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

1、高壓大容量合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)研究及控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn)魏智勇 孫冬慧 姚峻摘要：對(duì)高壓大容量合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)的研究，有助于提高目前大容量試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)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(yàn)室搬遷項(xiàng)目，對(duì)高壓合成回路進(jìn)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(jìn)意見。關(guān)鍵詞：高壓 合成回路 自動(dòng)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?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)裝置。關(guān)于合成回路試驗(yàn)的等價(jià)性，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)得到確認(rèn)。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(yàn)技術(shù)研究也成為日益關(guān)注的對(duì)象。因此，對(duì)大容量合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研

2、究，以提高目前大容量試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)技術(shù)水平，滿足技術(shù)與市場(chǎng)不斷發(fā)展的要求，使我們?cè)诖祟I(lǐng)域保持技術(shù)領(lǐng)先的地位，對(duì)今后發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)影響力等都有重要的意義。在本項(xiàng)目中，我們?cè)诂F(xiàn)有的大容量合成回路試驗(yàn)室基礎(chǔ)上，對(duì)高壓大容量合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)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(shì)，如計(jì)算機(jī)、PLC、時(shí)序控制器控，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量，以及電氣聯(lián)鎖等安全保障系統(tǒng)，對(duì)大容量試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)進(jìn)行了部分改進(jìn)，使今后的大容量試驗(yàn)室控制可靠、方便，測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)，保證試驗(yàn)的安全性和試驗(yàn)結(jié)果的精確性，提高大容量試驗(yàn)室的整體水平。2.高壓合成回路試驗(yàn)研究狀況高壓斷路器的合成試驗(yàn)方法，在國(guó)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(yàn)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(yàn)回路；1992年，L.van der Sluis和G.Aldrovandi在CIGRE報(bào)告中對(duì)合成試驗(yàn)進(jìn)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(duì)合成回路進(jìn)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(yàn)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(yàn)的合成回路。目前國(guó)內(nèi)的西高所大容量試

4、驗(yàn)室、北京電科院開關(guān)所、沈陽虎石臺(tái)試驗(yàn)站等沿用的仍是傳統(tǒng)的Weil-Dobke合成試驗(yàn)回路。20世紀(jì)80年代，王仁甫對(duì)四參數(shù)恢復(fù)電壓的研究在當(dāng)時(shí)是國(guó)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(duì)較小的合成試驗(yàn)回路，其他的工作則主要集中于合成試驗(yàn)控制、測(cè)量方面。例如，2000年西安交通大學(xué)電氣教研室就與陜西寶光集團(tuán)合作，共建工程中心，并對(duì)高壓合成回路試驗(yàn)裝置進(jìn)行了擴(kuò)容改進(jìn)。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(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。高壓合成回路則是一種經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)裝置。由于斷路器在分?jǐn)噙^程中具有電流和高電壓不同

5、時(shí)出現(xiàn)在弧隙上的特點(diǎn)，故可將大電流和高電壓先后加在斷路器上進(jìn)行試驗(yàn)以模擬實(shí)際情況。高壓合成回路試驗(yàn)，已經(jīng)成為試驗(yàn)各種斷路器分?jǐn)嗄芰Φ囊环N重要方法。高壓合成回路試驗(yàn)主電路圖如下，系統(tǒng)采用2個(gè)獨(dú)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(shí)試驗(yàn)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(diǎn)。圖1 合成回路試驗(yàn)原理圖在進(jìn)行合成回路試驗(yàn)時(shí)，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(dá)電流零點(diǎn)時(shí)，通過觸發(fā)間隙點(diǎn)火。相應(yīng)的試驗(yàn)電流趨勢(shì)如下：圖2 電流波形i1電流源提供的試驗(yàn)電流；i2電壓源提供的試驗(yàn)電流；is=i1+i2試品中的電流；t1M點(diǎn)火時(shí)刻；t2i1過零時(shí)刻；t3is過零時(shí)刻4.高壓合成回路試驗(yàn)控制系統(tǒng)研究與改進(jìn)傳統(tǒng)的合成回路試驗(yàn)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(hù)與調(diào)整。由于繼電器元件本身的特點(diǎn)，試驗(yàn)中也很難對(duì)電路開關(guān)元件和試品元件間的時(shí)序配

7、合進(jìn)行準(zhǔn)確、靈活的控制。試驗(yàn)結(jié)果的分散性很大，在很大程度上，需要依賴試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)與感覺進(jìn)行調(diào)整。這樣落后的控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備、資源和時(shí)間造成極大的浪費(fèi)，與日新月異的控制技術(shù)發(fā)展背道而馳。在本項(xiàng)目中，我們對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算機(jī)等設(shè)備，使試驗(yàn)過程更直觀、可靠，并使得未來的升級(jí)改造工作更加靈活便利。在改進(jìn)方案的選擇上，我們就基于單片機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)與基于PLC的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與比較。單片機(jī)系統(tǒng)價(jià)格低廉，運(yùn)行速度快，使用靈活，但編程難度大、可靠性差、通訊及擴(kuò)展功能限制多。PLC則具有一般微機(jī)控制的特性，編程方便，模塊化的設(shè)計(jì)便于

