0 引言
傳統(tǒng)的真空斷路器操動機構(gòu)(電磁式和電動彈簧式) 是由復雜的傳動機構(gòu)組成的機械系統(tǒng),其運動時間分散性大,運動可控性差,故障率也較高,且響應速度慢,因此很難實現(xiàn)對機械運動的精確控制。而一種結(jié)合電磁機構(gòu)和永久磁鐵的新型操動機構(gòu)的出現(xiàn),使整個操作機構(gòu)只有一個運行部件,就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器機構(gòu)的全部功能。從永磁機構(gòu)的工作特性可以看出,永磁機構(gòu)的帶負荷特性非常接近真空斷路器的要求,斷路器在動作過程中驅(qū)動力越來越大,以滿足剛分剛合速度由小變大;且無需任何傳統(tǒng)的脫扣和鎖扣裝置,可直接和滅弧室相連,使開關(guān)機械系統(tǒng)可靠性大大提高;同時,可以減少觸頭彈跳,保證了操動機構(gòu)的高可靠性[1-2]。
本文在以永磁機構(gòu)為操作機構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究了一種基于新型高性能DSP TMS320F2812 和復雜可編程邏輯器件(CPLD) 實現(xiàn)的高壓真空斷路器智能控制裝置,以DSP 為主控芯片,較傳統(tǒng)的單片機控制具有較高的數(shù)據(jù)處理速度和較強的外部擴展能力,極大地滿足了電力系統(tǒng)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力和強實時性要求。而用CPLD 實現(xiàn)開關(guān)控制部分,比直接采用DSP 實現(xiàn)控制具有更高的抗干擾性能,而且只有CPLD 的工作會影響開關(guān)動作,因而有較高的可靠性。并且該裝置設(shè)置了系統(tǒng)監(jiān)控、安全聯(lián)鎖、故障報警、短路保護等多種保護功能,實現(xiàn)了對真空斷路器的智能控制。斷路器智能控制的實現(xiàn)對提高電網(wǎng)自動化程度和數(shù)字化變電站的發(fā)展具有重要意義。
1 智能斷路器的工作原理
在IEC 62063 標準中對于智能斷路器設(shè)備的定義為:具有較高性能的斷路器和控制設(shè)備,配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器,不僅具有斷路器的基本功能,還具有附加功能,尤其在監(jiān)測和診斷方面。智能操作斷路器是在現(xiàn)有斷路器基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個智能控制單元所構(gòu)成,有較好的兼容性。即智能操作斷路器的使用不一定要改變現(xiàn)有變電站和繼電保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),也不影響現(xiàn)有系統(tǒng)的各種功能,只是增加一些新的功能[3-4]。智能操作斷路器工作原理圖如圖1 所示。
具有智能操作功能的斷路器由數(shù)據(jù)采集、智能識別和調(diào)節(jié)裝置3 個模塊組成。智能斷路器的智能控制裝置能根據(jù)操作前所采集到的電網(wǎng)信息和主控制室發(fā)出的操作信號,自動識別當次操作時斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài),并根據(jù)事先對斷路器的仿真結(jié)果,決定對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息,從而獲得在電氣和機械性能上的最佳分閘效果。當系統(tǒng)故障由繼電保護裝置發(fā)出分閘信號或操作人員發(fā)出操作信號后,智能操作斷路器首先啟動智能識別模塊工作,判斷當前斷路器所處的工作條件,對調(diào)節(jié)裝置發(fā)出不同的定量控制信息而自動調(diào)整操動機構(gòu)的參數(shù),以獲得與當前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應的運動特性,從而使斷路器動作。
2 智能控制裝置的設(shè)計
2. 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)智能斷路器的工作原理,控制裝置應滿足長期運行可靠、抗干擾能力強、實時采集線路上各個電參量、進行數(shù)據(jù)處理、完成故障分析、隔離保護功能;具有遠程通信功能系統(tǒng)自檢、安全聯(lián)鎖、故障報警及短路保護等功能。智能控制裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖2 所示。系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化思想,主要由DSP 主控模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、CPLD(MAX7000)智能控制模塊3部分組成。具體包括模擬信號的采集、模擬信號的調(diào)理、開關(guān)量驅(qū)動控制、DSP 與CPLD 接口、斷路器位移檢測、人機交互接口、與上位機的通信、系統(tǒng)故障報警、電源模塊、系統(tǒng)監(jiān)控部分等。
(1) 主控模塊設(shè)計。
DSP 主控模塊由DSP主控芯片(TMS320F2812)、人機接口和遠程通信單元、儲能監(jiān)視、斷路器位移檢測控制單元等組成。主控模塊檢測到的信號有三相電壓、三相電流和斷路器所處的位移狀態(tài)。斷路器動觸頭從開始運動到動靜觸頭導通之間的這段時間是固定的,根據(jù)這個時間即可計算出合閘啟動信號發(fā)出時所對應時刻。而對于觸頭運動的中間過程,速度與加速度都是未知的,如果參數(shù)發(fā)生變化,會導致預先測量的時間發(fā)生變化,這樣,合閘就可能出現(xiàn)在非預定時刻。因此,要做到準確分合閘,就要對影響運動時間的參數(shù)進行在線監(jiān)測,并根據(jù)在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時調(diào)整控制量,從而實現(xiàn)預定的控制目標。觸頭間隙電壓和電流波形通過信號調(diào)理模塊進入數(shù)據(jù)采集部分,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對信號進行不間斷采樣。在接收到分合閘信號后,分合閘信號將調(diào)用分合閘子程序從而判斷發(fā)分合閘信號時間,可通過RS - 485 總線把參數(shù)上傳到控制中心,或者通過CPLD 模塊發(fā)出的中斷請求信號接收遙控分合閘命令。同時可以通過MAX232 進行調(diào)試和維護,也可利用CAN 總線進行組網(wǎng)。
(2) 數(shù)據(jù)采集與處理模塊。主要由模擬信號調(diào)理、邏輯控制與數(shù)字采集單元組成。為了提高精度,最好對系統(tǒng)的三相電壓和三相電流進行交流同步采樣。在這里只用TMS320F2812 自帶的AD 采集單元即可完成采集任務,因此只需要設(shè)計模擬量的調(diào)理處理電路就可以輸入AD 通道。
( 3 ) CPLD 智能控制模塊。CPLD 采用MAX7000 系列。CPLD 完成開關(guān)量的輸入、運行狀態(tài)的顯示、與DSP 的通信以及對外部電路的控制[5-6]。斷路器的狀態(tài)控制、開關(guān)的驅(qū)動電路、異步信號的輸入控制以及一些電壓監(jiān)控信號和開關(guān)狀態(tài)信號都直接和CPLD 有關(guān)。系統(tǒng)工作時,當狀態(tài)發(fā)生變化,CPLD 將發(fā)出中斷信號,由DSP 讀取狀態(tài)并作出相應的處理或傳送給監(jiān)控中心。由于CPLD 生成的是硬件電路,因而具有較高的可
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