配电开关（柜）永磁操作机构的智能控制关键技术研究与开发

王伟冠 林晓璇 梁浩胜 叶蓓 刘振祥

摘要：本文分析总结永磁断路器成套设备当前存在的几个问题：1）电源系统脉动导致分合闸不成功；2）控制策略不完备，导致重合闸严重依赖于大容量储能单元。阐述了永磁机构的技术特点和控制理念。在此基础上采用DSP和CPLD组合独特的分层控制技术，双欠压信号的全桥IGBT控制电路，沿用珠海许继电气公司特有的产品设计理念，设计了一款新型的适用于10kV的永磁重合器。最后阐述了基于该永磁断路器可实现单相分断及选相合闸。

关键词：永磁断路器；分层控制；双欠压；IGBT；选相合闸

Abstract：In this paper，a summary of the present problems of permanent magnet circuit breaker package is analyzed，and the power supply system pulsation is not successful；and the control strategies are imperfect，which means that the heavy brake is heavily dependent on the big storage unit. The technical characteristics and control concept of permanent magnet mechanism are expounded. In this way，that unique layering control technique of DSP and CPLD，the bridge IGBT control circuit of dual under-voltage signal，and the unique product design concept of the zhuhai xj electric co.，LTD.，design a new permanent magnet applicator with 10kV. Finally elaborated based on the permanent magnetic circuit breaker can realize single-phase breaking and closing phase selection.

Keywords：Permanent magnetic breaker；Hierarchical control；Double undervoltage；IGBT；Phase switching

引言

當前永磁机构的控制器是制约永磁真空断路器成套设备得以广泛应用的最大障碍之一。1）由于本体开关部分不具备手动合闸功能，因此对控制器的可靠性要求高；2）永磁机构分合闸线圈电流瞬间所需电流大，对功率回路的容量和可靠性要求高，对操作电源充放电管理也是一大难题。3）当作为重合器使用时，操作电源和控制技术尤为重要。

现有永磁断路器控制器其驱动电源上的选择是一致的，即采用大容量的铝电解电容给分合闸线圈瞬间释放大电流，产生磁场从而进行分合闸。其输出控制逻辑主要有以下几大方向：（1）采用电子式接近开关参与输出控制的逻辑，电容能量的输出随着接近开关的位置变化而关断。该方式的优点是信号灵敏、干净，但是该方式的难点在于接近开关的安装位置要求及其苛刻，容易出现过早感应到位置变化导致合闸不成功，有时甚至出现两个接近开关同时感应到位置导致断路器拒动。（2）电子接近开关不参与输出控制的逻辑，只作为位置指示，固定输出控制的脉冲时间。该方式的优点是可靠，但是该方法的缺点也是显著的，由于无法得知分合闸是否到位，往往为保障分合闸成功，其固定的输出比真正需要输出时间长达10多毫秒，甚至有的更长，这已经完全淹没了永磁断路器的快速开断性能，更加严重的是使得电容释放能量过多，再进行重合闸时出现容量不足致命的缺陷。（3）利用高速算法和高精度电流传感器采集拟合分合闸输出电流波形，与事前设定的常规波形对比，从而判断分合闸是否成功。该方式的优点是高可靠、并具有节能效果，但是该方式成本高，实现起来比较复杂，曲线相似度难以界定。综上所述，目前现有技术中存在可靠性高、节能性高、实现方式简单不能有效兼顾的缺陷。

文中针对上述问题，提出了如下解决方案：1）采用DSP和CPLD组合独特的分层控制技术，分层控制即相互配合也可独立进行，互不干扰：永磁控制模块即接收保护监控单元的命令，也接收来自手柄分合闸的操作命令。这样健全了整个控制器的可靠性，消除了当保护监控单元出现故障时而无法进行分合闸操作的缺陷。同时，手柄具备应急操作模式，进一步加强了分合闸的可靠性。2）采用先进的电力电子技术和控制技术，集电容充放电功能和永磁开关控制功能于一体，具备永磁控制储能电容充电功能、永磁开关的全桥控制和IGBT大功率输出功能，并结合高速DSP数字信号处理技术实现永磁开关分合闸波形拟合预判断技术；采用光电式接近位置传感技术和固有分合闸时间相结合实现永磁开关分合闸判断技术，保证了分合闸可靠且耗能小，可实现快速四次重合闸。3）控制器采用储能电容安全自放电技术，保证产品检修安全。

1 电源系统设计

当前控制单元的电源系统设计方法的固有缺陷主要表现在以下三个方面：（1）电源系统储能单元性能差，使用寿命短，容易导致智能成套设备无法正常工作，线路发生故障时无法切除，会恶化电网的运行环境，当该线路需要恢复供电时也不能及时复电；（2）工作电源、后备电源和开关操作电源分别设计，体积庞大，发热严重，能源浪费；（3）电源系统充放电管理功能粗糙，在线检测功能缺失，无法有效延长储能单元的使用寿命，更无法保证隐患的预诊断。

针对上述问题，项目组提出一种基于铝电解电容和（蓄电池）超级电容组合的电源系统设计方法，实现储能充放电、操作电源、后备电源的统一设计。实现了电源系统电路的模块化设计：集充电管理状态监视告警于一体，大大提高整个产品的维护性；实现了控制器工作电源和本体开关操作电源（铝电解电容）以及后备电源（超级电容）的统一设计，降低了产品的成本和体积；通过多次实验和运行试验研究出合理的超级电容容量和电压等级选取原则，有效改善了超级电容充电时拉死智能设备控制器缺陷，解决了控制器分合闸输出时电源系统可靠性降低等难题，提高了整套产品的稳定性和可靠性；具备完善的超级电容寿命在线检测系统，能有效监测超级电容寿命；依据超级电容特性，采用恒流和恒压结合限功率两段式充电方式；实时监测后备电源的电压。

