一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置及其控制方法與流程
2023-05-29 20:39:27 1
本發明涉及一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置，應用於機械開關和電力電子器件串並聯組成的新型斷路器的保護控制系統，特別涉及應用於機械開關和電力電子器件串並聯組成的新型斷路器的短路電流識別和開斷控制裝置，屬於中壓電氣控制技術領域。
背景技術：
中壓系統中，供電線路較短導致各電源首端的短路電流和分支的短路電流相差不大；線路阻抗小使得短路電流幅值大，同時短路電流的上升速度很大，這是中壓系統短路電流的顯著特點。電力系統在發生短路故障時會產生巨大短路電流，這將對電氣設備產生嚴重的危害，短路電流在電氣設備中會產生高溫和極大的電動力，巨大的短路電流會引起電壓下降而嚴重損壞某些重要設備。因此短路故障將對系統的安全與穩定運行產生嚴重影響。隨著供電系統功率的急劇增加，斷路器切除系統短路故障的難度也大大增加，短路故障電流將對電網的穩定運行帶來巨大威脅。
研究表明，在系統短路電流的上升階段進行開斷操作，對短路電流能夠起到限流作用，同時，若能夠在短路電流發生初期識別短路故障，有利於斷路器切除系統短路故障。因此，針對短路電流快速識別技術的研究具有非常重要的現實意義。
目前，隨著中壓輸電容量和電壓等級的提高，採用傳統的磁吹式滅弧方式的斷路器從分斷能力和分斷速度上難以滿足要求。近年來，隨著半導體技術不斷發展，利用電力電子器件的可控性，大容量的電力電子器件被廣泛應用於開斷領域，傳統機械開關和電力電子器件串並聯組成的新型斷路器逐漸成為開斷的研究熱點。由於這類斷路器通常具有複雜的拓撲結構，往往需要大量的電力電子器件串並聯，因此相比於傳統的機械式斷路器狀態信號更為複雜，在開斷短路電流時需要專門的開斷控制裝置實現分斷。綜上所述，針對傳統機械開關和電力電子器件串並聯組成的新型斷路器的短路電流識別和開斷控制技術的研究將有效解決中壓電力系統短路電流上升過快所引起的開斷失敗，同時提高中壓電力系統的智能化水平，保證系統安全、穩定的運行。
傳統的短路電流識別與開斷裝置主控電路通過不同的電流傳感器採集短路電流信號進行判斷從而控制斷路器分閘，其不具有快速識別功能，同時對於斷路器的狀態不能實時監測。即便斷路器能夠受令即時分閘，也會因短路故障大電流的發生而導致用電設備受損。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置及其控制方法，通過本發明保證機械開關和電力電子器件串並聯組成的新型斷路器在短路故障電流的上升沿快速識別以及安全可靠分斷。
本發明的第一個目的是通過以下技術方案實現的，一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置，其特徵在於：包括傳感器和控制器；所述傳感器採用霍爾電流傳感器；所述控制器包括信號調理模塊、AD轉換模塊、中央處理器FPGA、單片機ATmega128、光電隔離模塊、開關量I/O模塊、觸發信號接口模塊、RS485通信模塊和人機互動模塊；所述傳感器、信號調理模塊、AD轉換模塊、中央處理器FPGA、觸發信號接口模塊按照先後次序依次串聯；所述中央處理器FPGA、單片機ATmega128經並行總線接口相聯；所述開關量I/O模塊、光電隔離模塊、單片機ATmega128、RS485通信模塊、人機互動模塊按照先後次序依次串聯。
所述控制器的信號採集模塊由差分放大電路、濾波電路串聯組成。
優選的，所述控制器的人機互動模塊由LCD液晶屏、鍵盤串聯組成。
優選的，所述控制器的觸發信號接口模塊由升壓電路、脈衝放大器串聯組成。
優選的，所述RS485通信模塊與MODBUS通信協議組成管理層即上位PC機與設備層中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置即下位機的問答式通信。
本發明的第二個目的是通過以下技術方案實現的，利用上述中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置進行識別的方法，包括以下步驟：
①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流迴路導體外，實時在線監測斷路器電流迴路的電流值i並轉換成電流模擬信號；
②來自霍爾電流傳感器的電流模擬信號經信號調理模塊的信號放大、濾波後傳至AD轉換模塊；
③AD轉換模塊將電流模擬信號轉換成電流數位訊號，並傳至中央處理器FPGA；
