一种具有选相控制功能的智能终端研究与实现
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
西安西电高压开关有限责任公司的研究人员白世军、曾林翠、孔庆霞、石楠、李毅，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，智能终端是智能变电站自动化系统过程层的重要设备。选相控制技术是解决高压断路器投切负载瞬时电磁效应的有效措施。
本文将二者有机融合，提出了一种具有选相控制功能的智能终端的实现方案。简单介绍了选相控制技术的基本原理，对所提方案设计需求进行了简要分析，并对该方案主要部分的实现进行了深入研究和详细阐述。通过对样机试验验证，该新型智能终端既能作为常规智能终端使用，又能提供良好的选相控制功能，具有较强的实用性。
随着IEC61850协议的推广，智能变电站建设已经走入工程实践阶段。作为过程层的重要设备，智能终端在智能变电站中也得到了广泛应用。通过与间隔层设备的配合，智能终端可实现对开关整间隔的监测和控制，包括对间隔内断路器、隔离开关、接地开关的分合操作以及状态量采集等[1-3]。
考虑到在电力系统中用高压断路器来投切空载变压器、电容器、空载线路时，在分合操作的瞬时系统电压相角是不确定的，极易导致一次侧出现涌流和过电压等瞬态电磁效应[4]，进而对系统绝缘以及断路器自身寿命产生极大冲击，另外对二次通讯和控制系统也会产生不良影响。
选相控制技术是一种有效的解决措施，该技术的实质是根据不同负载的特性，以电网系统电压或电流为参考信号，控制开关触头在电压或电流的最佳相位完成合闸或分闸，实现无冲击的平滑过渡。
在成熟的智能终端技术上，结合选相控制需求，本文将介绍一种具有选相控制功能的新型智能终端[5]，该装置既可作为常规的智能终端使用，又可启用选相控制功能，适用于所有电压等级分相控制的弹簧或液压机构的断路器，具有良好的灵活性和实用性。
1 选相控制技术基本原理（略）
若在断路器上推广选相控制技术，首先要求断路器开关动作时间具有良好的稳定性。由于现代断路器生产技术及工艺的完善，其分/合闸时间的分散性已大为改善，较好地稳定在1 毫秒内，因而使选相分/合成为可能。影响开关动作时间稳定性的主要因素有环境温度、控制电压、操作次数、间歇时间以及触头机械磨损等。在设计选相控制算法时，为做到对开关分合闸时间进行准确预测，应尽量考虑这些因素的影响并对其进行补偿[5-11]。
其次，要根据负载的特性确定最佳分合相位。以高压断路器关合多组并联电容器组[12-13]为例，经研究和实践发现，在中性点接地的情况下，在各相电压的零点处操作断路器合闸，可有效削弱关合并联电容器组时的暂态效应。
图1 选相控制原理示意图
图2 选相合闸时序图
2 具有选相控制功能的智能终端设计需求
在设计具有选相控制功能的智能终端时，要考虑装置应具有选相使能和非选相使能两种模式，并可自由配置。在非选相使能模式下，装置作为常规智能终端使用；在选相使能模式下，装置启用选相控制功能。
因此，装置应满足常规智能终端的功能要求，包括能够对装置配置和调试、小信号模拟量采集、对时、开关状态量采集和上送、保护测控GOOSE命令接收和执行、装置自检、GOOSE和开入事件记录、LED状态显示等功能。
也要满足选相控制功能，包括断路器的机械特性参数(断路器操作时间、补偿模式以及温度、控制电压、间歇时间等补偿关系)设置、参考电压和反馈电压/电流信号的采集、选相控制算法、实时录波等功能。
为方便安装，装置应继续采用4U84TE标准机箱，同时，为便于装置的调试、维护、更换，应沿用通用的插件式布局，方便插拔。
综合考虑装置功能要求，在ZNKMU软硬件平台的基础上，设计的背面面板布置图如图3所示。
图3 装置背面面板布置图
装置由电源插件(XK1501)、主控插件(XK1101)、采样PowerPC插件(XK1102)、模拟采集插件(XK1202)、AC插件(XK1201)、控制电压转换插件(XK1203)、开入插件(XK1301)、断路器操作插件(XK1306)、电流保持插件(XK1307)、开出插件(XK1302/XK1303)，在装置内部还有开入核心板(XK1410)、开出核心板(XK1404)、母板(XK1409)，以及装置正面的LED显示面板(XK1408)组成。
