多功能測控裝置的智能選相系統及方法
2023-12-04 15:02:51 1
專利名稱：多功能測控裝置的智能選相系統及方法
技術領域：
本發明涉及電力系統自動化測量和控制技術領域，具體涉及一種應用於具有選相和智能終端功能的多功能測控裝置的高精度智能選相技術及方法。
背景技術：
斷路器任意相位進行分合閘操作時，會產生過電壓及湧流，危及電力設備的絕緣性和電力系統的穩定性，還會干擾迴路上或附近迴路靈敏度高的電氣設備正常工作，所以在最佳相角實現斷路器的分合閘，能夠使得分合閘對電力設備和系統衝擊最小，對延長電力設備壽命，提高電網穩定性，具有重要意義。目前，選相技術的實現方法，包括兩類，具體介紹如下
I)在一次開關設備中通過增加微處理器和外圍硬體迴路實現選相功能，如中國專利申請號為200920023808. 6的智能選相開關、中國專利申請號為201020279116. O的低壓智能選相開關，這類實現方式的問題在於微處理器及外圍硬體迴路等電子部件經常受到現場惡劣環境和大電流開斷而引起的高強度電磁幹擾，會影響壽命和可靠性；
2 )專用的智能選相裝置，如中國專利申請號為87211356. 6的選相合閘裝置、中國專利申請號為200820205799. 8的新型選相合閘控制裝置以及中國專利申請號為201120315469. 6的一種選相分閘裝置，這類智能選相裝置的問題是需要專門的選相裝置，硬體成本高，增加了二次迴路設計複雜性，而且不具備樣本學習、智能學習、智能成長等智能選相輔助功能。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，不增加額外的硬體裝置，在多功能測控裝置中實現智能選相功能，提供的多功能測控裝置的智能選相系統及方法，採用高精度頻率測量、高精度過零檢測、斷路器參量補償等一系列軟硬體結合的綜合選相技術，結合獨特的智能選相輔助方法，達到高精度的智能選相功能，實現了選相功能的智能化，從而使得分合閘對電力設備和系統衝擊最小，延長電力設備的使用壽命，提高電網穩定性，具有良好的應用前景。為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案
一種多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於包括微處理器模塊、FPGA、模擬量採集電路、AD採樣電路、過零檢測電路、遙信採集電路、斷路器參量接口電路、跳合閘出口電路和乙太網接口電路，所述模擬量採集電路設有兩路輸出端，一路輸出端通過過零檢測電路、FPGA與微處理器模塊相連接，另一輸出端通過AD採樣電路與微處理器模塊相連接，所述微處理器模塊還分別與遙信採集電路、斷路器參量接口電路、跳合閘出口電路、乙太網接口電路相連接。前述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述微處理器模塊包括，邏輯運算中樞，用於測控運算和智能選相邏輯運算；
智能學習中樞，用於實現樣本學習、智能學習、智能成長、智能選相的輔助功能；
所述邏輯運算中樞為DSP處理器、智能學習中樞為PowerPC處理器，DSP處理器與PowerPC處理器通過雙口 RAM完成數據信息交互。前述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述FPGA為數據同步採樣中樞，用於產生與GPS同步的採樣脈衝信號，並通過邏輯運算中樞控制AD採樣電路的採集速率，以及檢測過零檢測電路的過零方波信號，記錄三相電壓、三相電流的精確過零時刻，並傳送給邏輯運算中樞。前述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述過零檢測電路採樣電壓、電流信號，輸出過零時刻同步的方波信號。前述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述斷路器參量接口電路包括斷路器環境溫度接口、操作電壓接口、SF6氣體壓力接口和分合閘電流接口，DSP處理器通過斷路器參量接口電路對斷路器狀態進行在線監測，通過實時在線監測的參量及斷路器樣本曲線實現對斷路器分合閘時間的精確補償。 前述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述智能學習中樞，對於每次斷路器的分合閘操作，通過遙信採集電路回採的斷路器位置信號及AD採樣電路採集的電壓、電流實際分合閘相角，記錄並保存動作軌跡完成智能學習。前述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述智能學習中樞，包括，樣本學習，對斷路器分合閘樣本數據進行抽取形成樣本曲線，並且能根據實時在線監
