專利名稱：一種諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)及工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)及工作方法。
背景技術(shù)：
大負(fù)荷中心短路電流超標(biāo)已經(jīng)成為制約電網(wǎng)發(fā)展的重要因素。串聯(lián)諧振型限流器因原理簡(jiǎn)單、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，成為應(yīng)用于500kV超高壓電網(wǎng)的實(shí)用化限流器。串聯(lián)諧振型限流器原理如下限流電抗串聯(lián)與之工頻諧振的電容器；短路故障時(shí)，電容器被快速旁路，相當(dāng)于限流電抗投入。實(shí)現(xiàn)限流器主動(dòng)限流功能的關(guān)鍵是電容器快速旁路。旁路電路動(dòng)作速度決定了限流器投入速度，此外旁路電路高速閉合對(duì)裝置的絕緣配合、過壓保護(hù)、 電路通流水平的降低都十分有利?？焖儆|發(fā)系統(tǒng)是限流器旁路電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。觸發(fā)系統(tǒng)的保護(hù)判據(jù)依賴于短路電流幅值和電流微分值。該保護(hù)判據(jù)在工程上具有極高的可靠性，但觸發(fā)時(shí)間達(dá)到5毫秒仍然存在困難，原因?yàn)橐韵路矫?br> 1、短路故障識(shí)別方法速度還不夠快。電流幅值和變化率能直接快速體現(xiàn)故障信息，但電流幅值受故障相位和距離的影響，電流變化率容易受到高頻噪聲的干擾。為了防止誤判， 判據(jù)閾值設(shè)定比較高，而且要多次比較確認(rèn)，影響了保護(hù)判據(jù)出口時(shí)間。2、信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)過多，造成一定的延時(shí)。專利“一種故障電流限制器的晶閘管閥觸發(fā)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”提出了晶閘管閥觸發(fā)與監(jiān)測(cè)編碼方式。上位機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)給閥基電子設(shè)備(VBE)，VBE再轉(zhuǎn)發(fā)給觸發(fā)板，觸發(fā)板發(fā)出觸發(fā)脈沖給晶間管閥。信號(hào)傳輸過程經(jīng)過檢測(cè)、 通訊、模數(shù)轉(zhuǎn)換、短路電流識(shí)別、脈沖編碼等環(huán)節(jié)。由于信號(hào)要在高低電位平臺(tái)傳送，執(zhí)行時(shí)間花在通訊環(huán)節(jié)上過多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)限流器投入工作速度不能滿足系統(tǒng)的問題，提出了一種諧振型限流器晶間管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)及工作方法，具有較好的速動(dòng)性和可靠性。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)，包括采樣模塊、 控制器、時(shí)鐘電路、觸發(fā)單元和報(bào)警電路，采樣模塊采用高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣模塊采樣線路電流和諧振電壓差信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)送入控制器中進(jìn)行邏輯處理，輸出控制信號(hào)到觸發(fā)單元，觸發(fā)單元輸出到被控晶閘管，同時(shí)輸出信號(hào)到報(bào)警電路，時(shí)鐘電路為控制器提供時(shí)鐘信號(hào)，控制器輸出控制信號(hào)到采樣模塊啟動(dòng)采樣。所述采樣模塊選用采樣芯片為高速并行AD轉(zhuǎn)換芯片，控制器選用FPGA可編程門陣列芯片。一種諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)工作方法，其特征在于，當(dāng)諧振元件中有電流流過時(shí)，若諧振電壓差達(dá)到動(dòng)作的閾值，諧振電壓差與短路電流判據(jù)經(jīng)過邏輯與門后構(gòu)成短路故障信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換成晶閘管閥觸發(fā)信號(hào)快速觸發(fā)限流器晶閘管導(dǎo)通;當(dāng)諧振電壓差達(dá)到動(dòng)作閾值但電流元件中沒有電流流過時(shí)，即電流判據(jù)經(jīng)一個(gè)反相器后和諧振電壓差判斷結(jié)果再經(jīng)一個(gè)邏輯與門構(gòu)成斷線故障出口，斷路故障信號(hào)輸出發(fā)出警告信號(hào)；在重合間過程中將諧振電壓差判據(jù)閉鎖，等限流器諧振器件兩端電壓差衰減到判斷動(dòng)作值之下時(shí)，打開諧振電壓差判據(jù)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)及工作方法，具有較好的速動(dòng)性和靈敏性，保證系統(tǒng)的安全同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)上的保證。


