等的集成式智能隔离断路器, 可提供接地开关分合闸到位、设备状态、SF6气体压力及温度等多维判据信息, 为开关设备远程操控与全面监视奠定基础, 实现在线监测系统、智能辅助控制系统与断路器常规控制系统的结合与统一。
5 结束语
本文根据国网新一代智能变电站建设要求, 在隔离断路器的基础上, 研究集成接地开关、电子式互感器、智能组件等的集成式智能隔离断路器的可行性, 以进一步提升开关设备的一体化水平, 优化变电站主接线及总平面布置, 大幅节省占地面积, 具有较强的工程实用价值。
参考文献
[1]刘祖永, 严启明, 王小波, 等.隔离式断路器在智能变电站中的应用[J].湖北电力, 2013, 37 (3) :1~3
[2]罗苏南, 卢为, 须雷, 等.集成于隔离断路器的电子式电流互感器[J].高压电器, 2013, 49 (12) :75~79
合理选型与应用智能型万能式断路器 篇2
在当今社会中各个领域都离不开电力系统。电力系统所用的电气器具包括变压器和各种高低压电器设备,而用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路等故障危害的核心元件低压断路器则是一种使用量大面广的电器产品。随着电力系统整体要求的提高和用户对配电要求认识的逐渐提高,智能型万能式断路器国内外的需求量将会越来越大。从产品的发展趋势来看,智能型、可通信、小型化断路器已逐渐成为低压配电系统中的关键匹配保护元件,而如何选用得安全、经济、合理、可靠显得尤为重要。
1 智能型万能式断路器
低压断路器,从结构、用途和所具备的功能来分,主要有万能式(又称框架式)和塑料外壳式两大类。还有一些特殊用途的断路器,如真空断路器等。
科技的不断发展已将当前微处理器和计算机技术用于低压断路器,一方面使低压断路器具有智能化功能,另一方面使低压断路器通过其具有的RS485标准通信接口与相应的通信协议可组成主从结构的局域网系统,使系统可实现远距离的“四遥”功能。使万能式断路器具有在线参数检测、动作值可整定、故障记忆及可通信功能等。微处理器用于低压断路器,使断路器的保护功能大大增强,带微处理器的智能控制器的保护特性通过人机对话可方便地使用、调整,智能控制器还具有预报警特性和微机自诊断功能。智能型万能式断路器可实时远程监控当前运行状态,反映当前电网参数和运行参数的远程监测等功能。
智能型万能式断路器用作电气设备或线路保护时,用户选型时主要有以下4点考虑:
(1)选用断路器的额定电流大于或等于线路或电气设备的额定电流;
(2)选用断路器的额定短路分断能力(电流)大于或等于线路的预期(最大)短路电流;
(3)选用断路器的保护功能相对完善全面,能满足其工作场合的要求;
(4)选用断路器的外形尺寸相对较小,节省空间,便于在同一柜内可安装多台断路器。
2 万能式断路器电流等级分类
智能型万能式断路器(以下简称万能式断路器)电流等级分为壳架等级电流与额定电流。在设计文件中,常只标明断路器的电流值,并不说明电流值的意义,给订货造成混乱。因此,要完整的选择断路器,清楚标明断路器的各个电流参数是很有必要的[1]。
所谓壳架等级电流Inm,是指其外形尺寸相对几个电流额定值都相同,壳架等级以相应于这个系列断路器电流额定值的最大值,用A表示。在同一壳架等级中,宽度可随极数而不同,表示一个系列断路器特性的术语。而断路器的额定电流In又称断路器脱扣器额定电流,对带可调节式控制器的万能式断路器则为控制器可长期通过的最大电流值。在额定电流下为保证断路器适用于其所处的工作场合,操作者根据实际需要在调节范围内可进行必要的电流整定。断路器的整定电流(又称脱扣器的电流整定值)是指:“脱扣器调整到动作的电流值”。它以Ir表示。Ir的意义为I/In,例如过载长延时整定到额定电流的0.4In、0.5In等,短路瞬时电流整定到额定电流的10In、12In等。在选择万能式断路器时以上参数是必须要了解清楚的,需根据实际情况在订单中清楚标明。HSW系列万能式断路器壳架等级额定电流及额定电流分类见表1。
3 万能式断路器技术性能与技术数据
根据前面提到的第2条选用原则:选用断路器的额定短路分断能力(电流)大于或等于线路的预期(最大)短路电流,所以正确的采用分断指标来合理选择断路器,不仅能减少断路器出现故障的可能性,还可以提高断路器运行的可靠性。万能式断路器额定分断能力主要关键性技术指标有额定极限短路分断能力Icu、额定运行短路分断能力Ics、额定短时耐受电流Icw等技术指标,这3个指标通常是衡量断路器先进性的主要依据,指标数据的大小往往决定产品的选型,是否满足其所处工作场合预期短路电流保护的要求。
额定极限短路分断能力Icu是指按规定的试验程序所规定的条件,不包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力。它的试验程序是。O表示分断操作;t表示两个相继操作之间的时间间隔,一般为3 min;CO表示接通操作后立即分断操作。
额定运行短路分断能力Ics是指按规定的试验程序所规定的条件,包括断路器继续承载其额定电流能力的分断能力,它通常要比额定极限短路分断电流小。它的试验程序是:
短时耐受电流Icw是指在规定的试验程序所规定的条件下,电路或在闭合位置上的断路器在指定的短时间内所能够无损地承受的电流。它是考核在此指定的短时间内,断路器是否会脱扣(动作),在此严酷条件下,断路器是否会因电动斥力和骤热而遭受破坏。
万能式断路器的短路电流参数Icu、Ics、Icw在选定断路器时需考虑,选定断路器型号和壳架等级额定电流Inm后就已确定,故订货时不需另外标明;HSW系列万能式断路器在额定工作电压下的分断指标见表2。
注:(1)表中分断能力上下进出线相同;(2)断路器飞弧距离为零(即断路器灭弧室外无飞弧)。