8、維護(hù)及改造，可靠性高。雖然短期成本遠(yuǎn)高于單片機(jī)系統(tǒng)，但從長(zhǎng)期的維護(hù)和更新角度考慮要優(yōu)于單片機(jī)系統(tǒng)，因此選用后者作為控制系統(tǒng)改進(jìn)的核心。控制系統(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(jì)算機(jī)上位數(shù)采計(jì)算機(jī)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(gè)16點(diǎn)的SM321數(shù)字量輸入模塊,1個(gè)16點(diǎn)的SM322數(shù)字量輸出模塊,1個(gè)8點(diǎn)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(dòng)能力，并考慮到開關(guān)電器操作線圈對(duì)電壓要求的多樣性，采用繼電器作為輸出中繼?？紤]到試驗(yàn)時(shí)序?qū)r(shí)間的要求，輸出部分與時(shí)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(duì)應(yīng)的PLC輸出端增加了阻容吸收保護(hù)電路。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(yàn)回路的情況，并可在上位機(jī)上模擬或直接控制試驗(yàn)進(jìn)程。組態(tài)軟件通過以太網(wǎng)接口與PLC進(jìn)行通訊，采集從PLC處傳來的數(shù)據(jù)，并通過PLC控制試驗(yàn)情況。PLC控制合成回路試驗(yàn)的基本操作程序流程圖如下：開始接通控制臺(tái)電源電流源電容器組充電電壓電容器組充電切換到試驗(yàn)狀態(tài)響鈴，

10、準(zhǔn)備試驗(yàn)開始試驗(yàn)合H斷開接地刀電流檢測(cè)觸發(fā)間隙M點(diǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理與試驗(yàn)原理和回路等同樣重要，如果無法及時(shí)準(zhǔn)確采集到有效的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析與處理，試驗(yàn)也就失去了意義。隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)步，國(guó)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(yuǎn)為落后，本項(xiàng)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(tái)及數(shù)據(jù)采集卡對(duì)高壓大容量合成回路試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)采系統(tǒng)（DAQ）進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。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(jì)算機(jī)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(gè)24bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器，最小采樣頻率為200KS/s。采用DAQmx來驅(qū)動(dòng)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(dòng)，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(cè)量要求的不同，采集方法可分為緩沖采集、實(shí)時(shí)采集和定時(shí)采集3種。這3種方法可以滿足一般實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求。由于高壓大容量合成回路試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本單元，PC機(jī)的顯示與分析部分是整個(gè)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(diǎn)就是把傳統(tǒng)的儀器控制面板變成了計(jì)算機(jī)和一個(gè)圖形屏幕組成的軟面板。在這個(gè)面板下可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后開始數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)束后實(shí)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(yàn)的重要性日漸突出，本文通過對(duì)試驗(yàn)原理及線路的學(xué)習(xí)和研究，對(duì)高壓大容量合成回路試驗(yàn)有了進(jìn)一步的了解，為今后高壓大容量合成回路試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與建設(shè)打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，鑒于控制技術(shù)日新月異不斷發(fā)展的現(xiàn)狀，在本項(xiàng)目中，對(duì)傳統(tǒng)基于繼電器的控制回路進(jìn)行了改造，以滿足隨著技術(shù)不斷發(fā)展對(duì)試驗(yàn)穩(wěn)定性、可靠性及精確性各方面提出的要求。同時(shí)，在對(duì)高壓合成回路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(yàn)中的各種數(shù)據(jù)。然而，我們對(duì)高壓大容量合成回路試驗(yàn)的研究，在

14、很大程度上依然停留在了解的深度上，對(duì)試驗(yàn)中主要設(shè)備如點(diǎn)火間隙、充放電裝置及關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算等基礎(chǔ)性知識(shí)缺乏深刻理解與研究，而只有在這些方面有所突破，我們對(duì)高壓大容量合成回路試驗(yàn)的技術(shù)掌握才算全面。因此，雖然我們?cè)诟邏捍笕萘亢铣苫芈吩囼?yàn)的研究中取得了一定進(jìn)展，但仍有許多關(guān)鍵性的問題亟待解決，需要繼續(xù)進(jìn)一步的進(jìn)行深入研究?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 王永榮,孫廣生,嚴(yán)萍,馮榮瓊.高壓直流開斷的合成試驗(yàn)回路的等價(jià)性及其設(shè)計(jì). 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(yàn)中微機(jī)控制與信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng). 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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(xué)出版社, 1989.4 裴振江,姚斯,何俊佳,葉會(huì)生.一種新的特高壓斷路器合成試驗(yàn)回路.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),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(yùn)行試驗(yàn)回路等價(jià)性比較J.高壓電器,2006(42):201-2046 薛曄,適用于合成試驗(yàn)的數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)J.