基本介紹
- 中文名：永磁真空斷路器智慧型控制
- 外文名：Intelligent control of permanent magnet vacuum circuit breaker
- 出現時間：20實際60年代
- 設計原則：實時、準確、安全
- 結構組成：數據採集、智慧型識別和執行機構
- 優點：穩定、智慧型
背景,作用,發展歷史,設計原則,總體設計,結構組成,工作過程,控制系統的硬體結構,硬體模組設計,電磁兼容抗干擾技術,與傳統斷路器控制系統區別,
背景
隨著微處理器技術，電力電子技術和智慧型控制理論的迅速發展及其在電器領域的廣泛套用，人們提出了電器智慧型化的概念。斷路器是電力系統繼電保護的終端設備，其智慧型化的水平對電力系統的穩定和自動化程度將產生深遠的影響。人們提出的智慧型斷路器大致有以下幾個特點：斷路器自身狀態的監測和故障診斷，對電網的故障診斷和信息遠傳技術，自動重合閘的智慧型控制，同步關合技術等。
傳統的中壓斷路器的操動機構主要採用電磁機構和彈簧機構等結構。近年來，在國內外中壓領域相繼研製出了永磁操動機構。永磁機構採用一種獨特的結構和工作原理，由永久磁鐵實現機構終端位置的保持功能，取代了傳統的機械脫扣和鎖扣功能。由電磁線圈提供操動能量，永磁機構的合、分閘能量是由經過充電和穩壓的電解電容對合、分閘線圈放電提供的。永磁機構的出現為實現同步關合技術創造了很好的物質條件。
作用
首先，永磁機構可實現機械上的高可靠和免維護。IEC標準和國家標準對“設計成在其預期的使用期間，主迴路中開斷用的零件不許要維護，其它零件只需要很少維修”的一種斷路氣定義為“E2級少維護斷路器”，國際上也統稱為“免維護斷路器”。儘管實現免維護功能需要從產品整體設計、製造入手，全方位綜合考慮，但毫無疑問首要解決的問題是提高機械可靠性，或者說機械上的高可靠是免維護的基礎。由於永磁機構是通過將電磁機構與永久磁鐵特殊結合，來實現傳統斷路器機構的全部功能，其結構上與傳統機構的最大區別在於無須脫、鎖扣裝置即可實現機構終端位置的保持功能，零部件數目大大減少，因此必將大大提高斷路器的機械可靠性。
其次，永磁機構還可實現操作性能上的智慧型化。斷路器的智慧型化操作可以提高電力系統的穩定性，提高斷路器的開斷和關合性能，提高斷路器的可靠性。因此，斷路器實現智慧型化操作式開關電器追求的目標。永磁機構由於部件少，中間轉換和連線機構也少，大大減小了動作時間的分散性和不可控性，為斷路器實現智慧型化操作提供了物質基礎。通過採用電子或微機系統來對分合閘線圈進行控制，可以實現開關的智慧型操作和同步開斷與關合。僅從提高機械可靠性的目的出發，永磁機構二次控制也可採用常規的電磁式繼電保護方式。但為適應電力系統自動化發展的要求，特別是永磁機構簡單可電控的特點，加上套用各種感測技術，採用電子式控制，開發具有自診斷功能的智慧型化開關最根本的發展方向。
發展歷史
永磁體很早就在開關的脫扣器中得到了套用。
20世紀60年代中期國外就有人試圖發展永磁機構，由於當時還沒有合適的永磁材料，並沒有製造出具有商業價值的永磁機構。
在中壓斷路器領域，國外永磁機構技術的研究開始於20世紀80年代末，歐洲以英國和德國為代表。
1989年英國曼徹斯特大學系統與能量組為GEC公司設計了一台永磁機構模型。
1992年前後，永磁機構技術開始在英國工業套用。