④中央處理器FPGA對電流數位訊號經FIR濾波，DDL保護模塊進行信號數據分析並根據預先設定的短路識別算法確定是否觸發斷路器快速分閘；
⑤觸發斷路器快速分閘時，在人機互動界面同時顯示斷路器的狀態參數與故障波形並記錄。
優選的，所述步驟①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流迴路導體外屬非接觸測量，無需進行高低壓隔離。
該電流測量系統使用霍爾電流傳感器同時在額定工作電流情況與故障衝擊大電流情況下進行測量。測量時的實際實施方法是：將霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流迴路導體外，屬非接觸式測量，與試驗迴路不存在電氣連接，因而其抗幹擾能力強，其絕緣性能易於實現。
上述霍爾電流傳感器的測量信號經信號調理模塊的信號放大、濾波，並經AD數模轉換後送入中央處理器FPGA，在中央處理器FPGA中經FIR濾波及DDL分析後，向觸發信號模塊輸入控制信號，驅動晶閘管動作，實現對晶閘管的開斷控制，從而實現斷路器的快速分閘。
本發明所述的中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置既能夠測量中壓斷路器的穩態額定工作電流，也能測量快速上升的故障大電流，同時可以在300us內完成短路電流的監測識別並控制斷路器動作，並且通過人機互動模塊實現斷路器狀態參數和故障波形的實時顯示、短路識別算法閥值的設定。本發明具有量程大、測量精度高、體積小、重量輕等優點，便於實現和廣泛推廣應用。
附圖說明
圖1為霍爾電流傳感器測量電流原理圖；
圖2為這種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置工作流程圖。
具體實施方式
結合附圖和實施例進一步詳細說明本發明的結構和工作原理。本控制裝置由霍爾電流傳感器、控制器兩部分構成。霍爾電流傳感器用於測量待測導體的電流並轉變為電流模擬量輸出信號。如附圖1所示，霍爾電流傳感器套接在待測電流導體（例如銅排）外。根據電磁學理論，在通電直導線周圍會產生感應磁場，且磁場強度B與所通電流的大小成正比。霍爾電流傳感器主要是通過檢測導體周圍空間產生的磁場強度來間接測量流過導體的電流的大小。因傳感器中鐵芯內的磁感應強度與導體中所通電流的大小成線性關係，而又根據霍爾效應，傳感器去輸出感應電壓與磁場大小成線性關係，故而傳感器輸出電壓即在一定範圍內可以精確地線性反應導線中電流的大小。這種電流測量方法中，霍爾傳感器不與電路直接接觸或連接，這種非接觸式測量測量精度高，具有一定隔離作用。且針對更高電壓等級，其絕緣問題也容易解決。
如附圖2所示，控制器由信號調理模塊、AD模數變換模塊、中央處理器FPGA、單片機ATmega128、光電隔離模塊、開關量I/O模塊、觸發信號接口模塊、RS485通訊模塊及人機互動模塊(LCD液晶屏、鍵盤)等構成。霍爾電流傳感器的測量信號通過信號調理模塊放大、濾波後，經AD模數變換模塊轉換送入中央處理器FPGA，進行FIR濾波及DDL算法分析處理，將分析結果通過觸發信號模塊觸發晶閘管動作從而實現斷路器的快速分閘。同時，FPGA中央處理器的分析結果與斷路器開關量通過並行總線接口採用RS-485串行通信標準實現上下位機之間的數據交換、遠程監控、斷路器工作狀態的實時顯示以及電流波形的存儲。短路識別算法閥值可通過人機互動界面進行設定並寫入控制器中。
利用上述中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置的控制方法，包括以下步驟：
①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流迴路導體外，實時在線監測斷路器電流迴路的電流值i並轉換成電流模擬信號；
②來自霍爾電流傳感器的電流模擬信號經信號調理模塊的信號放大、濾波後傳至AD轉換模塊；
③AD轉換模塊將電流模擬信號轉換成電流數位訊號，並傳至中央處理器FPGA；
④中央處理器FPGA對電流數位訊號經FIR濾波，DDL保護模塊進行信號數據分析並根據預先設定的短路識別算法確定是否觸發斷路器快速分閘；
⑤觸發斷路器快速分閘時，在人機互動界面同時顯示斷路器的狀態參數與故障波形並記錄。
優選的，所述步驟①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流迴路導體外屬非接觸測量，無需進行高低壓隔離。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。