一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制系統及方法與流程
2023-08-07 09:02:56
本發明涉及永磁斷路器控制領域，尤其涉及一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制系統及方法。
背景技術：
近年來，隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，以及電力相關技術新標準的頒布，對配電網系統的穩定性和智能化的要求越來越高，而永磁技術的實現以及現代電力電子技術和計算機技術的發展使得配電網智能化得到突破性發展。永磁斷路器作為智能斷路器中優秀的一員，其高可靠性、免維護、分合閘速度快、開斷能力強等特點得到了大家的一致認可。目前國內外有數十家廠商和科研機構投入了大量的資源在研究永磁機構相關的產品和技術，國外有ABB、西門子、施耐德等，國內有四方、北京科銳、揚州新概念等等，而且已經開發出一系列產品和技術，並取得不錯的成效，但是隨著永磁技術的產品越來越多，以及應用範圍越來越廣，其局限性也逐步體現了出來，例如永磁機構的電壓等級各有不同造成其控制器匹配的複雜性，驅動分合閘的方式不同所取得的效果也不一樣，驅動電源如何合理利用等等。
現有永磁機構斷路器驅動電源上的選擇是一致的，即採用大容量的鋁電解電容給分合閘線圈釋放大電流，產生磁場從而進行分合閘。相比較而言，採用蓄電池作為驅動電源則需要定期維護，採用超級電容模組作為驅動電源的成本遠遠高於大容量的電解電容。目前主要的控制方法與驅動單元主要有以下幾大方向：
（1）由控制器直接固定輸出分合閘脈衝時間的，並且採用給電容器設定一個欠壓點的模式，一旦低於欠壓點便閉鎖分合閘脈衝輸出。該方式的優點是可靠，但是缺點非常明顯，由於無法得知分合閘是否到位，為了保障斷路器分合閘成功，其固定的輸出比真正需要輸出時間長得多，這樣不僅無法體現分合閘速度快的優點，而且損耗大量能量，根據實際分合閘電容電壓跌落測試，一般容量的電容器操作一次後，電壓跌落較大，基本會造成電容欠壓，無法再進行下一步操作。
（2）採用位置傳感器採集位置信息並參與分合閘脈衝的輸出邏輯，同樣採用一個欠壓點的模式，該方式優點是信號靈敏，且分合閘所需能量相對較少。但是該方式的難點在於位置傳感器的安裝位置要求較為苛刻，容易出現過早感應到位置變化導致分合閘不成功，甚至因同時感應到多個位置信號導致斷路器拒動的現象發生。而且採用一個欠壓點的模式，仍然需要一個容量非常大的電容器才能實現第二次操作。
（3）採用雙線圈的機構，並且分合閘輸出分別採用一個電容器，互不幹擾，仍然採用一個欠壓點的模式，該方式的優點是操作一次後仍然可以操作第二次，缺點是仍然需要大容量電容才可實現重合閘，而且分合閘分開來設計的方式實現起來比較複雜，而且成本較高。
（4）驅動單元採用單個IGBT或者其他大功率場效應管的，該方式優點是電路簡單，元器件較少，缺點是單個場效應管承受的最大電壓較大，在較大電流和電壓衝擊下，容易發生元器件損壞的現象。
（5）目前控制器中大多採用與永磁機構電壓等級一對一的方式，該方式的優點是有針對性，缺點是碰到不同的電壓等級的機構時，需要更換控制器，適應性不強。
綜上所述，目前現有技術中採用一個欠壓點的模式，不利於操作電源的利用，採用單個IGBT驅動，不利於元器件的保護，除此之外由於永磁機構電壓等級的多樣性造成控制器的多樣性。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，本發明的其中一個目是提供一種實現方式簡單且可合理利用驅動電源能量的基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制系統，其使永磁斷路器能夠可靠、快速地進行分合閘，節約能耗，並能延長驅動電路中元器件的使用壽命，提高控制器的適應性。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案為：