从以上3个型号对照表可以分析出,HSW2系列分断指标比其它2个型号的分断指标要低,相应地适用范围要小些,HSW1与HSW6的分断能力明显要高出很多,而且HSW6(4 000 A与6 300 A)壳架的3个技术指标已实现性能一致,即Icu=Ics=Icw,达到了当前国内外最高性能水平。
4 智能控制器保护特性介绍与选择应用
新一代智能控制器不仅能提供基本的保护功能还能精确测量实时数据、系统参数计算、储存数据、事件记录、谐波监测、波形捕捉、通信等功能,代表了当今万能式断路器上智能控制器的最新技术水平。可为电力系统、通信行业、冶金行业、工业建筑等提供更加完善的保护功能,更全面的测量功能,更强大的通信功能,更丰富的人机接口。
万能式断路器保护特性包括:过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护和接地故障保护等四段主要保护功能。现其保护功能都集中在同一只控制器上,通过面板操作进行各种保护特性设定,万能式断路器配套控制器型号现分为:L型、M型、H型、P型等,下面简要介绍各自主要功能与特点。
L型智能控制器是采用编码开关整定方式,具有过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地故障保护等四段保护特性,以及故障状态显示、负载电流光柱指示等功能。但无液晶屏幕显示,功能等方面不及M型、H型、P型齐全,整定值为有级调整。配L型的万能式断路器供用户在要求不高的场合选用。M型智能控制器采用液晶屏幕显示,可显示当前各相运行电流及接地电流,还可查询显示整定、试验及故障的电流值和发生的时间;显示当前各线电压;显示控制器内部工作环境温度;远端监控和自诊断功能;利用面板5个按钮可对控制器各种参数进行无级调整整定;可对万能式断路器进行试验脱扣与不脱扣功能测试;负载监控功能;MCR接通分断保护功能;热记忆功能等。配M型的万能式断路器已可用于一般要求的场合。H型智能控制器除了M型控制器的所有功能外,同时具有RS485标准通信接口;通过通信接口模块可组成主从结构的局域网系统(以下简称系统);由1～2个单元作为主站,若干断路器或其他可通信元件作为从站,针对断路器单元,系统可实现远距离的“四遥”功能,即遥讯、遥调、遥控、遥测等;多种电网参数和运行参数的远程监测;断路器可对当前运行状态的远程监视;各种保护限值参数的远程调整和察看;可对断路器的远程遥控分、合操作控制等。系统适用于各种电站、发电厂用电、中小型变电所、工矿企业、楼宇等配电监控系统建设和改造的场合。P型控制器除具有H型控制器功能外,同时具有ZSI区域选择性联锁功能;频率测量功能;功率因数测量;有功功率P测量;无功功率Q测量;谐波测量;波形捕捉、显示与记忆功能。控制器功能完善,双向通信,可帮助用户分析系统当前运行情况。HSW系列万能式断路器可配智能控制器型号选配见表3。
5 万能式断路器外形尺寸
高性能、高可靠、多功能、小体积的万能式断路器能为用户节省空间和成本,也是万能式断路器发展的一个趋势。HSW各型号的外形尺寸见表4。
注:表中所列数值已包含断路器进出线连接母排的尺寸。
6 结语
通过对H S W型号各系列万能式断路器的分析比较,为满足不同用户对其不同应用场合实际需求,可将万能式断路器分为高级型(H S W6)、较高型(H S W1)、经济实用型(H S W2)3个档次。高级型(HSW6)不仅每个规格产品的体积在进一步减小,其高性能、智能化、小体积、高可靠性、选用绿色环保材料的设计已成为众多设计人员及用户选型时追逐的热点。随着越来越多的高新技术的融入,不仅会使新一代万能式断路器产品整体性能与主要技术指标有大幅度提高,而且提高的技术性能指标会更突出实用性。
参考文献
[1]连理枝.低压断路器及其应用[M].北京:中国电力出版社,2002.
智能式断路器 篇3
随着人们生活水平的不断提高, 对电力的要求也越来越高, 不但要求电网的高质量, 更要求供电的持续性, 但随着各种新型用电设备的普及, 特别是变频设备的不断应用, 对电网的质量造成了严重的影响, 这些都严重考验着配电元器件, 其中影响最深的当属电子元器件, 它的工作正常与否直接影响供电的质量和持续性
对于电力系统来说, 低压智能型万能式断路器安装在变压器低压侧, 它受到的影响最大, 因它供应着较大区域范围的供电, 它能否正常工作, 直接影响整个供电区域。
停电在电力系统叫停电事故, 之所以叫事故, 是因为停电造成的影响比较大;电力系统断电有三种情况:
一种是线路过载、欠压、短路或漏电故障等导致保护元器件保护跳闸引起的断电;
一种是保护电器自身电子部件老化等导致保护元器件误动作引起的断电;
一种是提前发现保护电器自身存在故障隐患, 需要尽快维修更换, 主动申请断电维修;
第一种是正常保护导致的停电, 是断路器产品的保护功能起作用, 是不可避免的断电;后两种情况是不正常的停电事故, 但这也是电子产品固有的特性-老化, 也是不可避免的, 虽然可以提前预防的, 但还是必须切断主电路才能进行处理, 因为现在国内外的低压智能断路器产品, 都必须在断开主电路的情况下才能对产品进行维修保养, 都不能满足“热插拔”功能, 为了尽可能的避免不必要的停电事故, 就急需一种可以带电更换电子核心部件的断路器, 只要有了这种断路器产品, 后两种事故就基本可以避免了。
但国内外低压电器厂家, 都该类产品的研究基本上属于空白, 更没有能满足此类功能的产品。行业内也都是“谈带电操作色变”, 操作规范也都是:第一步, 断开并隔离主电源;而且现在的成套柜基本上都有门联锁, 当打开柜门时, 保护电器就自动断开主电路, 目的是保护操作人员的安全。这样的要求无可厚非, 但能不能设计一种低压智能断路器, 可正常更换电子部件, 同时也不会产生对操作人员有电击伤害的产品呢?