圖1為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)原理圖； 圖2為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)電路圖3為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)邏輯系統(tǒng)框圖； 圖4為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主電路圖； 圖5為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)硬件電路圖； 圖6為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)軟件流程圖； 圖7為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)諧振電壓差波形圖； 圖8為本發(fā)明諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)判據(jù)出口時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式限流器本體故障信號(hào)指的是短路電流信號(hào)、諧振電容電壓信號(hào)和限流電抗電壓信號(hào)。本體故障信號(hào)經(jīng)傳感器采用后進(jìn)入識(shí)別單元模塊。識(shí)別模塊采用的是諧振電壓差快速識(shí)別方法。識(shí)別方法判斷出短路故障后，發(fā)出判據(jù)信號(hào)給光電觸發(fā)與監(jiān)測(cè)單元，觸發(fā)單元發(fā)出觸發(fā)信號(hào)給晶閘管電子板TE，TE板再發(fā)出觸發(fā)信號(hào)給晶閘管，使晶閘管動(dòng)作，如圖1所示系統(tǒng)原理圖。穩(wěn)態(tài)時(shí)由于限流元件工頻諧振，限流電抗電壓與諧振電容電壓幅值相等，方向相反，因此兩者標(biāo)量之差為0。短路時(shí)，由于非周期分量存在使得電感兩端電壓值發(fā)生突變，而電容兩端電壓幾乎不變，從而引起諧振元件電壓差發(fā)生較大的跳變，由于跳變幅值相對(duì)較大，這一信號(hào)可以作為故障判斷的可靠依據(jù)。諧振電壓差法有兩大優(yōu)點(diǎn)1、諧振電壓差法受其他因素影響最小諧振電壓差法的大小由短路電流存在非周期分量這個(gè)特征引起，基本不受其他因素的干擾。2、諧振電壓差法整定值較小。短路故障發(fā)生后，諧振電壓差近乎是從無到有的過程，因而該判據(jù)具有較好的速動(dòng)性和靈敏性。快速觸發(fā)系統(tǒng)利用可編程硬件技術(shù)(FPGA可編程門陣列)處理邏輯功能的特性，將信號(hào)處理集中在觸發(fā)板上完成，能有效節(jié)省信號(hào)傳遞的開銷，提高了觸發(fā)系統(tǒng)的快速性和可靠性。系統(tǒng)主要由采樣模塊，計(jì)時(shí)器，邏輯判斷模塊，以及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊等組成。采樣模塊高速采樣線路電流、諧振電壓差信號(hào)；計(jì)時(shí)器提供全局時(shí)鐘信號(hào)，為系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間；邏輯判斷模塊實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別邏輯配合方案，該模塊屬于可編程技術(shù)中的軟件技術(shù)；信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將判據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成晶間管閥觸發(fā)信號(hào)。模型實(shí)驗(yàn)表明諧振電壓差識(shí)別方法能在 Ims內(nèi)提供判據(jù)出口信號(hào)。觸發(fā)系統(tǒng)核心部件是邏輯判斷模塊。當(dāng)系統(tǒng)斷線時(shí)，諧振器件兩端同樣會(huì)出現(xiàn)諧振電壓差，因此，這一判據(jù)無法躲開斷線對(duì)故障判斷的影響，諧振電壓差需要與短路電流判據(jù)配合。斷路器在重合間過程中，由于電容器端口電壓未完全釋放掉，諧振電壓差判據(jù)也會(huì)誤判，因此需要與斷路器合閘信號(hào)相配合。