内部各板卡之间通过通用异步收发传输(UART,全称UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter) 接口进行通信。
3 具有选相控制功能的智能终端具体实现
基于分布式设计思想，将装置划分为常规智能终端和选相控制两大功能单元。系统结构框图如图4所示。
图4 装置系统结构框图
如上图所示，常规智能终端功能单元由网络接口模块、光耦隔离模块、模数转换模块、开入处理模块、开出处理模块、主控模块、LED指示灯模块、刀闸出口继电器模块、跳合闸出口继电器模块、电流保持回路模块组成。
选相位控制功能单元由选相位控制模块、参考电压输入模块、反馈电压输入模块、反馈电流输入模块、控制电压监视模块和控制录波模块组成。
接下来介绍装置的几个主要模块的功能。
3.1 网络接口模块
装置在主控插件和采样PowerPC插件上分别设计了一个10M的电以太网接口。主控插件上的网络接口主要用于接收配置软件传送的配置量，包括GOOSE发布参数、GOOSE订阅参数、装置运行参数、断路器的机械特性参数等。
同时外部调试软件通过该口可读取主控模块上送的装置状态信息，包括告警状态、装置状态、报文信息、版本信息等。配置数据保存到装置的专用RAM中，具有掉电保持的特性。
采样PowerPC插件上的网络接口，主要用于读取装置录波信息。
3.2 开入处理模块
装置配置有三块硬件相同的开入插件，每块插件提供21路开入，用以采集包括断路器位置、刀闸位置在内的各种开关状态量信号。这些外部信号首先经过光耦隔离电路，信号形式由高值电压转化为合适的低值电压，然后送给开入核心板。
开入核心板采用Spartan®3E系列的XC3S500E作为处理器，通过UART接口接收主控插件发送过来的消抖参数，根据这些参数对输入的开关状态量信号进行消抖处理，再经UART接口将处理后的信号传送给主控模块。
3.3 模数转换模块
模拟采集插件主要实现慢变模拟量的采集和模数转换，工程上一般用于采集温湿度传感器输出的温湿度信号。插件采用STM32作为处理器，支持三路0～5V信号和3路4～20mA信号。通过模数转换电路转化为数字信号，然后经UART接口将信号传送至主控模块。
3.4 主控模块
主控模块是整个装置的核心模块，通过不同的UART接口与开入处理模块、开出处理模块、模数转化模块和选相位控制模块均相连，另外通过网络接口模块，可实现与上位机软件的交互。
主控模块采用高性能的MPC8247作为处理器，配合两片大规模现场可编程门阵列(FPGA)XC3S1600E和XC3SD3400A，实现了装置管理、GOOSE通讯、事件记录、对时、人机界面交互等功能。同时，插件上配有两片8端口PHY芯片；支持最多12个100base-FX光纤以太网接口，可满足工程GOOSE组网收发和点对点通信的要求。
通过网络接口模块，主控模块遵循TCP/IP协议接收配置软件下发的配置量，保证装置按设置参数工作；同时也将装置内部状态信息传送给调试软件，供使用者查看装置运行情况。
主控模块通过UART接口与开入处理模块通信，既可将开入消抖参数传送给开入处理模块；又可接收开入处理模块上送的遥信量，进而进行逻辑分析和GOOSE上送。通过另一个UART接口，接收模数转换模块上送的数字信号。
通过光纤以太网接口，主控模块负责接收来自间隔层的跳合闸GOOSE命令和刀闸控制GOOSE命令，经分析和处理后，通过UART接口传送至开出处理模块，实现装置的出口动作及灯板指示。
而针对选相位控制GOOSE命令，在选相使能工作模式下，主控模块在接收到该命令后需转发给选相位控制模块，选相位控制模块计算出需要的延时时间，主控模块接收此延时时间，延迟完成后传送给开出处理模块，然后再驱动跳合闸出口继电器动作。而非选相使能模式下，主控模块直接驱动跳合闸出口继电器动作。
3.5 开出处理模块
开出核心板采用Spartan®3E系列的XC3S500E作为处理器，通过UART接口接收主控模块发送过来的开出信息，根据类型分发至LED显示面板和开出插件，驱动LED指示灯、刀闸出口继电器和跳合闸出口继电器动作。
3.6 选相位控制模块
装置的AC插件，提供了四路电压输入和3路电流输入，可满足一路参考电压，三路反馈电压和三路反馈电流的输入要求，通过内部的小互感器转换电路将外部对应的高压互感器的输出转化为装置可处理的低压信号，然后送给选相位控制模块。