1 新需求产品优点
1.1 停电事故大大减少
电子部件的可靠性远远低于机械部件, 国内著名的专业生产智能控制器的某公司曾做过粗略的统计, 对运行的智能型万能式断路器的故障情况进行了长期监测, 发现产品在投入运行第一年的故障率为0.9%, 第二年的故障率比第一年间提高近2倍;第三年的故障率比第一年间高6倍多, 第四年的故障率比第一年间高18倍多, 第五年的故障率比第一年间高近26倍, 其中产品故障的主要原因是是电子部件产生的故障。高故障率的电子部件实现了可带电更换, 不影响供电系统的正常供电, 大大减少了供电系统的停电事故。
1.2 维护成本大大降低
比如, 正常情况下, 对常规产品进行维护时, 需要先断开主电路才能开始维护, 维护时, 比如抽屉式断路器产品, 需要先打开配电柜门, 取出摇手柄, 摇出本体, 拧开4个长螺钉, 打开面罩, 拧开控制器的4个螺钉, 拔出4个互感器插头, 用钳子拔出控制器与二次端子连接的8～12个端子, 拧开固定控制器机构的3个螺钉, 取出故障控制器, 装入新控制器, 拧紧固定控制器机构的3个螺钉, 插入4个互感器插头, 整个过程基本需要1个小时左右, 更换成本约为产品整体成本的40%;若选用新需求的断路器, 直接打开透明盖板, 旋转90°打开2个旋钮, 即可取出故障控制器;放入新控制器, 旋转90°锁定2个旋钮, 关上透明盖板即完成更换, 整个过程20s左右即可完成, 更换成本也只有产品整体成本的2%左右。
对于生产厂家的成本更是大大降低, 不但节省了来回的差旅开支, 更节省了日益昂贵的人力成本, 寄个新的控制器给客户, 客户自己就可以处理好了。常规产品比带电可更换产品的维护总体成本高3倍左右。
1.3 更换过程不需要任何工具
常规产品更换时, 不但需要产品自带的工具—摇手柄, 更需要起子、钳子, 甚至电烙铁, 焊锡丝等;新需求断路器产品则什么都不要, 用双手就可以轻松操作完成更换全过程。
1.4 对操作者的素质要求大大降低
对常规产品维护, 必须为生产厂家的专业技术人员才能很好的进行处理, 而维护新需求断路器产品, 只要一个普通电工就可以轻松完成。
1.5 大大降低故障隐患
常规产品在更换过程中, 由于产品空间窄小, 不但螺钉, 垫圈随时可能掉进产品内部, 插头插错、互感器线碰断等都可能发生, 造成一定质量隐患;新需求断路器产品则完全不用担心有此隐患, 更换过程没有任何可以脱落的零部件。
新需求产品有这么多的优点, 这就对产品的结构及设计提出了很高的要求。
2 新需求产品的结构要求
2.1 不打开配电柜门, 直接在柜门外完成更换电子部件
配电柜与万能式断路器一般都有门联锁, 打开柜门, 断路器会自动跳闸, 这就要求, 更换控制器等电子部件时, 不能打开配电柜门;万能式断路器装在配电柜内, 只有面罩一块露在柜门外面, 这就要求产品的整体结构必须在面罩的范围内直接取出控制器。
2.2 更换部分的结构安全性高
操作者能接触到的部分不得有高于安全电压的电压存在, 这就要求结构设计时, 采用绝缘材料隔离防护以及其他措施来满足安全性要求。
2.3 更换总时间不能太长
因为智能控制器取出后, 整个产品的保护功能全部丧失, 若恰巧此时有故障电流出现, 则可能会对线路及设备造成较大的影响, 为此, 要求整个更换时间越短越好, 最好能达到秒级要求。
2.4 外形安装尺寸要与常规产品一致
为了便于替代已运行的产品, 以及与现有成套柜的安装的兼容性, 要求新需求断路器产品要满足和常规产品相同的外形及安装尺寸, 以便有较高的推广基础。
2.5 外部须有防护罩, 只有指定人员才能打开进行操作
因新需求断路器产品的更换过程非常简便, 为了防止非常规的操作, 因其不必要的损失, 在电子部件外部要求增加一透明防护罩, 并可以锁定, 只有解锁后才能打开防护罩, 进行内部操作。
3 新需求产品的设计要求
3.1 产品具有高的可靠性
产品的机械和电子部件分开设计, 中间通过插头插座相连, 若中间有任意一个接头接触不良, 就会导致部分功能或全部功能失效, 导致保护功能丧失, 这是绝对不允许出现的, 为此, 各部件及部件之间都要有较高的可靠性设计。
3.2 产品的安全防护要全面
因主电路为AC400V或AC690V的不安全电压, 这就要求设计产品时, 操作者手及身体所能触及的部分都不得有高于36V以上的电压存在, 这就要求产品的材料及结构都要经过全面的验证和认真的设计。
3.3 更换过程中, 不得对产品的相关元器件造成损伤
像计算机一样, 早期的PC机不能带电进行外设的插拔, 否则会烧电源模块或损害硬盘等, 同样在万能式断路器中, 部分模块, 在带电进行机电模块分离时, 会有电弧及高压产生, 这对相关零部件都会产生一定的损伤和破坏, 同时还有可能对操作者产生灼伤等事故, 这就要求产品设计时要对相关元器件进行有效保护, 不产生电弧及高压。
3.4 更换过程中, 对可能产生的误动作进行有效的防范。
控制器正常有自诊断功能, 拆装控制器时, 若控制器检测到有部分外部器件异常, 可能会发出动作指令, 导致断路器跳闸, 这就失去了带电更换的意义了, 为此就要对产品的硬件配合逻辑及软件的程序编写进行部分或全部调整, 以期不会产生误动作。
3.5 电子部件要有较高的互换性
带电更换的都是电子部件, 电子部件和机械部件正常都有一定的配对关系, 这就要求电子部件的一致性要好, 配合精度要满足。
4 结语
随着社会节奏的不断加快, 工农业产品的更新换代周期越来越短, 低压电器行业如何创新发展也愈发显得突出, “热插拔”产品是本人的一点拙见, 期望能起到抛砖引玉的效果, 为供电行业的发展尽自己一点绵薄之力!