該模塊實(shí)現(xiàn)方案如下1、當(dāng)電流元件中有電流流過時(shí)，若諧振電壓差達(dá)到動(dòng)作的閾值，則判定為短路故障，此時(shí)，該裝置發(fā)出短路故障信號(hào)；當(dāng)諧振電壓差達(dá)到動(dòng)作閾值但電流元件中沒有電流流過時(shí)，此時(shí)判定為斷線故障。2、在重合閘過程中將諧振電壓差判據(jù)閉鎖。重合間完成后電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)等到限流器諧振器件兩端電壓差衰減到判據(jù)動(dòng)作閾值之下時(shí)，再開放該裝置，以確保限流器控制裝置不會(huì)在合閘瞬間誤動(dòng)作將限流電抗器投入系統(tǒng)。觸發(fā)系統(tǒng)如圖2所示電路圖。系統(tǒng)主要由采樣模塊、計(jì)時(shí)器、邏輯判斷電路、控制器以及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊等組成。邏輯判斷部分如圖3所述，采樣芯片采用高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣線路電流、諧振電壓差信號(hào)，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；計(jì)時(shí)器提供全局時(shí)鐘信號(hào)，為系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，計(jì)數(shù)器可以用晶振或者FPGA內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)；控制器采用現(xiàn)場(chǎng)可編程器，該控制器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行邏輯模塊處理等，邏輯判斷提供故障判據(jù)信號(hào)，觸發(fā)單元接受到信號(hào)后立刻觸發(fā)晶閘管。圖3為邏輯系統(tǒng)框圖，正常運(yùn)行期間，諧振電壓差與電流判斷結(jié)果經(jīng)過一個(gè)邏輯與門后構(gòu)成斷路故障的出口，當(dāng)裝置判斷為系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，該信號(hào)快速觸發(fā)限流器晶閘管導(dǎo)通，/ > Ixt判斷結(jié)果經(jīng)一
個(gè)反相器后和諧振電壓差判斷結(jié)果經(jīng)過一個(gè)邏輯與門構(gòu)成斷線故障出口，當(dāng)裝置判斷為斷線故障時(shí)，可發(fā)警告信號(hào)。在合閘邏輯判斷中，引入斷路器狀態(tài)將諧振電壓差判據(jù)出口閉鎖。采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧振電壓差值控制，等到由合閘引起的諧振電壓差衰減至判據(jù)動(dòng)作值
之下，躲過由合閘產(chǎn)生的諧振電壓差對(duì)裝置的影響。值的整定可取系統(tǒng)各種運(yùn)行
參數(shù)下諧振電壓差衰減至動(dòng)作值以下并留有一定安全裕量。實(shí)驗(yàn)主電路如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證快速觸發(fā)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)性能，因此實(shí)驗(yàn)工況為小電壓電流。主電路參數(shù)如下電源為50V可調(diào)交流電壓源，Z=600mH，所需諧振電容C=16. 9uF，TP=IOO Q,S,,S2為短路點(diǎn)。滿足實(shí)驗(yàn)條件的電容為4. 7uF，則需并聯(lián)電容的個(gè)數(shù)為4，諧振阻抗呈現(xiàn)容性。實(shí)驗(yàn)表明，正常工作時(shí)電流200mA，當(dāng)節(jié)開關(guān)Sl閉合，ΔΕ；可跳變至正常值的2倍之多。而這一值的大小隨實(shí)驗(yàn)電壓大小不同而不同。依據(jù)快速觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示。采樣芯片選擇AD1674高速并行12位芯片，采樣每個(gè)周期采樣1 個(gè)點(diǎn)，則采樣速率為12.8k/S。FPGA采用Actel 公司的ProASIC3 A3P060 VQGlOOFPGA芯片，芯片具有60K系統(tǒng)門規(guī)模，18kSRAM, 71個(gè)I/O。 計(jì)時(shí)器由FPGA內(nèi)部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯判斷，并提供AD控制信號(hào)。故障發(fā)生后，提供報(bào)警信號(hào)。根據(jù)邏輯配合關(guān)系，軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。