1995年英國的Whipp&Bourne公司進一步改進了結構。1997年ABB Calor Emag開關設備公司在德刊上介紹了他們最新研製的VM1型配永磁機構的真空斷路器，接著於1998年在漢諾瓦博覽會上展出了樣品，引起了各製造公司的極大重視。ABB公司的VM1所配的永磁機構是一種雙穩態線圈結構，採用電容其作為充放電組件，可以實現充合閘操作。採用微電子邏輯電子線路組成的控制單元及感測智慧型單元，微電子邏輯電子線路控制單元具有強的電磁干擾抑制能力，並具有自診斷及可通訊功能。
繼ABB公司研製開發出永磁機構真空斷路器以後，國內很快開發出了具有自主著作權的VSm型永磁機構真空斷路器。該斷路器具有零部件少、結構簡單、可靠性高、壽命長（機械壽命高達10萬次）、免維護等特點。
設計原則
永磁機構真空斷路器智慧型控制系統作為供電設備的基本控制與保護單元，應能夠保障在控制、保護對象的任何工作狀態下可靠工作，並對開關設備自身工作狀態進行監測與控制。為了提高斷路器的分斷能力與使用壽命，斷路器應該實現同步操作技術。
根據現場環境、設備條件和工作的要求，配永磁機構真空斷路驅動控制器設計必須遵循以下的原則:
1）實時性
在數據採集與處理系統設計時，要充分考慮數據採集和處理採用的方法，以保證數據採集與處理的實時性;同時在控制算法設計時，要考慮算法的快速性和收斂性原則，以保證控制的實時性，開合動作的實時性。
2)準確性
高壓真空斷路器工作環境特殊，並且存在很強的干擾，對數據採集的精確性和傳輸的準確性以及開合控制的準確性提出了嚴格的要求。要在數據採集系統設計時考慮採用合適的硬體元件與軟體處理方法，以保證採樣數據的準確性與設備工作狀態判斷的準確性。
3)安全性
作為一種實時針對高壓設備的控制系統，必須保證生產安全、人員安全和設備安全，需要採取對應於控制失效情況下的應急控制策略。
總體設計
由於永磁機構獨特的操動和保持原理，所以其控制系統與傳統的彈簧操動機構有很大的區別。智慧型控制斷路器與普通斷路器的最大區別在於它能通過智慧型操作單元對電網參數進行採集和處理，對自身狀態進行監測和判斷，然後根據預先確定的程式動作。並可根據需要調整斷路器的操動機構的運動參數，從而獲得合適的分合閘速度和最佳分合閘時間。
永磁機構的控制系統接受光電信號，並通過邏輯判斷最終給出指令控制操動機構動作，其性能的好壞直接關係到整個斷路器的性能。它可採用電子控制，以實現真空斷路器的所有功能，同時還可具有智慧型化功能，可融合線上檢測技術來最大限度地體現永磁機構的優越性。國內已經發展了用來控制永磁操動機構的電子技術，原先的觸點開關被電子開關所代替。
結構組成
圖1中智慧型控制單元由數據採集、智慧型識別和執行機構(調節裝置)三個基本模組構成。
1)智慧型識別控制模組:它是智慧型控制單元的核心，由微控制器構成微機控制系統，能根據操作前所採集到的電網信息和主控制室發出的操作信號，自動識別當次操作時斷路器所處的電網工作狀態。顯示斷路器是否具備可以操動的條件、斷路器的合分閘狀態、斷路器動作執行情況,給出系統電壓、操作電壓的信息,以及斷路器操動機構故障報警信號,供運行人員了解斷路器的工作狀態。並根據事先程式，決定對執行機構發出調節信息，從而使斷路器發出相應的動作。
圖1：斷路器智慧型控制的工作原理圖
2)數據採集模組:它由小型電壓、電流轉換裝置和高速多通道模/數轉換器組成，隨時接收斷路器的合閘命令、分閘命令、失壓跳閘信號、過流跳閘信號,接收感測器提供的斷路器合分狀態信號、斷路器位置信號,接收系統電壓、斷路器的操動電源信號以及復位信號等。並對這些信號進行整形、處理,把數據由模擬量轉換為數字量，供智慧型識別模組進行處理分析，使之滿足智慧型控制模組的要求。
3)執行機構(調節裝置):它由能接收定量控制信息的部件和驅動執行器組成，作用是用來控制合閘與分閘線圈的勵磁。