摘要：根据供电系统的发展趋势对低压万能式断路器提出带电可更换智能控制器及电子部件的要求, 提出较全面的结构及设计要求, 为低压“热插拔”断路器产品的开发提供参考。
智能式断路器 篇4
1 C FW 45智能型万能式断路器的研究意义
低压配电系统常见的电气设备主要有断路器、变压器、接触器等, 而其中使用量最大的是各种低压断路器。它的一般用途是保护线路和分配电能及电源设备免受过载、短路、欠电压、单相接地等故障危害, 是低压配电系统中的核心电器元件。随着科技的发展, CFW45智能型万能式断路器将得到了广泛地应用。从未来的发展趋势来看, 可通信、智能型、小型化断路器已逐渐成为低压配电系统中的关键匹配保护元件。本文根据企业需求, 针对原断路器的整定不方便, 功能单一等不足进行了进一步的研究, 为提高断路器工作的稳定性和可靠性, 完善保护功能, 提高断路器的智能化和自动化程度, 同时降低产品成本。CFW45智能型万能式断路器内有控制器核心, 不仅能够实现传统断路器的各种保护和检测功能外, 还具有以下特点和功能:保护功能多样性, 具有欠压保护、3段电流保护、预报警等功能;多种检测和显示功能、可实现电流、电压、频率等电力参数显示与测量;故障信息存储和查看功能;故障自诊断与试验功能;负载监控功能, 支持热记忆功能, 动作准确, 现场总线通讯功能, 以实现遥控, 遥测, 遥调, 遥信等“四遥”功能。
2 C FW 45智能型万能式断路器
2.1 发展趋势
CFW45智能型万能式断路器智能控制器具有以下发展趋势:产品化。智能控制器产品化后, 其测试可以独立于断路器进行, 这使得整个断路器的测试程序大为简化, 从而使测试时间也大为减少;脱扣器的电子化。目前智能脱扣器的控制能力越来越强, 不但能进行电压、电流、功率等电参数的智能化检测与控制, 而且也能对一些非电参数进行监控和测量;模块化, 通用性。模块化设计及尺寸、零件具有通用性, 无论给生产者的设计, 制造及技术继承, 还是给使用者的使用及维护等都带来了很大的方便;智能化和通讯化。智能化采用了微处理器, 因而具有应用软件, 这样具有较大的升级能力和适用性, 可通讯化是在脱扣器产品中加入相关的判断、检测和通讯芯片或电路, 是脱扣器的各种工作参参数和状态能较好的通过传输媒介和线路上的其他电器设备进行信息交流, 以适应当前设备网络化智能化的发展趋势。
另外提高断路器的高稳定性, 可靠性, 安全与操作方便等也是其发展的主流趋势, 同时小型化、标准化、大电流、节能与可移动等标准和特性也是智能断路器的发展趋势。
2.2 分类及功能
CFW45系列智能型万能式断路器从结构、用途和所具备的功能来分, 主要有万能式和塑料外壳式两大类, 还有一些特殊用途的断路器, 如真空断路器等。目前将微处理器和计算机技术用于低压断路器, 使它具有智能化功能, 并且具有RS485标准通信接口与相应的通信协议, 可组成主从结构的局域网系统, 使系统可实现远距离的“四遥”功能。另外它还具有在线参数检测、动作值可整定、故障记忆及通信功能等。它通过人机对话可方便地使用、调整, 同时还具有预报警特性和微机自诊断功能。它可实时远程监控当前运行状态, 反映当前电网参数和运行参数的远程监测等功能。
2.3 选型原则
智能型万能式断路器用作电气设备或线路保护时, 必须注意以下四方面:a.选用断路器的额定电流大于或等于线路或电气设备的额定电流;b.选用断路器的额定短路分断能力 (电流) 大于或等于线路的预期 (最大) 短路电流;c.选用断路器的保护功能相对完善全面, 能满足其工作场合的要求;d.选用断路器 (下转252页) (上接98页) 的外形尺寸相对较小, 节省空间, 便于在同一柜内可安装多台断路器。
2.4 技术参数 (见表1)
2.5 控制原理
智能控制器的原理就是检测供电线路中的电压及电流信号, 信号经过模拟调理电路, 将其转换成数字电路可处理的电平信号送入单片机, 再将它转化为数字信号, 经单片机进行逻辑运算和处理后, 与整定值比较, 判断是否脱扣, 并输出脱口信号, 通讯接口是实现联网通讯和维护功能, 其原理图如图1所示。
3 C FW 45低压断路器智能控制器保护特性与选型
智能控制器不仅能提供基本的保护功能还具备精确测量实时数据、储存数据、系统参数计算、事件记录、波形捕捉、谐波监测、通信等功能, 可提供更加完善的测量功能和保护功能, 具有强大的通信功能, 丰富的人机接口。
CFW45智能型万能式断路器保护特性包括:过载长延时保护、短路瞬时保护、短路短延时保护和接地故障保护等四段主要保护功能。并且其保护功能都集中在同一控制器上, 各种保护特性设定仅通过面板操作进行, CFW45系列智能型万能式断路器配套控制器型号分为:L型、M型、H型等, 下面简要介绍各自主要功能与特点。
L型智能控制器是采用拨动开关和编码开关整定方式, 除具有短路短延时、过载长延时、瞬时、接地漏电等四段保护特性外, 还具有负载电流光柱指示、故障状态显示记录、试验功能、各种报警信号输出等功能。但无液晶屏幕显示, 整定值为有级调整。
M型智能控制器采用液晶屏幕显示, 可显示当前各线电流、电压, 还可查询显示整定、试验及故障的电流值和发生的时间;具有远端监控、负载监控和自诊断功能;能够显示控制器内部工作环境温度;对控制器各种参数进行无级调整整定;可对断路器进行试验脱扣与不脱扣功能测试;具有热记忆功能;MCR接通分断保护功能等。
H型智能控制器除了具有M型控制器的所有功能外, 同时具有RS485标准通信接口, 通过通信接口模块可组成主从结构的局域网系统;针对断路器单元, 系统可实现远距离的"四遥"功能;多种运行参数和电网参数的远程监测;断路器可对当前运行状态远程监视;远程调整和察看各种保护限值参数等。
结束语
由于CFW45系列智能型万能式断路器在低压配电系统中的应用能有效集成电气设备功能, 解决电气设备与低压配电系统乃至整个工业生产网络的双向通信问题, 满足工业生产网络对电气设备进行远程控制的要求, 具有更高的自动化特性, 可以使人在更舒适的环境中工作, 因而将CFW45系列智能型万能式断路器广泛应用于低压配电系统中, 使产品智能化、模块化的必然发展方向。随着越来越多的高新技术的融入, 将使智能型万能式断路器产品整体性能与主要技术指标有大幅度提高, 而且其实用性也会更加突出。
摘要：本文针对传统的低压断路器所存在的问题, 研究了新型CFW45系列智能型万能式断路器, 这种断路器具有故障判断准确、灵敏度高、选择性好、小型化、智能化保护功能, 能避免不必要的停电, 提高供电的可靠性, 同时还带有通讯接口, 具有“四遥”功能, 以满足控制中心和自动化系统的要求, 目前的应用越来越广泛。文中研究了CFW45系列智能型万能式断路器的功能, 控制原理, 主要技术参数及选型, 未来的发展方向, 并对智能控制器的保护特性与选择应用进行了研究。
关键词：低压断路器,智能化,小型化,四遥
参考文献
[1]孟宪章.低压断路器[M].北京:中国电力出版社, 2006.