一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制系統，其特徵在於：包括測控單元、驅動單元、電容電壓檢測單元和永磁斷路器，所述測控單元輸入端分別連接有位置傳感器和電容電壓檢測單元，所述測控單元輸出端與驅動單元連接；所述驅動單元輸入端連接有電容器，所述驅動單元輸出端與永磁斷路器連接；
所述電容電壓檢測單元，用於檢測電容欠壓信號；
所述位置傳感器，用於採集永磁斷路器的分合閘位置信號並傳遞給測控單元；
所述測控單元，用於採集電容器欠壓信號和位置傳感器的信號，判斷電容器是否欠壓再向驅動單元輸出分合閘脈衝；
所述驅動單元，用於接收到分合閘脈衝並驅動永磁斷路器分合閘動作。
作為上述技術方案的改進，所述測控單元包括第一控制單元和第二控制單元，所述第一控制單元與第二控制單元連接，所述第二控制單元，用於完成信號判斷的步驟並向第一控制單元輸出判斷結果；所述第一控制單元控制第二控制單元向驅動單元輸出分合閘脈衝。
作為上述技術方案的改進，第一控制單元採用DSP，第二控制單元採用CPLD。
作為上述單欠壓技術方案的改進，所述電容電壓檢測單元可分別設置有分閘欠壓點和合閘欠壓點，根據分合閘能量分別設置分合閘欠壓門限值，所述電容電壓檢測單元包括依次連接的分閘欠壓點和合閘欠壓點設置電路、分壓電路、比較器電路以及光耦隔離迴路，所述光耦隔離迴路輸出端連接測控單元。
作為上述技術方案的改進，所述驅動單元包括依次連接的IGBT驅動迴路和IGBT全橋電路，所述永磁斷路器線圈並接於IGBT全橋電路兩橋臂之間，所述電容器與IGBT全橋電路的兩端連接。
作為上述技術方案的改進，所述IGBT驅動迴路包括依次連接的隔離迴路和功率放大器電路，所述隔離迴路輸入端連接測控單元，所述功率放大器輸出端連接IGBT全橋電路。
作為上述技術方案的改進，所述IGBT全橋電路包括4個IGBT迴路。
為了克服上述現有技術的不足，本發明的另一個目的是提供一種實現方式簡單且可合理利用驅動電源能量的基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制方法，其使永磁斷路器能夠可靠、快速地進行分合閘，節約能耗，並能延長驅動電路中元器件的使用壽命，提高控制器的適應性。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案為：
一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制方法，其特徵在於：包括如下步驟：
1）信號採集：電容電壓檢測單元檢測電容器的電壓，並將檢測到的電容器電壓與設定的欠壓點門限值進行比較判斷，輸出比較判斷結果給測控單元，同時測控單元通過位置傳感器採集永磁斷路器的分合閘位置信號；
2）欠壓信號判斷：電容電壓檢測單元將檢測到的電容器電壓與設定的欠壓點門限值進行比較判斷：若電容器電壓低於分閘欠壓點的門限值就傳送測控單元分閘欠壓信號；若電容器電壓低於合閘欠壓點且高於分閘欠壓電的門限值就傳送測控單元合閘欠壓信號；若電容器電壓高於合閘欠壓點，則上送不欠壓信號。
3）分合閘驅動控制：根據當前的位置信號，當電容器欠壓信號不存在時，測控單元向驅動單元輸出分合閘脈衝，否則閉鎖分合閘脈衝輸出。
作為上述技術方案的改進，所述電容電壓檢測單元可分別設置有分閘欠壓點和合閘欠壓點，根據分合閘能量分別設置分合閘欠壓門限值，所述電容電壓檢測單元包括依次連接的分閘欠壓點和合閘欠壓點設置電路、分壓電路、比較器電路以及光耦隔離迴路，所述步驟2） 中電容電壓檢測單元判斷電容器是否處於欠壓具體步驟為：電容器電壓經過分壓電路後，電壓信號進入比較器電路與設定的欠壓點門限值進行比較，比較器電路輸出高低電平信號經過光耦隔離迴路後進入測控單元，測控單元根據接收到的電平信號判斷是否出現分閘欠壓或者合閘欠壓，若出現分閘欠壓則閉鎖分閘脈衝信號輸出，若出現合閘欠壓則閉鎖合閘脈衝信號輸出，並將相應欠壓信號發送至控制單元判斷。
作為上述技術方案的改進，所述步驟中3）測控單元向驅動單元輸出相應的分合閘脈衝具體步驟為：所述測控單元接收到分合閘信號時，判斷當前電容器是否欠壓，若不欠壓，則輸出相應的分合閘脈衝信號，所述分合閘脈衝信號經過光藕隔離迴路後進入功率放大電路，在經過功率放大後，驅動信號進入IGBT全橋電路，驅動IGBT導通，電容器放電。
本發明的有益效果有：