測的斷路器參量對樣本曲線進行抽取和擬合，獲得準確的斷路器分合閘時間參量補償量；智能學習，對於每次斷路器分合閘操作，通過回採斷路器位置信號及電壓、電流分合閘時刻相角，記錄斷路器實際動作軌跡完成智能學習，智能學習記錄的動作軌跡可以為人工分析提供數據，也可以通過智能成長對樣本曲線進行修正和補償；
智能成長，根據智能學習記錄的軌跡，計算樣本數據的誤差及補償量，對樣本數據進行自動補償，形成新的修正後樣本曲線。基於權利要求1多功能測控裝置的智能選相方法，其特徵在於包括以下步驟，步驟(I)當多功能測控裝置接收到遙控或來自保護的跳合閘命令信號後，判斷過零點
分合閘類型，若為電流過零點分合閘，則得到A、B、C三相電流過零點時刻，若為電壓過零點分合閘，則得到A、B、C三相電壓過零點時刻；
步驟(2)根據DSP處理器計算的頻率及斷路器固有分合閘時間計算A、B、C三相的固定分合閘延時時間；
步驟(3)獲得斷路器分合閘時間參量及補償量；具體實現如下DSP處理器將通過斷路器參量接口電路獲得的斷路器在線監測量通過雙口 RAM傳送到智能中樞PowerPC處理器，智能中樞根據實時在線監測量對斷路器參量樣本曲線進行抽取和擬合，得到斷路器參量及補償量，並將參量及補償量回傳給DSP處理器；
步驟(4) DSP處理器對斷路器參量進行補償；
步驟(5)計算A、B、C三相補償後的分合閘延時時間；
步驟(6)在步驟(I)得到的過零點時刻後，等待步驟(5)計算的A、B、C三相的分合閘延時，若A相延時時間到，觸發斷路器的A相分合閘，若B相延時時間到，觸發斷路器的B相分合閘，若C相延時時間到，觸發斷路器的C相分合閘。本發明的有益之處在於本發明的多功能測控裝置的智能選相系統及方法，對影響選相精度的三要素，頻率測量精度、過零時刻檢測精度以及斷路器分合閘時間參量精度，進行綜合分析和研究，採用一系列綜合選相和獨特的智能選相輔助技術，不僅實現了高精度的智能選相，而且實現了選相功能的智能化，具有以下優點
1)本發明的智能選相系統，不需要增加額外的硬體設備，在不增加硬體成本的同時，在多功能測控裝置中實現了在斷路器的最佳位置選相分合閘功能；
2)對影響選相精度的三要素，包括頻率測量精度、過零時刻檢測精度、斷路器分合閘時間參量精度，進行綜合分析和研究，採用高精度頻率測量、高精度過零檢測電路、斷路器參量實時補償技術等一系列軟硬體結合的綜合技術進行選相，實現高精度的選相；
3)本發明具有智能選相輔助功能，實現對影響選相精度要素的斷路器分合閘時間的精確補償，從而提高選相精度，實現選相的智能化。本發明能夠在不增加硬體成本的同時，使得斷路器分合閘的操作過程對電力設備和系統衝擊最小，對延長電力設備壽命，提高電網穩定性，具有良好的應用前景。
圖1是本發明的多功能測控裝置的智能選相系統的系統框圖。圖2本發明的多功能測控裝置的智能選相系統邏輯實現的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。如圖1所示，多功能測控裝置的智能選相系統，包括微處理器模塊、FPGA、模擬量採集電路、AD採樣電路、過零檢測電路、遙信量採集電路、跳合閘出口電路和乙太網接口電路，模擬量採集電路設有兩路輸出端，一路輸出端通過過零檢測電路、FPGA與微處理器模塊相連接，另一輸出端通過AD採樣電路與微處理器模塊相連接，微處理器模塊還分別與遙信採集電路、斷路器參量接口電路、跳合閘出口電路、乙太網接口電路相連接。所述微處理器模塊包括
邏輯運算中樞，用於測控運算和智能選相邏輯運算；
智能學習中樞，用於樣本學習、智能學習、智能成長的選相的智能輔助功能，其中樣本學習，對斷路器分合閘樣本數據進行抽取形成樣本曲線，並且能根據實時在線監測的斷路器參量對樣本曲線進行抽取和擬合，獲得準確的斷路器分合閘時間參量補償量；智能學習，對於每次斷路器分合閘操作，通過回採斷路器位置信號及電壓、電流分合閘時刻相角，記錄斷路器實際動作軌跡完成智能學習，智能學習記錄的動作軌跡可以為人工分析提供數據，也可以通過智能成長對樣本曲線進行修正和補償；