[2]杨帮文.新型断路器实用手册[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[3]CFW45系列智能型万能式断路器使用说明.上海:华通机电集团有限公司, 2006.
[4]史年富.低压断路器智能控制器优化与实现[D].南京:南京理工大学, 2009.
智能式断路器 篇5
正泰电器股份公司在成功地开发了具有国际先进水平的NM8系列塑壳式断路器后, 再次研发出具有完全自主知识产权、拥有国际先进水平的NA8系列智能型万能式断路器。
NA8系列智能型万能式断路器短路分断能力高;外形美观、结构模块化、附件完整;规格齐全具有三极、四极固定式以及三极、四极抽屉式;该断路器具有大容量、小型化的特点, 为用户节省了空间和成本;应用塑壳化的设计观念, 各相触头系统完全封闭在绝缘的小室内, 上下进线均可;采用专利技术的灭弧室结构、使额定短路分断能力有显著的提高, 完全实现零飞弧, 对外部环境影响极小;主回路接线方式灵活多样, 可任意组合形成水平连接、垂直连接、前连接、混合连接, 极大地方便了用户快速、安全、可靠的二次接线, 具有IP40防护等级;采用智能型控制器, 完善了保护特性, 可实现过载长延时、短路短延时、特大短路瞬时动作及单相接地或剩余电流保护 (有瞬时或延时动作两种) , 即具有四段保护;具有强大的辅助功能, 如参数设置、功能表、故障记忆、试验、报警、自诊断、负载监控等功能, 高级型还具有通讯、电压、功率、功率因数、频率、谐波分析等功能, 全部采用液晶显示。
新型智能固态断路器研制 篇6
关键词：固态断路器,IGCT,仿真
0 引言
20世纪90年代初,美国电力科学研究院(EPRI)曾组织专家对配电网络进行专门调研,提出了使用门极可关断晶闸管(GTO)发展固态断路器(SSB)以及具体的设计和应用要求[1]。文献[2]针对13 k V电压等级详细研究了基于GTO的SSB的控制原理及拓扑结构模型,文献[3]对使用GTO和集成门极换向晶闸管(IGCT)的几种开关拓扑结构进行了比较,表明基于IGCT的SSB各方面性能有较大优势。文献[4鄄7]通过电力仿真软件PSIM建立了IGCT的有效功能模型并进行了相应的验证。本文借鉴了智能化开关的部分思想[8鄄13],研究设计了一种基于非对称型IGCT(AS-IGCT)的10 k V新型智能化SSB。
1 新型SSB的应用分析
由于SSB动作快速,可以准确地控制开关时刻,但比常规的机械式断路器成本高,所以一般应用于一些对电能可靠性要求较高的场合[14]。图1是将SSB应用于敏感负载的馈线支路上,配合静态无功发生器(STATCON),为其提供高质量电能。设敏感负荷只能容忍不大于半个周期的停电时间,正常时机械式断路器QF2处于开断状态。馈线1发生故障时,SSB可在小于半个周期内迅速断开系统侧,这时将由STATCON暂时维持敏感用户母线电压水平。机械式断路器QF1几百毫秒后将故障馈线1断开,互为备用的馈线开关QF2闭合。当检测到供电正常后SSB合闸,恢复对负载的供电。负载侧发生短路时,SSB和STATCON快速断开,同时将短路限流开关打开并延时10~15个周期后若仍有故障则关断电路。
2 开关主体的拓扑结构及控制策略
开关主体的拓扑设计是SSB设计的核心部分。根据前面分析,由于SSB长时间处于导通状态,通态损耗是其非常重要的一个技术指标。SSB的动作时间至少要小于半个周期,且动作可靠。
当前,技术较成熟的全控型大功率半导体开关器件主要有GTO、IGBT、IGCT。作为SSB的开关器件,不仅要求有低的通态损耗,而且要易于控制。而新型开关器件IGCT不仅采用缓冲层设计使其取得了比GTO更低的导通及关断损耗,而且其硬驱动技术使得器件能够类似于IGBT一样均匀关断,所以成为了中压兆瓦级SSB较为理想的开关器件。本装置选用的是相对通态压降最低的非对称型IGCT(5SHY35L4512)作为断路器的开关器件。
电网电压等级是10 k V,考虑到电网尖峰电压的波动,断路器的设计耐压等级至少为13 k V,再加上一个器件的冗余,所以开关主体由2个9 k V开关模块串联组成。开关模块拓扑结构见图2,由反并联的2路IGCT串联模块组成,分别导通正负半周期的电流。每路IGCT串联模块中需加一个9 k V的整流二极管,以保护开关元件。与IGCT并联的有d u/d t缓冲电路、均压电阻以及压敏电阻。由于IGCT的过流能力低,在开关模块串联构成断路器时需增加d i/d t缓冲电路。
SSB的控制策略也是关系到其整体性能优劣的一个关键因素。正常情况下,SSB采取软开关控制策略,即开关在电压为零时开通,在电流为零时关断。在系统侧发生故障时,断路器应立即断开故障馈线以保护敏感负载正常运行。当负载侧出现短路故障时,先快速关断开关,若半个周期内故障被排除则闭合开关;否则,开通并联的限流开关使得故障电流限流导通最大15个工频周期以保护负载侧装置。
3 整体结构设计
固态断路器的整体结构见图3,主要分开关主体和测控系统2部分。
开关主体部分由AS-GCT开关模块、门极驱动模块、保护模块、强力风冷系统等组成。其中,门极驱动模块由测控系统通过光纤进行控制。由于5SHY35L4512是通态损耗很低的非对称型IGCT,所以开关模块冷却装置采用强力风冷系统,完全能满足模块散热需要且具有比水冷系统更好的安全性。为了在发生过流、过压故障时保护整个装置及其周边器件,增加了保护模块。