本發明一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制系統及方法，通過利用單穩態機構分閘有分閘彈簧協助所需能量小且分閘時間穩定，合閘所需能量大的特點，分閘採用固定時長輸出，合閘根據位置信號輸出脈衝並延時一定時長，無位置信號時固定時長輸出，實現簡單，可以避免合閘脈衝的無謂持續輸出，節約電容器能量，並可保證合閘的可靠性；同時根據分合閘所需不同的能量大小，以及電力標準的相關規定分別設定適合分閘的電容欠壓點門限值以及合閘的電容欠壓點門限值，這樣電容充滿電時分閘不會出現合閘電容欠壓信號，合閘後仍可分閘，從而有效利用電容器的能量。而且合於故障線路時可立即分閘，防止前端變電站出口斷路器跳閘，保護線路安全。
本發明採用IGBT全橋模式的控制方式，降低每個IGBT上承受的最大電壓，延長使用壽命，分合閘可共用一個電容器，節省成本，並且該控制方法可以把斷路器驅動單元3做成可替換的模塊，針對不同電壓等級的永磁機構可以替換相應等級的模塊。
附圖說明
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明，其中：
圖1是本發明實施例的原理示意圖；
圖2是本發明實施例的分合閘欠壓點設置電路框圖；
圖3是本發明實施例的電容電壓變化曲線與欠壓信號關係圖；
圖4是本發明實施例的欠壓判斷工作原理圖；
圖5是本發明實施例的分合閘驅動控制的波形圖。
具體實施方式
參照圖1，本發明具體實施例提供一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制系統，包括測控單元2、驅動單元3、電容電壓檢測單元1和永磁斷路器5，所述測控單元2輸入端分別連接有位置傳感器4和電容電壓檢測單元5，所述測控單元2輸出端與驅動單元2連接；所述驅動單元2輸入端連接有電容器6，所述驅動單元2輸出端與永磁斷路器5連接；
所述電容電壓檢測單元1，用於檢測電容欠壓信號；所述位置傳感器4，用於採集永磁斷路器的分合閘位置信號並傳遞給測控單元；所述測控單元2，用於採集電容器欠壓信號和位置傳感器的信號，判斷電容器是否欠壓再向驅動單元輸出分合閘脈衝；所述驅動單元3，用於接收到分合閘脈衝並驅動永磁斷路器分合閘動作。
為了健全測控單元的可靠性，所述測控單元2包括第一控制單元21和第二控制單元22，所述第一控制單元21與第二控制單元22連接，所述第二控制單元22，用於完成信號判斷的步驟並向第一控制單元21輸出判斷結果；所述第一控制單元21控制第二控制單元22向驅動單元輸出分合閘脈衝。優選，第一控制單元21採用DSP，第二控制單元22採用CPLD。優選的是，第二控制單元CPLD22除了可以完成脈衝輸出時間判斷、分合閘位置信號判斷、分合閘脈衝輸出等功能外，還可以完成電容欠壓採集判斷、遙控分合閘判斷、手動分合閘判斷等功能。
與設置一個欠壓點比較，所述電容電壓檢測單元可分別設置有分閘欠壓點和合閘欠壓點，根據分合閘能量分別設置分合閘欠壓門限值，這樣電容充滿電時分閘不會出現合閘電容欠壓信號，合閘後仍可分閘，從而有效利用電容器的能量。所述電容電壓檢測單元1包括依次連接的分閘欠壓點和合閘欠壓點設置電路11、分壓電路12、比較器電路13以及光耦隔離迴路14，所述光耦隔離迴路14輸出端連接測控單元2。電容電壓檢測單元採集欠壓信號工作過程為：測控單元2的第二控制單元CPLD22對驅動單元3上送的電容欠壓信號進行採集，並識別是合閘欠壓還是分閘欠壓信號，斷路器驅動單元3監測電容器5的電壓並根據設定的合閘欠壓點和分閘欠壓點進行比較，若電容電壓低於分閘欠壓點則向測控單元2發送分閘欠壓信號，若電容電壓高於分閘欠壓點，低於合閘欠壓點，則輸出合閘欠壓，若電容電壓高於合閘欠壓點，則不輸出欠壓信號，並經過處理後上送給第一控制單元DSP21，除此之外測控單元2還採集位置傳感器4上送的位置信號，測控單元2首先判斷永磁斷路器1分合閘位置信號是否有效，為了保證位置檢測信號的準確，位置傳感器4所採集的分合閘位置信息在判斷前需要經過消抖濾波處理。
