高壓大容量合成回路試驗系統(tǒng)研究及控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進

1、高壓大容量合成回路試驗系統(tǒng)研究及控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進魏智勇 孫冬慧 姚峻摘要：對高壓大容量合成回路試驗系統(tǒng)的研究，有助于提高目前大容量試驗室的設(shè)計水平，滿足特高壓電網(wǎng)建設(shè)的要求。本文通過某高壓大容量合成回路試驗室搬遷項目，對高壓合成回路進行系統(tǒng)分析與研究，并就控制及數(shù)采系統(tǒng)提出部分改進意見。關(guān)鍵詞：高壓 合成回路 自動控制 數(shù)據(jù)采集1.引言高壓合成回路是一種用于高壓斷路器分斷能力試驗的經(jīng)濟有效的試驗裝置。關(guān)于合成回路試驗的等價性，在IEC標準中已經(jīng)得到確認。目前，隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)的重要性日益突出，特高壓電器設(shè)備的研制和試驗技術(shù)研究也成為日益關(guān)注的對象。因此，對大容量合成回路試驗系統(tǒng)進行研

2、究，以提高目前大容量試驗室的設(shè)計技術(shù)水平，滿足技術(shù)與市場不斷發(fā)展的要求，使我們在此領(lǐng)域保持技術(shù)領(lǐng)先的地位，對今后發(fā)展的經(jīng)濟性、社會影響力等都有重要的意義。在本項目中，我們在現(xiàn)有的大容量合成回路試驗室基礎(chǔ)上，對高壓大容量合成回路試驗系統(tǒng)進行了充分的研究，并利用現(xiàn)代電子設(shè)備迅猛發(fā)展的優(yōu)勢，如計算機、PLC、時序控制器控，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量，以及電氣聯(lián)鎖等安全保障系統(tǒng)，對大容量試驗室的設(shè)計進行了部分改進，使今后的大容量試驗室控制可靠、方便，測量準確，同時，保證試驗的安全性和試驗結(jié)果的精確性，提高大容量試驗室的整體水平。2.高壓合成回路試驗研究狀況高壓斷路器的合成試驗方法，在國外已經(jīng)有較多的研究

3、。在傳統(tǒng)的合成回路的基礎(chǔ)上，W.A.van der Linden等人提出一種利用人工形成線提供TRV(暫態(tài)恢復(fù)電壓)的試驗方法；1989年，S.Yamashita等人提出一種三相共箱結(jié)構(gòu)斷路器的試驗回路；1992年，L.van der Sluis和G.Aldrovandi在CIGRE報告中對合成試驗進行了專題回顧和總結(jié)；1997年，ABB公司的L.van der Sluis和B.L. Sheng等對合成回路進行了較多的研究，并提出了一種適用于特高壓斷路器的新合成回路試驗回路EPIC回路；2000年，D. Dufournet等人提出了適用于三相短路開斷能力試驗的合成回路。目前國內(nèi)的西高所大容量試

4、驗室、北京電科院開關(guān)所、沈陽虎石臺試驗站等沿用的仍是傳統(tǒng)的Weil-Dobke合成試驗回路。20世紀80年代，王仁甫對四參數(shù)恢復(fù)電壓的研究在當時是國內(nèi)較有代表性的工作。江文泉等提出了一種電流畸變相對較小的合成試驗回路，其他的工作則主要集中于合成試驗控制、測量方面。例如，2000年西安交通大學電氣教研室就與陜西寶光集團合作，共建工程中心，并對高壓合成回路試驗裝置進行了擴容改進。利用PLC為核心的控制系統(tǒng)取代原繼電控制回路。3. 高壓合成回路試驗原理及主電路一般電力開關(guān)電氣由于斷流能力很大，不能直接在電網(wǎng)上進行試驗。高壓合成回路則是一種經(jīng)濟有效的試驗裝置。由于斷路器在分斷過程中具有電流和高電壓不同

5、時出現(xiàn)在弧隙上的特點，故可將大電流和高電壓先后加在斷路器上進行試驗以模擬實際情況。高壓合成回路試驗，已經(jīng)成為試驗各種斷路器分斷能力的一種重要方法。高壓合成回路試驗主電路圖如下，系統(tǒng)采用2個獨立電源（A：低電壓大電流的電流源，Q，高電壓小電流的電壓源）以代替真實試驗中的高電壓大電流源。電路中設(shè)備有:A大電流源充電變壓器；B大電流電容器組接地泄流開關(guān)；C大電流電容器組；D大電流充電隔離開關(guān)；E大電流調(diào)諧電抗；G放電管短接開關(guān)；H輔助斷路器；I試品；JTRV波形調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)；KTRV網(wǎng)絡(luò)接地開關(guān)；L高電壓調(diào)諧電抗；M觸發(fā)間隙；N高電壓電容器組；O高電壓電容器組接地泄流開關(guān)；高電壓充電隔離開關(guān)；高電壓源充