测控系统部分可分为基于双核DSP处理器的控制模块、光纤电压、电流温度传感器组成的探测模块以及由通信模块、人机接口等构成的外围模块。装置选用了TI公司生产的双核定点处理器为控制核心。该处理器集成了基于TMS320C54X核的DSP子系统和基于ARM7TMDI核的RISC微控制器子系统,能够满足系统实时控制和实时快速地实现各种数字信号处理算法的双重需要。整个系统任务的调度分配由RISC微控制器子系统完成,而数据的快速处理由DSP子系统完成。基于测控子系统的稳定性、实时性和开发维护的方便性,在处理器上移植了μC/OS2Ⅱ嵌入式实时操作系统。
4 仿真试验数据及结果分析
根据5SHY35L4512特性(1),借鉴部分已有的等效模型[4鄄7]建立了IGCT的模型,并利用测试电路验证其有效性。
图4是IGCT关断时的电压(uIG)和电流(iIG)波形。从图中可看出IGCT关断时由于电路中电感将产生较高的关断电压,构成断路器开关模块时须添加过压缓冲电路以保护IGCT元件。
根据前述的开关拓扑结构建立SSB仿真模块。图5为简化的测试原理图。利用交流电源和电感模拟配电网,用理想零电阻模拟负载短路故障。图6为测试的电路电流(iTS)、电压(uTS)波形。
从上面仿真图形可看出,在发生短路故障时,SSB迅速断开了短路电流,使得电流尖峰只上升到正常工作最大电流值2倍左右,下游负载受到较小的电流冲击,有效地保护了负载的运行安全。
5 结论
智能式断路器 篇7
在微机继电保护的算法中, 用于计算系统短路电流的方法[1]主要有傅里叶变换法、小波变换法和最小二乘法。傅里叶变换是对周期函数进行相应的变换, 对于含有非周期分量的故障电流信号, 不能直接套用周期函数的计算式[2,3]。小波变换必须基于一定长度的特征波形, 方可进行小波包分解或者多分辨率分析, 也具有局限性。这就不能满足继电保护算法中智能操作在线状态的实时计算的严格要求。相对而言, 最小二乘法对数据量要求比较灵活, 具有较大的理论价值。然而受直流衰减分量和白噪声的影响, 最小二乘法通常也需要比较长的采样窗口才能准确计算出短路电流基波与各次谐波分量的幅值和相位, 因此需要进行迭代运算来改进算法的收敛速度和计算精度。
以往的研究多集中于对继电保护算法的软件实现[4,5], 也有一些智能控制在断路器方面的应用研究[6,7,8,9]。本文除了理论上对算法进行推导以外, 还在Dual-CPU结构上设计并测试了智能电网保护用智能操作控制器, 进行了硬件的定点仿真。
1 断路器智能操作对信号处理的要求
断路器的智能操作[6], 着眼于断路器分闸运动特性的自适应控制, 通过智能操作控制器实时地识别出断路器的工作状态、调整好断路器的操动机构, 使断路器处于最佳的分闸运动特性状态。
智能识别模块是智能操作控制器的核心, 需要从采集到的系统信号中识别出系统状态。本文先对智能识别模块涉及到的算法分别进行软件仿真, 而后通过对智能识别模块建模并进行了硬件实现, 为断路器智能操作的实现提供理论和试验支撑。
在交流系统中, 系统电流随着负载的变化而变化, 根据负载的不同将系统状态分为短路故障工作状态和系统正常运行状态;电流则分别对应于短路电流和正常电流。在智能操作功能中, 在系统正常工作状态下, 断路器的操作无较强实时性要求;智能识别模块调用的算法可首先考虑精度的要求, 其次考虑计算消耗时间的要求。
在系统短路状态下, 断路器的动作必须满足较强实时性, 必须保证预处理的时间应小于继电保护装置通过主控室发出的分闸命令, 或两者间的时间差处于系统所能接受的程度, 即式 (1) 。在高压系统中, 继电保护时间trel[11]通常为30~80 ms, 取最严酷的条件trel=30 ms;电磁开关阀的调节时间[7]即tadj为15 ms, 因此, 智能识别模块消耗的时间tiden由短路电流识别耗时ts_iden和短路电流计算耗时ts_cal组成, 在最严酷的条件下, 不能超过15 ms, 即式 (2) 所示。
2 额定电流的算法仿真
2.1 改进快速傅里叶变换算法的推导
在系统正常工作状态下, 正常电流处于稳定状态, 主要由正弦的基波和谐波组成。快速傅里叶变换 (FFT) 算法[8]对周期信号采样一个周期, 可以计算出正弦分量的幅值和相位。针对正常电流的实数值特性, 可对FFT进行改进得到改进快速傅里叶变换 (IFFT) 算法, 减少其计算量。
FFT利用蝶形因子, 对离散傅里叶变换[9]进行快速运算, 从而获得周期信号中各正弦分量的幅值和相位。考虑到正常电流的采样点均为实数, 因此可以利用FFT的对称性进一步简化运算。设X (n) 是1个N点实数序列, 将其分解为N/2点奇、偶子序列Xo (n) 和Xe (n) 如式 (3) 所示, 并按虚部和实部组合为复数序列g (n) 如式 (4) 所示;则由式 (5) 可知X (n) 可用Xo (n) 和Xe (n) 来表达。
其中, WNe-j2π/N为传统FFT蝶形因子;G为合成复数序列g (n) 的FFT, G*为其共轭。
由于g (n) 已是复数, 不能再利用其实数特性, 故X (n) 的实数分解至此为止。因此, N点实数序列X (n) 的FFT转换为N/2点的FFT来实现, 即改进快速傅里叶变换算法。
2.2 改进快速傅里叶变换算法的验证
基于MATLAB软件, 本节对如式 (6) 所示的信号i (t) , 采用改进快速傅里叶变换算法进行计算, 得幅值和相位如图1所示。幅值以第65点轴对称 (其中第1点与第129点对称) , 这与实数的FFT幅值对称性一致。
取0~6次谐波的幅值和相位如表1所示, 其中幅值误差取相对真值的百分数, 0次谐波为直流, 其相位无物理意义。从表1中可以看出, 谐波幅值的计算误差不超过4.00%, 谐波相位计算准确, 从而验证了改进快速傅里叶变换处理不含故障分量电流信号的可行性。
3 短路电流的算法仿真
3.1 递推最小二乘算法的推导