分頻器輸出的6. 4kHz脈沖控制 AD1674芯片對(duì)信源進(jìn)行一周波128點(diǎn)采樣。在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后將結(jié)果送入比較器與設(shè)定閾值進(jìn)行比較。若采樣值大于設(shè)定閾值時(shí)即發(fā)出故障判據(jù)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)閾值選取，電流閾值為150mA，電流變化率閾值為34A/s，諧振電壓差閾值為6.8V。典型故障錄波波形如圖7所示。圖中跳躍的電平信號(hào)為諧振電壓差判據(jù)出口信號(hào)， 曲線為諧振電壓差信號(hào)。對(duì)短路故障隨機(jī)做了 20組，統(tǒng)計(jì)判據(jù)出口時(shí)間如圖8所示。統(tǒng)計(jì)時(shí)間結(jié)果表明，諧振電壓差平均響應(yīng)時(shí)間在0. 6ms,電流變化率平均響應(yīng)時(shí)間在ans，短路電流平均響應(yīng)時(shí)間在6ms。
權(quán)利要求
1.一種諧振型限流器晶間管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，包括采樣模塊、控制器、時(shí)鐘電路、觸發(fā)單元和報(bào)警電路，采樣模塊采用高速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣模塊采樣線路電流和諧振電壓差信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)送入控制器中進(jìn)行邏輯處理，輸出控制信號(hào)到觸發(fā)單元，觸發(fā)單元輸出到被控晶閘管，同時(shí)輸出信號(hào)到報(bào)警電路，時(shí)鐘電路為控制器提供時(shí)鐘信號(hào)，控制器輸出控制信號(hào)到采樣模塊啟動(dòng)采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述諧振型限流器晶間管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣模塊選用高速并行AD轉(zhuǎn)換芯片，控制器選用FPGA可編程門陣列芯片。
3.一種諧振型限流器晶間管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)工作方法，其特征在于，當(dāng)諧振元件中有電流流過時(shí)，若諧振電壓差達(dá)到動(dòng)作的閾值，諧振電壓差與短路電流判據(jù)經(jīng)過邏輯與門后構(gòu)成短路故障信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換成晶閘管閥觸發(fā)信號(hào)快速觸發(fā)限流器晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)諧振電壓差達(dá)到動(dòng)作閾值但電流元件中沒有電流流過時(shí)，即電流判據(jù)經(jīng)一個(gè)反相器后和諧振電壓差判斷結(jié)果再經(jīng)一個(gè)邏輯與門構(gòu)成斷線故障出口，斷路故障信號(hào)輸出發(fā)出警告信號(hào)；在重合間過程中將諧振電壓差判據(jù)閉鎖，等限流器諧振器件兩端電壓差衰減到判斷動(dòng)作值之下時(shí)，打開諧振電壓差判據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種諧振型限流器晶閘管閥快速觸發(fā)系統(tǒng)及工作方法，系統(tǒng)主要由采樣模塊、控制器、時(shí)鐘電路、觸發(fā)單元和報(bào)警電路組成。采樣模塊高速采樣線路電流、諧振電壓差信號(hào)；時(shí)鐘電路提供全局時(shí)鐘信號(hào)，為系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間；控制器采用現(xiàn)場(chǎng)可編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別邏輯配合方案，將判據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成晶閘管閥觸發(fā)信號(hào)。模型實(shí)驗(yàn)表明諧振電壓差識(shí)別方法能在1ms內(nèi)提供判據(jù)出口信號(hào)。本發(fā)明具有快速識(shí)別短路故障和能躲開重合閘和系統(tǒng)斷線等故障的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/04GK102354963SQ20111025208
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者張小寶, 王華昕, 趙永熹 申請(qǐng)人:上海電力學(xué)院