永磁機構智慧型控制操作單元由電源模組、CPU模組、分合閘位置採樣模組、分合閘信號採樣模組、驅動模組、電容器模組等組成，結構原理示意圖如圖2所示。
永磁機構中的分、合閘線圈必須受電勵磁，從而產生電磁吸力方可驅動動鐵心運動。永磁機構中的電容器上充以恆定的DC10V0操作電壓，可為操動機構的分、合閘線圈勵磁提供所需的脈衝電能。但它每提供一次分閘或合閘線圈勵磁所需的脈衝電能，如果不及時切斷分閘或合閘線圈中的脈動電流，電容器模組分或合閘一次功耗就會很大，電容器模組上的電壓就會下降到不能再為下一次合閘或分閘提供所需的脈衝電能，亦即不能完成一次CO(合分)操作，更談不上完成一次O－0.3S－CO(分－0.3秒－合分)操作。因此必須及時切斷分閘或合閘線圈中的脈動電流，這就要靠分合閘位置採樣模組及CPU模組、驅動模組等共同完成。另外，要使智慧型斷路器在各種環境下可靠工作，首先要解決的問題是電容器的使用壽命問題。電容器的使用壽命與環境溫度有關，一般在105℃時，壽命為2000h，但工作溫度低於50℃時，其壽命可達10年以上。所以設計控制單元時，應通過有效措施降低電容器的工作溫度，延長其使用壽命。
圖2
採樣模組是將電子接近開關檢測到的分合閘位置信息輸入到智慧型控制器。當檢測到真空斷路器的合閘或分閘位置時即刻發出高電平，將高、低電平送至CPU模組，通過邏輯計算後分別送至分合閘邏輯驅動電路，及時切斷分合閘線圈中的脈動電流。
真空斷路器的手動、自動控制電路結構原理示意圖如圖3所示。當真空斷路器的手動、自動控制電路接收到分閘或合閘命令時，則邏輯驅動控制器會根據RS鎖存器發出的高、低電平自動檢測此時真空斷路器所處的位置是分閘位置還是合閘位置，以決定是否執行分閘或合閘命令。
圖3
工作過程
智慧型斷路器的工作過程如下:由微控制器為核心的智慧型控制單元時刻採集電網的狀態數據，智慧型識別模組根據所採集的數據對電網的狀態進行快速識別，判斷電網和斷路器所處的狀態，並隨時根據識別結果控制調節裝置動作。若採用同步操作技術，則要通過調節裝置來改變操動機構參數，使斷路器獲得與當前系統工作狀態相適應的運動特性。
另外，故障開斷時要求斷路器分合閘的時間儘可能短，不能因智慧型操作所增加的控制和調節裝置而人為使斷路器的分合閘時間延長。這可以從硬體結構和軟體編程上著手，使因增加控制和調節裝置而延長的時間限制在可接受的和可忽略的程度。
控制系統的硬體結構
隨著計算機技術的迅猛發展，微機控制技術得到了廣泛的套用。微機控制技術基於模擬和數位技術通過編程利用CPU來採集、處理外界信號。永磁機構的控制系統硬體結構框圖如圖4所示，系統的主控單元結合外圍電路實現機構的控制。
圖4
充電單元：當電容器組的電壓小於規定值時，對電容進行整流穩壓限流充電。由於進行分、合閘操作時激勵電流能達到幾十安培，所以必須選用大容量電容，從而實現瞬間放電。電容儲存的能量必須能夠完成一次分－合分－合分操作。電容電壓的檢測可採用A/D轉換或採用V/F變換等方法進行數據採集。
執行單元：實現對分、合閘線圈的放電，以產生激勵電流使操動機構動作，從而完成斷路器的分、合閘操作。
單片機處理器主控單元、檢測單元、鍵盤、顯示、人機接口單元與通信單元等共同組成控制器的測控系統。
硬體模組設計
永磁機構智慧型控制系統在電力行業的套用其可靠性應擺在首位，否則因產品的質量問題反而提高了配電網的故障率，這是與配電自動化套用的初衷相背離的。硬體方面，配電自動化產品通常與高電壓等級的設備在同一環境中使用，當硬體處理不當，如發生櫃體漏電，高壓從低壓側導線禍合或強電磁場干擾等情況時，都可能導致測控設備的誤動作或永久性損壞。因此在硬體的設計上，應在充分考慮系統的可靠性的基礎上提高測量的精度和系統的回響速度等性能指標。硬體上為提高產品在設計上的通用性和降低開發的風險，採取了模組化的設計思想。