如下图1所示是项目组开发设计的一款充电式开关电源原理示意图，该电源具有体积小，转换效率高，性能稳定；采用金属外壳模块化封装，抗干扰能力强；输入、输出端为出针形式；48V标称输入，可在较宽输入电压范围内工作；本产品具有输出短路保护功能。有智能充电功能，可对外接的60V以上超级电容充电，在输入断电时电容可不间断的对负载供电，具有输入过欠压保护功能；具有防止电容过放电的保护功能。

实现了电源充放电管理与大功率输出控制于一体，如下图2所示。采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为永磁控制模块的控制部件，实现了电源系统电路的模块化设计：集充电管理状态监视告警于一体，大大提高整个产品的维护性；实现了控制单元工作电源和本体开关操作电源（铝电解电容）以及后备电源（蓄电池）的统一设计，降低了产品的成本和体积；解决了控制单元分合闸输出时电源系统可靠性降低等难题，提高了整套产品的稳定性和可靠性；具备完善的在线检测系统，实时监测后备电源的电压。

2.基于双欠压信息的全桥IGBT控制策略

永磁操作机构的分合闸电流将达到数十安培以上，采用常规的固定式脉冲控制方式，由于无法得知分合闸是否到位，往往为保障分合闸成功，其固定的输出比真正需要输出时间长达10多毫秒，甚至有的更长，这已经完全淹没了永磁断路器的快速开断性能，更加严重的是使得电容释放能量过多，再进行重合闸时出现容量不足致命的缺陷。

项目组针对上述问题，利用正反信号和IGBT全桥控制策略，实现分合闸脉冲的快速回收。

4 组合分层控制技术

采用DSP+CPLD嵌入式软硬件组合分层控制设计，既可独立控制又可相互协作，保证了永磁开关操作控制的高可靠性。原理框图见下图4，其作用是控制永磁断路器进行可靠的分合闸。该控制模块的控制对象包括单稳态（单线圈）和双稳态（双线圈）永磁断路器两种。主要由DSP 芯片和相关电路逻辑模块构成；永磁控制模块主要由CPLD芯片和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）全桥功率控制输出模块构成。分层控制可相互配合，也可独立进行，互不干扰，永磁控制模块即接收数据处理单元的命令，也接收来自手柄分合闸的操作命令，健全了整个控制器的可靠性，消除了当数据处理单元出现故障时而无法进行分合闸操作的缺陷。工作原理和实现方式介绍如下：

（1）DSP 数据处理单元通过检测线路电流电压发现故障时，发出分闸信号给永磁控制模块；

（2）永磁控制模块收到分闸信号后，经过短时消抖滤波确认为有效信号时，驱动导通IGBT全桥中的分闸桥臂并释放储能电容中的能量；

（3）本体断路器永磁机构中的线圈流经分闸电流时产生磁场推动动铁心分闸；

（4）当断路器快在分闸位置时，传递分闸信号给永磁控制模块和数据处理单元；

（5）数据处理单元显示分闸成功；

（6）经过一段延时，即经过按照数据处理单元预先设定的重合闸时间后永磁重合器开始进行合闸，此时线路故障若为瞬时故障则合闸后不再分闸，若为永久性故障则合闸后加速跳闸，且闭锁合闸并隔离故障。

5 基于分相开断的自适应单相重合闸

断路器选相控制的实质是根据不同负载特性，控制断路器在参考信号最佳相角处关合或开断，实现对电网无冲击的平滑过渡，有效地削弱开关瞬态电磁效应。图5所示为断路器选相合闸时序图，当同步控制器在时刻TZ1接到合闸指令后，预测出断路器的合闸时间，根据断路器的关合速度，控制电压以及关合时的预击穿.按照一定的计算方法，计算出触头预期关合的最佳时刻Tcls。为了保证断路器在Tcls点合闸，需计算控制信号所需的最小延迟时间Tdl。

由图5可以得到：

（2-8）

式中 ——电网频率， ——合闸指令距离最近零点时刻的延时， ——开关合闸时间， ——CPU逻辑运算时间

综上所述，与随机关合过程相比，选相控制需要控制系统实时检测电压零点，以距合闸指令最近的零点时刻算起，算出在最佳目标相位B处闭合所需的延时 ，从而达到相位控制的目的。通过MATLAB仿真得到无选相控制条件下和選相控制条件下的涌流波形分别如图6和图7所示。

6 总结和展望

本文采用DSP和CPLD组合独特的分层控制技术设计的永磁重合器具有较高的实用性和可靠性，并已在天津、辽宁、河南、云南等省市电力局投入运行，但是目前的使用方式仅仅是将永磁重合器作为常规的替换，并没有充分有效地应用永磁重合器的功能。如何将分相开断，过零开断等技术实用化将是往后工作的重点。另外，本文基于永磁重合器的快速分段功能，提出了一种馈线自动化系统构建方式，具有一定的实用性但在主干线路上的通信方式和通信的可靠性、建设成本的经济性将是本文后续工作的关键。

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基金项目：本论文来源于广东电网有限责任公司佛山供电局科技项目；项目名称为：配电设备模块化及智能化关键技术研究，课题2：配电环网柜智能化技术研究与应用；项目编号为：GDKJXM20172889。

（作者单位：1广东电网有限责任公司佛山供电局；

2广州思泰信息技术有限公司）