所述邏輯運算中樞為DSP處理器、智能學習中樞為PowerPC處理器，DSP處理器與PowerPC處理器通過雙口 RAM完成數據信息交互。所述FPGA為數據同步採樣中樞，用於產生與GPS同步的採樣脈衝信號，並通過邏輯運算中樞控制AD採樣電路的採集速率，以及檢測過零檢測電路的過零方波信號，記錄三相電壓、三相電流的精確過零時刻，並傳送給邏輯運算中樞。
所述過零檢測電路採樣電壓、電流信號，輸出過零時刻同步的電壓、電流過零方波信號。所述斷路器參量接口電路包括斷路器環境溫度接口、操作電壓接口、SF6氣體壓力接口和分合閘電流接口，DSP處理器通過斷路器參量接口電路對斷路器參量進行在線監測，通過實時在線監測的參量及斷路器樣本曲線實現對斷路器分合閘時間的精確補償。所述智能學習中樞，對於每次斷路器的分合閘操作，邏輯中樞通過遙信採集電路回採斷路器位置信號，通過AD採樣電路採集電壓、電流得到實際分合閘相角，並通過雙口RAM傳送到智能學習中樞，智能學習中樞記錄每次學習軌跡完成智能學習。本發明的多功能測控裝置的智能選相系統，對於影響選相精度的三要素，頻率測量的精度、過零時刻檢測的精度、斷路器分合閘時間的參量精度採用軟硬體結合的綜合技術實現高精度選相，包括
DSP處理器對頻率進行高精度測量，頻率誤差優於O. OOlHz,對應相位誤差優於O. 0072，具體實現如下智能選相系統的交流信號輸入迴路採用新型毫安級精密互感器，體積小、精度高、溫度特性好。交流信號經互感器變換後經過模擬抗混疊低通濾波器輸入本發明的AD採樣電路，AD採樣電路採用16位高精度A/D轉換晶片，交流信號採樣率最高可到10kHz，並由FPGA控制數據同步採樣，FPGA能夠產生與對時信號精確同步的同時滿足等間隔整周期採樣的採樣脈衝信號，直接通過DSP處理器控制AD採樣電路採集交流信號，DSP處理器的軟體設計為每周波80點採樣、採用64點拉格朗日插值重採樣技術、64點FFT算法、軟體頻率跟蹤技術等實現了高精度頻率測量。過零檢測電路連接FPGA，FPGA判斷精確過零時刻的誤差優於I微秒，對應相位誤差優於O. 018度、PowerPC處理器能夠實現對斷路器分合閘時間參量的實時補償，滿足選相的高精度要求。所述跳合閘出口電路設有兩組分相跳合閘出口，可實現A相、B相、C相分相控制，還具有分相跳合閘電流保持迴路，能夠保證斷路器定相分合閘可靠動作。如圖2所示，運行在上述的智能選相系統上的智能選相邏輯的實現流程，包括以下步驟，
第一步，當多功能測控裝置接收到遙控或來自保護的跳合閘命令信號後，判斷過零點分合閘類型，若為電流過零點分合閘，則通過FPGA實時過零檢測電路得到A、B、C三相電流過零點時刻，若為電壓過零點分合閘，則通過FPGA實時過零檢測電路得到A、B、C三相電壓過零點時刻。第二步，根據第一步測量的過零點時刻、DSP處理器計算的頻率及斷路器固有分合閘時間得到A相、B相、C相的固定的分合閘延時。第三步，獲得斷路器分合閘時間參量及補償量；具體實現如下
DSP處理器將通過斷路器參量接口電路獲得的斷路器在線監測量通過雙口 RAM傳送到智能中樞PowerPC處理器，智能中樞根據實際在線監測量對斷路器參量樣本曲線進行抽取和擬合，得到斷路器參量及補償量，並將參量及補償量回傳給DSP處理器；
第四步，DSP處理器對斷路器參量進行補償；
第五步，計算A、B、C三相補償後的分合閘延時時間；
第六步，在第一步得到的過零點時刻後，等待第五步計算的A、B、C三相的分合閘延時,若A相延時時間到，觸發斷路器的A相分合閘，若B相延時時間到，觸發斷路器的B相分合閘，若C相延時時間到，觸發斷路器的C相分合閘。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的 保護範圍內。
權利要求
1.多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於包括微處理器模塊、FPGA、模擬量採集電路、AD採樣電路、過零檢測電路、遙信採集電路、斷路器參量接口電路、跳合閘出口電路和乙太網接口電路，所述模擬量採集電路設有兩路輸出端，一路輸出端通過過零檢測電路、 FPGA與微處理器模塊相連接，另一輸出端通過AD採樣電路與微處理器模塊相連接，所述微處理器模塊還分別與遙信採集電路、斷路器參量接口電路、跳合閘出口電路、乙太網接口電路相連接。