1、電源設計
給永磁機構中的分閘或合閘線圈通電，從而產生電磁吸力即可驅動動鐵心運動，而且必須達到一定的勵磁安匝數，才能滿足真空斷路器的分閘或合閘速度要求。要想在較短的時間內獲得較大的脈動電流，有兩種方案可供選擇。其一是採用電容器;其二是採用蓄電池。這兩種方案均可獲得較為滿意的結果。然而蓄電池作為電源需要考慮諸如過充電、過放電等問題，充電線路及保護電路較為複雜。
用電容器作為電源與可充電蓄電池電源相比，具有許多優點。例如電容器的充電時間較短，可採用具有濾波或非濾波、穩壓或非穩壓的直流輸出的任何一種常規電源裝置對其充電。因不必考慮充電過量的危險，所以不要求對精確的充電電流和充電時間進行監視。不存在化學污染或電極氧化問題，可以經受無數次短路，並可放電至任意電平都不會受損壞。除此之外，電容器還可以很容易地並聯使用，而不會產生並聯電池之間的偏置電流那樣的側流效應問題。
因此，戶內永磁機構中的電源設計最經濟的方法是採用電容器放電的方式。對於戶外柱上真空斷路器，由於現場電源不易解決，一般採用蓄電池等其它方式。作為給電容器充電的電源，必須考慮電容器的耐壓，考慮實際分閘或合閘操作時控制器所需的電源電壓。戶內永磁機構中的電源實際使用的電壓大多為DC100V左右，因而必須保證為電容器充電的電源輸出電壓為DC100V。開關電源在設計電源方案時均考慮了電源行業標準，除體積小、效率高、穩壓範圍寬、穩壓精度高、紋波小等優點以外，在動態負載特性和電磁兼容性兩方面更具特色和優勢。
因此，戶內永磁機構中的電源最經濟、最安全、最可靠的方法是採用開關電源為電容器充電，而後採用電容器放電的方式。電容器上充以恆定的DC100V操作電壓，可為操動機構的分閘或合閘線圈勵磁提供所需的脈衝電能。它能儲存完成一個完整O－CO操作循環的低於250J電能。當這樣的一個操作循環結束後，電容器組在不足20S內以A2的峰值電流重新充電。因此，若輔助電源發生故障，儲能鋁電解質電容器事先儲好的電能可確保開斷操作能進行一個完整的O—CO操作循環。
2、斷路器分、合閘狀態的檢測
永磁機構斷路器必須保證可靠地處於分、合閘位置，決不允許出現中間狀態等故障位置，一旦出現故障位置，應及時報警。同時，永磁機構在鐵心運動到分、合閘位置後，為避免熱損耗及電源損耗，應及時斷電。這就需要對斷路器的分、合閘狀態進行檢測。
如果用傳統的有觸點輔助開關，則由於污染、觸頭氧化，經常會使觸頭接觸不良，甚至失效。因此，應使用電子開關和非接觸式感測器來取代傳統的輔助開關。當接受到來自手動、自動控制模組的分、合閘命令時，送至CPU，則邏輯控制器會根據分、合閘位置採樣模組發出的高、地電平，自動檢測斷路器所處位置，以決定是否執行分、合閘指令。若分、合閘指令同時收到，則CPU會通過邏輯控制器及時閉鎖合閘命令而回響分閘指令；若電網一次側電源監測迴路監測到過電流或過電壓、欠電壓信號，CPU模組也會通過邏輯控制器及時閉鎖合閘命令而發出分閘指令。
3、CPU模組
1) 運行速度快。PIC 16F87X 系列單片機在架構上採用了兩級流水線的哈佛匯流排結構，指令的讀取和執行採用流水線方式，使得單條指令(GOTO、CALL指令除外)的執行基本上可在一個周期內完成。另一方面，數據匯流排和指令匯流排分離，並且採用不同的寬度，便於實現全部指令的單位元組化，有利於提高CPU的處理速度。該系列單片機是世界上速度最快的品種之一。