在系统短路工作状态下, 短路电流由包含衰减分量的正弦波向稳定的正弦波过渡。传统的最小二乘算法[10], 由于涉及到二维矩阵相乘导致计算量太大, 在DSP上难以实现。本课题组所开发的递推最小二乘校正算法 (RLSCA) [11]采用递推的方式进行计算, 使算法在DSP上的实现成为可能, 但算法本身消耗的采样数据窗口较长。RLSCA在递推最小二乘 (RLS) 法的基础上进行校正, 既保证了迭代法在DSP上实现, 在同样信噪比条件下又缩短了其消耗的采样数据窗口, 且其实时性仍可达到系统可接受的程度。
根据电力系统单相短路电流is (t) 的表达式[12], ω0取100π, t从短路发生时刻开始计时, α是短路发生时刻的系统电压初相, Z是短路时系统回路的等效复阻抗, φ是Z的阻抗角, τ是短路电流的衰减时间常数。为将式 (7) 简化, 并考虑谐波的影响, 由于短路通常历时较短, 可将直流衰减量泰勒展开取前2项, 将is (t) 近似线性化为式 (8) 。由最小二乘拟合新目标式, 是拟合的短路电流, 是拟合中的未知量, 则Ik、θk可用来近似表达, 如式 (9) 所示。
其中, Ia是直流衰减量值, m是需要考虑的最高次谐波的次数, Ik、θk分别是k次谐波的幅值和相位。
对is (t) 采样h点, 用m′替代m+1, 则有拟合矩阵如式 (10) 所示。为拟合采样值, 为拟合未知量, 可离线算出, 为采样值。根据最小二乘拟合准则, 可推得拟合未知量的表达式如式 (11) 所示, 此即为传统的最小二乘法。用迭代的方法求解实现, 即为RLS法。
在RLS法的基础上可推得RLSCA。将最小二乘拟合的目标式定为式 (12) , 是拟合中的未知量, 其真值对应为IRk和IIk。
is赞 (t) 劬mk=鄱1[I赞Rksin (kω0t) ]+mk=鄱1[I赞Ikcos (kω0t) ] (12)
拟合值和真值IRk、IIk之间存在误差KRk、KIk, 分别以t1、t2、t3为起点, 以tl、tl+1、tl+2为终点, 对应的拟合变量分别为可推导得以t1为起点、tl为终点的K′Rk、K′Ik的计算式, 即得到以t1为起点、tl为终点的I′Rk、I′Ik的表达式见式 (13) 。
给定3个相同初值, 分别从第1、2、3点递推到第h-2、h-1、h点, 每次递推后都计算出当次I′Rk、I′Ik, 再根据前后2次误差进行判断, 若不满足条件则继续递推, 若满足条件则递推截止, 即为RLSCA。
3.2 短路电流算法的验证比较
基于MATLAB软件, 本节对式 (14) 所示信号is (t) , 分别用RLS法、RLSCA进行计算。
其中, randn (t) 为叠加的随机噪声, SNR表示信噪比的数值。
对各种参数取经典值, 分别用2种算法计算短路电流。噪音取50 dB, 衰减时间常数τ取0.045 s, 每个周期采样128个点, 取1个周期采样窗口, 误差取真值的5%;本着观察的目的不作截止判断, 连续计算100次, 图2和图3分别为2种算法算出的基波的实部平均值虚部平均值Im和正确率r。
从图2和图3看出:随着递推点数增加, 2种算法的结果均逐步趋近真值;RLS法需16 ms才能计算出正确的结果, RLSCA仅需10 ms即可计算出100%正确的结果, 故后者优于前者。
测试方法不变, 改变算法影响参数即SNR和τ, 分别计算短路电流得表2。从表2可以看出:在τ相同时, 随着SNR的降低, 2种算法耗时均延长;在SNR相同时, 随着τ缩短, RLS法耗时延长, 并且当τ取10 ms时算法已不再稳定, 而RLSCA耗时则近似不变;在τ和SNR均相同时, RLSCA耗时明显短于RLS法, 故本文的RLSCA计算短路电流较优。
由于实际计算短路电流时只计算1次, 在此采用连续5点判断的方法对式 (14) 用RLSCA计算1次, 其基波实部Re、虚部Im和判断正确标志如图4所示, 标志位用前后误差5%判断。用连续5点判断得其最终耗时10.16 ms。
4 智能操作控制器的系统定点仿真
前文分别对正常电流和短路电流计算算法进行软件验证后, 本节再基于Simulink软件对系统从正常工作状态过渡到短路工作状态的过程建立仿真模型, 生成了分别包含2种状态的全电流信号;然后基于MATLAB软件, 先对短路电流的软件识别算法进行了仿真, 而后结合改进快速傅里叶变换、RLSCA对全电流信号进行了系统仿真, 结果可被系统接受, 从而为智能操作的实现提供了算法支持。
4.1 系统模型的建立与分析
为分析方便, 将电力系统视为由一个无穷大功率电源和三相对称的电阻、电感组成。当发生三相对称短路时, 为保持前后分析一致, 取其单相电路图如图5所示。衰减时间常数取0.045 s;短路电流稳态如式 (14) 中的正弦量所示, 则电压源分别按式 (15) 计算。断路器导通电阻、绝缘电阻分别取10-5、109Ω, 断路器的通断时序取为[ (0 0.06 0.10) , (0 1 1) ];仿真参数设置中, 最大可变步长取 (0.02/128) /100, 即隔100点抽样, 解法器取ode15 s (stiff/NDF) , 解法相对精度取10-5;仿真时间取[0, 1.0]s。
To工作区
其中, Is为对应正弦量的相量, Rs、Ls分别为短路时的电阻、电感。
基于Simulink对图5进行仿真, 取短路电流id在[0, 0.4]s间的波形如图6所示, 与文献[14]所分析的短路电流波形一致。
采用改进快速傅里叶变换, 分别对式 (16) 、 (17) 信号it取1, 即id的正常电流、短路稳态电流各取1个周期采样窗口进行计算。结果取前6次谐波, 如表3和表4所示, 与式 (14) 基本吻合。