2.根據權利要求書I所述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述微處理器模塊包括，邏輯運算中樞，用於測控運算和智能選相邏輯運算；智能學習中樞，用於實現樣本學習、智能學習、智能成長、智能選相的輔助功能；所述邏輯運算中樞為DSP處理器、智能學習中樞為PowerPC處理器，DSP處理器與 PowerPC處理器通過雙口 RAM完成數據信息交互。
3.根據權利要求書I所述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述FPGA 為數據同步採樣中樞，用於產生與GPS同步的採樣脈衝信號，並通過邏輯運算中樞控制AD 採樣電路的採集速率，以及檢測過零檢測電路的過零方波信號，記錄三相電壓、三相電流的精確過零時刻，並傳送給邏輯運算中樞。
4.根據權利要求書I所述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述過零檢測電路採樣電壓、電流信號，輸出過零時刻同步的方波信號。
5.根據權利要求書I所述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述斷路器參量接口電路包括斷路器環境溫度接口、操作電壓接口、SF6氣體壓力接口和分合閘電流接口，DSP處理器通過斷路器參量接口電路對斷路器狀態進行在線監測，通過實時在線監測的參量及斷路器樣本曲線實現對斷路器分合閘時間的精確補償。
6.根據權利要求書I或2所述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述智能學習中樞，對於每次斷路器的分合閘操作，通過遙信採集電路回採的斷路器位置信號及AD採樣電路採集的電壓、電流實際分合閘相角，記錄並保存動作軌跡完成智能學習。
7.根據權利要求書6所述的多功能測控裝置的智能選相系統，其特徵在於所述智能學習中樞，包括，樣本學習，對斷路器分合閘樣本數據進行抽取形成樣本曲線，並且能根據實時在線監測的斷路器參量對樣本曲線進行抽取和擬合，獲得準確的斷路器分合閘時間參量補償量；智能學習，對於每次斷路器分合閘操作，通過回採斷路器位置信號及電壓、電流分合閘時刻相角，記錄斷路器實際動作軌跡完成智能學習，智能學習記錄的動作軌跡可以為人工分析提供數據，也可以通過智能成長對樣本曲線進行修正和補償；智能成長，根據智能學習記錄的軌跡，計算樣本數據的誤差及補償量，對樣本數據進行自動補償，形成新的修正後樣本曲線。
8.基於權利要求1的多功能測控裝置的智能選相方法，其特徵在於包括以下步驟，步驟(I)當多功能測控裝置接收到遙控或來自保護的跳合閘命令信號後，判斷過零點分合閘類型，若為電流過零點分合閘，則得到A、B、C三相電流過零點時刻，若為電壓過零點分合閘，則得到A、B、C三相電壓過零點時刻；步驟(2)根據DSP處理器計算的頻率及斷路器固有分合閘時間計算A、B、C三相的固定分合閘延時時間；步驟(3)獲得斷路器分合閘時間參量及補償量；具體實現如下DSP處理器將通過斷路器參量接口電路獲得的斷路器在線監測量通過雙口 RAM傳送到智能中樞PowerPC處理器， 智能中樞根據實時在線監測量對斷路器參量樣本曲線進行抽取和擬合，得到斷路器參量及補償量，並將參量及補償量回傳給DSP處理器；步驟( 4) DSP處理器對斷路器參量進行補償；步驟(5)計算A、B、C三相補償後的分合閘延時時間；步驟(6)在步驟(I)得到的過零點時刻後，等待步驟(5)計算的A、B、C三相的分合閘延時，若A相延時時間到，觸發斷路器的A相分合閘，若B相延時時間到，觸發斷路器的B相分合閘，若C相延時時間到，觸發斷路器的C相分合閘。
全文摘要
本發明公開了一種多功能測控裝置的智能選相系統及方法，對影響選相精度的三要素，包括頻率測量精度、過零時刻檢測精度以及斷路器分合閘時間參量精度進行綜合分析和研究，採用高精度頻率測量、高精度過零檢測、斷路器參量補償一系列軟硬體結合的綜合選相技術，結合獨特的選相智能輔助功能，不僅實現高精度的智能選相，還實現了選相功能的智能化，本發明能夠使得斷路器分合閘對電力設備和系統衝擊最小，延長電力設備的使用壽命，提高電網穩定性，具有良好的應用前景。
文檔編號H02J13/00GK103051062SQ201210578850
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者唐成虹, 黃國方, 沈健, 莊瑩, 殷垚, 閻承志, 張敏, 譚闊, 彭奇 申請人:國電南瑞科技股份有限公司