2) 擴展功能豐富，功能強大。PIC 16F87X系列單片機不同程度地將各種外圍功能模組集成於內部，如A/D模組、EEPROM、捕捉\比較\ 脈寬調製器、IC 和SPI串列匯流排連線埠等，減少了外圍器件的使用，簡化了電路板的設計，提高了系統可靠性。
另外，PIC 16F87X 系列單片機還有可線上編程，上電、掉電延時復位保護和看門狗功能， I/O管腳驅動能力和抗干擾能力強。該系列單片機的功能基本相近，只是在存儲器大小、引腳數目、A/D轉換器個數等有所區別，用戶可方便地選擇最適用的型號。
4、信號輸入單元
控制器的輸入信號有反映開關狀態與手動操作的開關量信號、來自CT與PT的模擬量信號、撥碼開關的設定參數等。前者通過光電耦合器可以很方便地實現隔離與變換，送入MCU進行處理;模擬量要通過A/D轉換器變成數字量來分析。交流電量信號輸入迴路通常包括隔離變換器、濾波、超值保護與量化處理等部分。在電力系統中，電壓電流信號取自電壓互感器與電流互感器二次側，其額定值分別為100V/5A。當電力系統發生故障時，這些電量會發生很大的變化(幾十倍)，因此必須將其轉換成微機系統可以接收的信號類型與範圍，並且須保證故障情況下也不會超過此範圍。
光電耦合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發光元件和輸出端的受光元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、使用簡便，可以根據現場干擾情況的不同，組成各種不同的線路對共模和差模干擾進行抑制。光電耦合器用在輸入、輸出間隔離情況下，線路是很簡單的。
這種隔離的作用不僅可以用在數字電路中，也可以用線上性(模擬)電路中。光電禍合器用於消除噪聲是從兩個方面體現的:一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只是把有用信號傳送到輸出端。另一方面，由於輸入端到輸出端的信號傳遞是利用光來實現的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號與噪聲也不會反饋到輸入端。使用光電耦合器時，應注意這種光電耦合器本身有10~30pF的分布電容，所以頻率不能太高;另外在接點輸入時，應加RC濾波環節，抑制接點的抖動。另外，用於低電壓時，其傳輸距離以100米以內為限、傳輸速率在10Kbps以下為宜。
5、信號輸出單元
信號輸出單元用於指示斷路器的運行狀態。輸出的信號有斷路器的合分閘狀態、斷路器動作執行情況(正常合閘或分閘、過流速斷分閘、失壓分閘、過壓欠壓分閘)、操作電壓是否滿足合閘或分閘的要求、開關電源的輸入電壓是否正常以及斷路器操動機構故障報警信號等。
當開關在合閘位置時，表示合閘位置的燈亮;當開關在分閘位置時，表示分閘位置的燈亮;當分閘電容的電壓大於定值時，代表分閘電容電壓的燈亮;當合閘電容的電壓大於定值時，代表合閘電容的燈亮;當開關在合閘位置，測量電壓大於設定的過流定值，過流時間大於設定的延時定值，且分閘電容燈亮時，開關跳開，過流速斷燈亮。當開關在合閘位置，測量電壓大於設定的過壓定值，且分閘電容燈亮時，開關跳開，此燈閃爍;當失壓保護投入，且線路二次電壓低於某值時，失壓燈亮;當重合保護投入，且微機判斷此時滿足重合閘條件，正在進行重合閘，或者已經重合閘完成，但沒有對其進行復歸操作時，重合燈亮。當機構進行合閘操作，但由於某些原因引起合閘不到位時，微機立即發出分閘命令，將開關分開，此時故障報警燈亮。控制器輸出單元示意圖如圖5所示。
圖5