所述驅動單元3包括依次連接的IGBT驅動迴路31和IGBT全橋電路32，所述IGBT全橋電路32包括4個IGBT迴路，所述所述永磁斷路器線圈並接於IGBT全橋電路32兩橋臂之間，所述電容器6與IGBT全橋電路32的兩端連接。所述IGBT驅動迴路31包括依次連接的隔離迴路311和功率放大器電路312，所述隔離迴路311輸入端連接測控單元2，所述功率放大器312輸出端連接IGBT全橋電路32。驅動單元3採用IGBT全橋控制方式，當測控單元2發出分合閘驅動信號時，IGBT全橋電路32中相應的IGBT導通輸出電流操作斷路器的分合閘。在測控單元2輸出分合閘脈衝信號前需要判斷當前的位置信號以及電容是否欠壓，若不滿足這兩個條件則閉鎖分合閘脈衝信號的輸出。
位置傳感器4用於對斷路器分合閘位置進行監測，實現時此位置。傳感器4一般採用接近開關實現。電容器5用於給分合閘提供大的輸出電流，產生磁場推動永磁斷路器內部的動鐵心分閘或合閘。
該控制系統可以把驅動單元3做成可替換的模塊，針對不同電壓等級的永磁斷路器可以替換相應等級的模塊。只需將驅動模塊中的電壓轉換部分變更電壓等級，並相應的調節欠壓點的門限值即可升級為新的電壓等級的驅動單元，而且更換模塊不影響欠壓信號的採集，以及分合閘驅動信號的輸出。
下面舉具體的實施例說明本發明的控制過程：
如圖2和圖3所示，以分閘過程為例說明，驅動單元3首先檢測當前電容器6的電壓並與兩個欠壓點比較，若電容電壓高於分閘欠壓點，則無分閘欠壓信息上送，測控單元2採集當前位置信號，若處於合閘位置，且無分閘欠壓信號則通過測控單元2發出分閘脈衝信號，經過IGBT驅動迴路31後轉化為驅動信號，以高電平為有效，分閘過程中，IGBT驅動信號2和3均輸出一段時間為T1的脈衝信號，IGBT驅動信號1和4無高電平脈衝輸出，所示相應的兩個IGBT導通，電容器5對永磁斷路器的線圈進行放電，操作斷路器進行分閘，分閘的電流信號波形圖如圖5所示，在T1時間內電流逐漸升高，T1時間後，IGBT信號2和3脈衝結束，IGBT關斷電容輸出，電流快速下降，分閘過程結束。
參考圖2和圖4，一種基於雙欠壓信息的永磁斷路器控制方法，其特徵在於：包括如下步驟：
1）信號採集：電容電壓檢測單元檢測電容器的電壓，並將檢測到的電容器電壓與設定的欠壓點門限值進行比較判斷，輸出比較判斷結果給測控單元，同時測控單元通過位置傳感器採集永磁斷路器的分合閘位置信號；
2）欠壓信號判斷：電容電壓檢測單元將檢測到的電容器電壓與設定的欠壓點門限值進行比較判斷：若電容器電壓低於分閘欠壓點的門限值就傳送測控單元分閘欠壓信號；若電容器電壓低於合閘欠壓點且高於分閘欠壓電的門限值就傳送測控單元合閘欠壓信號；
3）分合閘驅動控制：根據當前的位置信號，當電容器欠壓信號不存在時，測控單元向驅動單元輸出分合閘脈衝，否則閉鎖分合閘脈衝輸出。
進一步，所述電容電壓檢測單元可分別設置有分閘欠壓點和合閘欠壓點，根據分合閘能量分別設置分合閘欠壓門限值，所述電容電壓檢測單元包括依次連接的分閘欠壓點和合閘欠壓點設置電路、分壓電路、比較器電路以及光耦隔離迴路，所述步驟2） 中電容電壓檢測單元判斷電容器是否處於欠壓具體步驟為：電容器電壓經過分壓電路後，電壓信號進入比較器電路與設定的欠壓點門限值進行比較，比較器電路輸出高低電平信號經過光耦隔離迴路後進入測控單元，測控單元根據接收到的電平信號判斷是否出現分閘欠壓或者合閘欠壓，若出現分閘欠壓則閉鎖分閘脈衝信號輸出，若出現合閘欠壓則閉鎖合閘脈衝信號輸出，並將相應欠壓信號發送至控制單元判斷。
進一步，所述步驟中3）測控單元向驅動單元輸出相應的分合閘脈衝具體步驟為：所述測控單元單元接收到分合閘信號時，判斷當前電容器是否欠壓，若不欠壓，則輸出相應的分合閘脈衝信號，所述分合閘脈衝信號經過光藕隔離迴路後進入功率放大電路，在經過功率放大後，驅動信號進入IGBT全橋電路，驅動IGBT導通，電容器放電。
本發明在保證永磁斷路器可靠分合閘的同時減少了能量的輸出，實現了斷路器的重合閘，並且延長了分合閘操作迴路的使用壽命，增強了控制器的適應性，基於此控制方法的產品可以應用於主幹線或重大分支線路上。另外，當測控單元採用第一控制單元和第二控制單元互相配合實現時，這種分層組合控制的方式能夠進一步健全控制的可靠性。
以上所述，只是本發明的較佳實施方式而已，但本發明並不限於上述實施例，只要其以任何相同或相似手段達到本發明的技術效果，都應屬於本發明的保護範圍。