6、電變壓器；主接地點。圖1 合成回路試驗原理圖在進行合成回路試驗時，先斷開接地刀B、K、O，然后接通D、P分別給電容器組C、N充電，充電完成后斷開D、P，合H，在電流即將到達電流零點時，通過觸發(fā)間隙點火。相應(yīng)的試驗電流趨勢如下：圖2 電流波形i1電流源提供的試驗電流；i2電壓源提供的試驗電流；is=i1+i2試品中的電流；t1M點火時刻；t2i1過零時刻；t3is過零時刻4.高壓合成回路試驗控制系統(tǒng)研究與改進傳統(tǒng)的合成回路試驗控制系統(tǒng)采用繼電控制線路，所用元器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、占用空間大、成本高、且不便于維護與調(diào)整。由于繼電器元件本身的特點，試驗中也很難對電路開關(guān)元件和試品元件間的時序配

7、合進行準確、靈活的控制。試驗結(jié)果的分散性很大，在很大程度上，需要依賴試驗人員的經(jīng)驗與感覺進行調(diào)整。這樣落后的控制系統(tǒng)對設(shè)備、資源和時間造成極大的浪費，與日新月異的控制技術(shù)發(fā)展背道而馳。在本項目中，我們對控制系統(tǒng)進行了改造，將原有控制系統(tǒng)改為基于PLC的控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上增加了上位監(jiān)控計算機等設(shè)備，使試驗過程更直觀、可靠，并使得未來的升級改造工作更加靈活便利。在改進方案的選擇上，我們就基于單片機的微機控制系統(tǒng)與基于PLC的控制系統(tǒng)進行了分析與比較。單片機系統(tǒng)價格低廉，運行速度快，使用靈活，但編程難度大、可靠性差、通訊及擴展功能限制多。PLC則具有一般微機控制的特性，編程方便，模塊化的設(shè)計便于

8、維護及改造，可靠性高。雖然短期成本遠高于單片機系統(tǒng)，但從長期的維護和更新角度考慮要優(yōu)于單片機系統(tǒng)，因此選用后者作為控制系統(tǒng)改進的核心?？刂葡到y(tǒng)框圖如下：電壓源主合閘開關(guān)試品斷路器等電流源接觸器、繼電器等控制中繼PLC 輸出模塊PLC 處理器模塊PLC 輸入模塊通信模塊控制按鈕、開關(guān)等，設(shè)備狀態(tài)上位監(jiān)控計算機上位數(shù)采計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)采用了西門子S7-300系列PLC，選用該系列的CPU315-2PN/DP作為控制核心部件，選用2個16點的SM321數(shù)字量輸入模塊,1個16點的SM322數(shù)字量輸出模塊,1個8點的SM331模擬量輸入模塊。由于開關(guān)電器的操作線圈容量較大，超

9、過PLC直接驅(qū)動能力，并考慮到開關(guān)電器操作線圈對電壓要求的多樣性，采用繼電器作為輸出中繼?？紤]到試驗時序?qū)r間的要求，輸出部分與時序有關(guān)的繼電器均選用了固態(tài)繼電器。由于PLC輸出端連接的大多為電磁線圈，為了抑制關(guān)斷過電壓，在對應(yīng)的PLC輸出端增加了阻容吸收保護電路。上位監(jiān)控計算機組態(tài)軟件選用西門子WinCC，用戶通過組態(tài)軟件可以看到試驗回路的情況，并可在上位機上模擬或直接控制試驗進程。組態(tài)軟件通過以太網(wǎng)接口與PLC進行通訊，采集從PLC處傳來的數(shù)據(jù)，并通過PLC控制試驗情況。PLC控制合成回路試驗的基本操作程序流程圖如下：開始接通控制臺電源電流源電容器組充電電壓電容器組充電切換到試驗狀態(tài)響鈴，

10、準備試驗開始試驗合H斷開接地刀電流檢測觸發(fā)間隙M點火分H合接地刀開關(guān)復(fù)位結(jié)束圖4 PLC程序流程圖5.高壓合成回路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計試驗數(shù)據(jù)的采集與處理與試驗原理和回路等同樣重要，如果無法及時準確采集到有效的數(shù)據(jù)并進行分析與處理，試驗也就失去了意義。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)采系統(tǒng)也在采集速度、抗干擾性、數(shù)據(jù)精確性等方面不斷發(fā)展和進步，國內(nèi)外如研華、Nicolet，Yokogawa，NI等數(shù)采廠家也都在不斷提供更快更好的產(chǎn)品。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在速度、精度各方面都遠為落后，本項目基于NI公司的LabView（Laboratory Virtual Instrument Engineerin