而控制电压转换插件，能够采集开关控制电源电压，并进行模数转换后通过UART发给选相位控制模块。采样PowerPC插件上也配置了一块MPC8247作为处理器，配合XC3S1200E，实现参考电压、反馈电压/电流的模数转化。
选相位控制模块接收到主控模块转发的选相位控制GOOSE命令后，在选相使能模式下，选相位控制模块参照参考电压、反馈电压/电流、控制电压和温度信息，结合主控模块断路器机械特性参数，综合计算为达到开关最佳动作时刻所需要的分/合命令延迟时间，并将该延时时间传给主控模块。选相控制流程如图5所示。
图5 选相控制主流程
另外，选相位控制模块还具备录波功能可针对选相前后的分/合命令、参考电压、反馈电压/电流等信息进行录波，录波数据存储在装置的ROM中。通过采样PowerPC插件上的网络接口，录波软件可提取出录波数据，将波形进行还原。
其中，控制电源电压为断路器控制电源的电压值，参考电压为选相控制提供延迟基准。自适应模式下，可根据录波的反馈电压/电流数据，对比参考电压的数据，计算延时时间，进而调节开关操作时间，实现自适应。
4 选相控制实验及分析
针对常规智能终端功能的实验，可依据国网智能终端性能检测的标准进行，在此不再复述。重点针对装置选相控制功能进行验证。在现有的实验条件下，搭建了一个小型的仿真实验系统，以选相合闸为例，测试装置的选相控制性能。如图6所示。
图6 合闸选相控制实验系统
试验系统中所用到的装置实物图如图7所示。
图7 实验装置实物图
设置装置处于选相使能工作模式，首先用上位机配置软件对装置进行配置，如图8所示。
图8 上位机配置界面
模拟量继保仪开出三路频率为50HZ、有效值为57.7V的电压信号作为三相电压，取A相作为选相控制的参考电压。同时，将三相电压作为反馈电压接到模拟断路器的合闸常开触点，再接到装置的AC插件进行采集。
则装置未合闸时，由于常开触点未闭合，AC插件无法采到反馈电压，在收到数字继保仪发送来的选相位控制GOOSE命令后，装置经选相运算开出合闸命令，此时，模拟断路器的合闸常开触点闭合，AC插件才可采集到有效的反馈电压信号，读出录波信息，即可分析装置选相控制性能。
上位机配置软件设置模拟断路器机械特性参数如表1所示。
表1 机械特性参数设置表
按照该参数表设置，期望装置分别在三相A、B、C的零点处完成合闸动作，动作误差应在±1ms范围。得到的录波波形如图9。
图9 选相实验录波波形
图中最上面的正弦波是取自A相的参考电压波形，接下来三条正弦波分别为反馈的三相电压波形，蓝色线为装置接到的选相位控制GOOSE命令，图中最下方为装置经过选相计算后开出的三相动作命令。
录波软件每100us记录一个点。装置接到选相位控制GOOSE命令是在横轴x=7处，在x=183处检测到参考电压上升沿的零点。根据设定的参数，装置应在检测到零点后，分别经4ms，10.667ms，7.333ms的延迟时间开出三相动作命令。
从图中读出三相动作命令分别在x=223，289，256处开出，即实际延迟时间为40，106，73（单位为100us），与设定的延迟时间非常吻合。
三相反馈电压出现的时间即为三相合闸动作完成的时间。从图中可以看出，三相合闸动作基本在预设的合闸时刻（零点）误差范围内完成，波形出现时无较大的抖动、干扰，达到了选相控制预期效果。
图10 带一次本体选相控制试验
带一次本体选相控制试验选用的是550kV断路器，由于断路器分/合闸时间存在分散性，实际的选相控制中存在一定的偏差，表2为多次试验后得到选相偏差数据，最大偏差达0.6ms。
表2 选相偏差数据
通过仿真实验和现场试验，进一步验证了装置具备良好的选相控制算法，满足选相控制误差要求。
5 结语
本文首先介绍了选相控制技术的背景以及原理，在成熟的常规智能终端的基础上，提出了一种融合选相控制功能的新型智能终端，并从装置功能的角度对这种新型智能终端进行了设计需求分析。然后介绍了该装置的具体实现，对其主要模块的原理和功能进行了梳理。最后搭建了一个仿真实验系统和带一次本体试验系统，着重对装置的选相控制功能进行了验证。
经过试验验证，本文所介绍的具有选相控制功能的智能终端在满足常规智能终端的功能要求的基础上，也能可靠地提供选相控制功能，进而可用来应对高压断路器投切负载的瞬态电磁效应，更好地满足工程应用的需要。