6、硬體監控電路電源監控電路即帶電壓監控的復位電路。監控電路必須具備如下功能：
圖6
1)上電復位：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定後，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩定後還要經過一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分一合過程中引起的抖動而影響復位。
2)掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，復位系統。在軟體的設計當中，會設有軟體看門狗的功能。但軟體如果出現了問題，如死循環，硬體的監控保護顯得更可靠，更放心。因為在實際的情況中，光靠軟體看門狗防止程式“跑飛”是不安全的。需要有硬體的看門狗電路來防止系統出現的問題，保證系統的正常運行。硬體監控電路如圖6所示。它在電源開、關和電壓不足時(小於門檻電壓)給微處理器發出一個復位信號，門檻電壓可選。圖6中R2和S1構成的電路可實現手動復位。
電磁兼容抗干擾技術
電磁兼容性是考驗智慧型控制器對阻尼震盪波、電快速瞬變脈衝群、浪涌(衝擊)三類干擾信號時的抗干擾性現象，線上路中注入衝擊電壓時是否發生永久性損壞，在電快速瞬態或短脈衝或振盪波抗擾實驗中，僅允許規定的暫時功能性失效。
電磁干擾產生於干擾源，它是一種來自外部的並有損於有用信號的電磁現象。過去，機電設備和系統通常對電磁干擾(即:靜電、傳導的電氣干擾和輻射電磁場的干擾)不敏感，這些敏感問題的起因大多數是“低頻”現象，如諧波和電壓中斷。
電子元器件和設備的使用，使其對這些干擾更加敏感，尤其是“高頻”和“瞬態”現象。電子元器件和設備的推廣使用，大大增加了因電氣和電磁的干擾而引起的誤動作、損壞等危險性，使得電磁兼容的研究變得越來越重要。因此，電磁兼容性的考核對作為永磁機構中的重要組成部分的電源控制器是必不可少的。
對於電子裝置的抗干擾，一般應注意以下幾方面設計技術的套用：
1)頻率設計技術。頻率設計技術要解決的是頻率兼容的問題，也是微控制器系統設計中的比較複雜的技術之一。微控制器系統要能使用同一頻率源，保證頻率特性要求。頻率設計包括電平核實、最高工作頻率設計以及降頻和諧波分離(低頻信號的頻率不與高頻信號成正倍數，特別是A/D轉換速率)技術。
2)接地技術。接地技術包括兩個方面，一方面是電源內阻分析技術，另一方面是接地點和地線設計技術。電源內阻的分析實際就是對電源最大瞬時功率的分析。接地點和地線分布設計的原則是做到頻率隔離、功率隔離。頻率隔離是指高低頻系統分開，功率隔離是指弱功率和大功率分開。
3)電源技術。電源技術一方面包括了電源特性的設計，例如電源要保證有適當的容性電流吸收能力和功率裕度，另一方面還包括系統電源性質的選擇，如使用電池還是使用整流，所需電源的種類，電源之間是否需要交換，集中供電還是分散式供電等。
4)布線技術。要降低各管腳和連線之間的相互影響，必須對分布參數加以限制。分布參數主要由系統的布線所決定。所以，布線是微控制器系統電磁兼容技術的關鍵，也是微控制器系統電磁兼容性設計的基本體現。
5)降頻控制技術。對輸出的高頻信號，在保證系統正常工作的前提下儘量降低頻率，對某些輸出信號採取平滑措施。
與傳統斷路器控制系統區別
相對於傳統的斷路器控制系統，永磁機構的智慧型控制有很大不同。
首先，永磁機構控制裝置的電源一般由電容器組成，其控制部分多了一個電容器充電控制環節，用來穩定電容器的電壓值，保證整個系統性能的穩定性。