用RLSCA对式 (18) 所示信号it, 即id的短路电流取1个周期采样窗口进行计算。计算结果为:计算耗时7.8 ms;衰减因子e-Ts/τ为0.996 5, Ts为采样周期;基波实部为17.4140 kA, 基波虚部为9.8348 kA, 基波幅值为19.7819 k A, 基波相位为29.46°。该结果与式 (14) 及表3、4的结果相一致。
4.2 短路电流的软件识别
在系统短路工作状态下, 短路电流由包含衰减分量的正弦波向稳定的正弦波过渡。文献[15]分别用软件实现和硬件实现的方法对短路电流进行识别, 得出软件实现耗时更短的结论。考虑到软件实现的方法不易受环境参数和元器件参数的影响, 并且当采样速度提高时其消耗的时间会更短, 因此本节采用软件实现的方法进行短路电流的识别, 在此进行推导和验证。
短路电流软件识别通常采用相电流差突变法[17], 即当满足式 (19) 时, 认为电力系统存在短路;N为一个周期的采样点数, Ith为电流阈值, 常取额定相电流幅值的3~10倍。为防止由于干扰引起的误动作, 在此采用3点连续判断满足上述判据的条件, 以确认短路的发生。
电流阈值Ith取4倍的正常电流基波幅值 (本例中为4.85倍) , N取128;基于Simulink对图5进行仿真, 仿真时间取[0, 0.1]s, 从-180°~180°改变系统电压基波的初相角, 得短路电流id;取信号it如式 (20) 所示, SNR取50 dB, 对其采用3点连续相电流差突变法进行识别, 可以得到短路识别耗时曲线如图7所示。
结合图5、7得出如下分析:φ为arctan (0.045ω0) 即86°时, 当α-φ=±90°时, 直流衰减分量最大, 短路电流小半波影响最大, 短路识别耗时最长, 约5.5 ms;当α-φ趋近±90°时, 直流衰减分量逐步增大, 短路电流小半波影响逐步增大, 短路识别耗时亦渐渐延长;当α-φ=0°或-180°时, 直流衰减分量几乎为零, 短路电流小半波近似消除, 短路识别耗时亦最短, 约1.3 ms;当α-φ趋近0°或-180°时, 直流衰减分量逐步减小, 短路电流小半波影响减小, 短路识别耗时亦渐渐缩短。
4.3 系统在DSP的定点仿真
改进快速傅里叶变换每采样一个周期正常电流数据计算一次, 短路电流软件识别算法耗时易受系统电压基波初相的影响, RLSCA耗时易受SNR的影响, 综合考虑以上因素, 先后调用3种算法, 对全电流信号进行系统仿真。
将各种参数取经典值, 对全电流信号进行系统仿真。基于Simulink对图5进行仿真, 仿真时间取[0, 0.1]ms, 得短路电流id;取信号it如式 (21) 所示, SNR取50 dB。可得系统仿真中, 改进快速傅里叶变换的计算结果与表3相同;短路电流软件识别算法耗时1.4 ms;RLSCA算出的基波实部、虚部和判断标志如图8所示, 标志位用前后误差不超过5%判断, 用连续5点判断其耗时9.5 ms, 计算得短路基波幅值为20.00 kA, 在0.06 s处的相位为29.46°。图8中的基波实部、虚部波形与图4在稳态值上差别较大, 这是因为图4中短路电流的起点相位为30°, 即实部、虚部真值分别为17.32 kA和10.00 kA, 而图8中的起点相位随短路识别耗时的不同而变化。此时, 系统仿真的结果与前面的分析一致, 其短路识别与计算总耗时10.94 ms, 式 (2) 成立, 即可满足智能操作的强实时性要求。
测试方法不变, 改变算法敏感参数即系统电压基波初相和SNR, 对全电流信号进行系统仿真得表5。其中, 由图7可知, 相位为-30°时短路识别耗时最长, 相位为90°时短路识别耗时最短, 另外取30°作为中间值;SNR的取值与表2同。
针对表5, 结合表2和图7分析如下:相同相位不同SNR的条件下, 短路识别耗时相同, 结果与图7一致, 这是因为短路识别误差不可累积;相同SNR不同相位的条件下, RLSCA耗时的误差不超过5个采样间隔, 且结果与表2一致, 误差较小证明RLSCA不易受相位影响, 误差存在是因为此处只计算1次而RLSCA易受噪音影响, 结果一致则证明计算正确;短路处理总耗时由短路识别耗时和RLSCA耗时相加而得, 在不同SNR不同相位条件下可得图9。
由图9可知, 相同SNR时相位越接近90° (即α-φ越接近0°) 短路处理总耗时越短, 相同相位时SNR越大短路处理总耗时越短;在SNR为30 dB、相位为30°时耗时最长为18.4 ms, 在SNR为50 dB和相位为90°时耗时最短为10.5 ms。结合式 (2) 知, 系统仿真的结果处在系统尚能接受的程度。
5 结论
智能操作控制器需要在继电保护装置的分析时间内, 利用自身的算法快速获取当前断路器状态参数及线路参数。本文推导得到了开断正常电流的改进快速傅里叶变换算法, 开断故障电流的RLSCA, 从而为智能操作的实现提供了算法支持;在双CPU硬件架构上, 基于系统仿真模型产生的信号, 对改进快速傅里叶变换、RLSCA以及短路电流的软件识别算法分别进行定点仿真, 仿真结果验证了断路器的智能操作算法在软件和硬件上的快速性、准确性与有效性。
摘要：简要介绍了断路器智能操作对信号处理的要求, 给出了断路器动作需要满足的强实时性条件。对额定电流采用改进的快速傅里叶变换进行算法仿真, 减少了计算量。对短路电流采用递推最小二乘校正算法进行仿真, 使迭代法可以在DSP上实现, 缩短了其消耗的采样数据窗口, 且其实时性仍可达到系统的要求。基于Simulink软件对系统从正常工作状态过渡到短路工作状态的过程建立仿真模型, 生成了分别包含2种状态的全电流信号;然后基于MATLAB软件, 先对短路电流的软件识别算法进行了仿真, 再结合改进快速傅里叶变换、递推最小二乘校正算法对全电流信号进行了仿真, 仿真结果证明算法可满足智能操作的强实时性要求。