11、g）虛擬儀器編程開發(fā)平臺及數(shù)據(jù)采集卡對高壓大容量合成回路試驗系統(tǒng)的數(shù)采系統(tǒng)（DAQ）進行了重新設(shè)計。數(shù)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下及軟件結(jié)構(gòu)圖如下：PC/采集顯示數(shù)據(jù)采集卡接線端子板電壓觸頭霍爾元件電壓觸頭圖5 數(shù)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集軟件參數(shù)設(shè)定數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)保存圖6 數(shù)采系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)采用PCI6014數(shù)據(jù)采集卡，它可以與帶有PCMIA接口的計算機想連，提供了10路單端/5路差分模擬輸入，2路模擬輸出，8路數(shù)字I/O和16bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換精度及兩個24bit定時/計數(shù)器，最小采樣頻率為200KS/s。采用DAQmx來驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡，其中DAQm包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)

12、動，并提供相應(yīng)的VI函數(shù)。本系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)采集、發(fā)生程序都是利用DAQm函數(shù)來完成的。根據(jù)測量要求的不同，采集方法可分為緩沖采集、實時采集和定時采集3種。這3種方法可以滿足一般實驗數(shù)據(jù)采集的要求。由于高壓大容量合成回路試驗的特征，本系統(tǒng)采用的是緩沖采集的方式，以滿足高速采集的需要。系統(tǒng)以模塊為實現(xiàn)虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本單元，PC機的顯示與分析部分是整個系統(tǒng)的用戶界面，而基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)的突出特點就是把傳統(tǒng)的儀器控制面板變成了計算機和一個圖形屏幕組成的軟面板。在這個面板下可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)操作界面所需的全部功能。顯示和分析的全部數(shù)據(jù)來自于PCI板卡的數(shù)據(jù)采集，在采集數(shù)據(jù)顯示模塊中，首先

13、對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)定，然后開始數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)束后實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示。6.結(jié)論高壓大容量合成回路試驗的重要性日漸突出，本文通過對試驗原理及線路的學習和研究，對高壓大容量合成回路試驗有了進一步的了解，為今后高壓大容量合成回路試驗室的設(shè)計與建設(shè)打下了基礎(chǔ)。同時，鑒于控制技術(shù)日新月異不斷發(fā)展的現(xiàn)狀，在本項目中，對傳統(tǒng)基于繼電器的控制回路進行了改造，以滿足隨著技術(shù)不斷發(fā)展對試驗穩(wěn)定性、可靠性及精確性各方面提出的要求。同時，在對高壓合成回路試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，本項目設(shè)計了一套基于NI虛擬儀器及數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以有效高速的采集試驗中的各種數(shù)據(jù)。然而，我們對高壓大容量合成回路試驗的研究，在

14、很大程度上依然停留在了解的深度上，對試驗中主要設(shè)備如點火間隙、充放電裝置及關(guān)鍵參數(shù)計算等基礎(chǔ)性知識缺乏深刻理解與研究，而只有在這些方面有所突破，我們對高壓大容量合成回路試驗的技術(shù)掌握才算全面。因此，雖然我們在高壓大容量合成回路試驗的研究中取得了一定進展，但仍有許多關(guān)鍵性的問題亟待解決，需要繼續(xù)進一步的進行深入研究?！緟⒖嘉墨I】1 王永榮,孫廣生,嚴萍,馮榮瓊.高壓直流開斷的合成試驗回路的等價性及其設(shè)計. 電工電能新技術(shù),1990(3):8-15.2 郎云,崔文軍,徐建源,王爾智.合成回路試驗中微機控制與信號檢測系統(tǒng). 沈陽工業(yè)大學學報,1997(2):6-10;3 張節(jié)容,線家驪.高壓電器原理及應(yīng)用,北京:清華大學出版社, 1989.4 裴振江,姚斯,何俊佳,葉會生.一種新的特高壓斷路器合成試驗回路.中國電機工程學報,2007(11):65-69.5 賀恒鑫,何俊佳.用于高壓直流輸電的晶閘管換流閥運行試驗回路等價性比較J.高壓電器,2006(42):201-2046 薛曄,適用于合成試驗的數(shù)字化測試系統(tǒng)J.