户外柱上型智能重合控制器

         自动重合器是实现配电网电动化的重要设备。我国从80年代末开始引进国外的自动重合器，90年代开始仿制。目前国内应用最多的主要有3种类型，即英国Relly公司的ESR型集成电路控制重合器，英国Brush公司的PMR型微机控制重合器，美国Cooper公司的KFE型集成电路控制重合器。所有进口自动重合器的开关本体均采用高压合闸线圈，直接从10 kV线路获取合闸电源，延时、安秒特性为液压方式。由于生产设备与工艺方面的问题，我国一直受到高压合闸线圈与液压部件的国产化与维修工作的困扰，因此仿制的重合器都没有采用高压合闸线圈与液压部件，大多采用集成电路或8位微机控制电路。 
         本文介绍的户外柱上型智能重合控制器，摈弃了仿制进口自动重合器的电子控制电路的老路，而是以工业级16位微控制器Intel 87C196KC-20以及CPLD器件为主，采用先进的频率自适应同步快速交流采样算法(每周波24点)、高性能现场通讯技术及智能控制技术，集测量、控制、保护、通讯、远动和自生电源装置、红外遥控装置于一体，完全实现了自动重合器的各项功能，并具有自动重合器所不具备的在线检测、诊断与综合自动化功能。将大量国产普通的SF6断路器与真空断路器改造成“智能断路器”，以代替价格昂贵的进口自动重合器。

1 配电网对重合器的要求
        配电网的基本结构分为辐射系统和环网系统两种，线路分段加环网是我国配电自动化的必走之路，自动重合器主要用于配电变电所的出线开关与自动配电开关或分段器相配合实现故障点自动隔离、自动恢复等配电自动化功能。有时也用作馈线的分段开关，但配合与整定相对困难一些。
重合器与普通继电保护装置相比较，其不同之处是：
1)要求户外柱上安装，运行环境恶劣，可靠性要求更高；
2)具有0～3次自动重合功能；
3)具有3条以上快慢特性的反时限动作曲线可以选用；
4)每次分断可以有不同的快慢特性相配合；
5)典型的“分—T1—合分—T2—合分—T3—合分—复归”自动工作循环；
6)自备操作电源与遥控操作功能。
由此可见，配电网自动化对重合控制器的要求高于普通继电保护和综合自动化的功能 。

2 智能重合器硬件结构
智能重合控制器主要由单片微型控制器MCU基本系统及测控软件、通讯接口、电力信号输入输出接口3部分构成，独立完成相应的一个设备(如一条出线)的全数字化数据测量、逻辑运算、故障判断、保护及手动操作等功能，并可向上位机传送设备运行数据与开关位置以及接收上位机发来的设定值。
2.1 微控制器及扩展电路
智能重合器微机控制单元的内部结构如图2—1所示，图中MCU选用高性能的Intel 87C196KC-20，这是由于其运算速度快(每时钟周期0.1μs，运行速度为Intel 8098的2～3倍)，实时处理能力强(HSI、HSO、PTS)，内置488B RAM，无寄存器瓶颈，程序可固化于片内16KB EPROM(OTP)。另外扩展一片串行E2PROM作为运行参数存贮器，一片32KB SRAM存储滤波数据。为记录故障发生前后波形，外扩一片62256(32KB*8)。MAX197A为单电源(＋5V)、多量程(5V、10V、±5V、±10V)、8路输入带内部采样／保持、时钟、基准电压的信号采集系统，转换时间6.0μs，整体达100KPS采样速率。X25043芯片将Watchdog定时器、上电复位控制器与512B E2PROM集成到单个芯片内(DIP 8)。
MAX487E为128路RS-485驱动器。其它部分由ATF 1500可编程逻辑阵列实现。整个电路简单、使用芯片极少，提高了运行的可靠性。该结构为开放式，对配电网各点的不同要求(如辐射点、环网点、电流型、电压型)，不同功能可以通过软件开关设置，智能重合控制器的硬件软件完全一致，可以互换。
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2.2 信号输入电路
输入信号有反映开关状态与手动操作的开关量信号、来自CT与PT的模拟量信号，前者通过光电耦合器可以很方便地实现隔离与变换，送入MCU进行处理，后者采用交流采样法。在本智能重合控制器中，采用图2—2所示电路对有关参数进行检测。由于电流测量与电流保护信号取自不同的CT，其精度范围与精度等级不同，需采用各自的二次变换器，从不同的A/D通道送入微机，这样做既保证了正常测量时的精度，又保证故障时信号不饱和失真。由于微机对所有信号巡回检测，通道之间必然存在延迟，为保证功率计算准确，必须保持同一瞬时的电流电压值，因此采用4个采样／保持器。另外，小电流接地系统中，零序CT电流信号极小，故从测量传感器中输入并多绕几圈，可以保证对毫安级电流信号的反映能力 。

2.3 信号输出回路
微机控制单元的输出信号主要是跳合闸出口命令，一般是用MCU通过输出锁存器控制驱动电路，使相应的中间快速继电器动作，实际应用中为防止误动(一般是上电复位时和外部电磁场干扰)常用输出锁存器的几位组成特定的密码启动光电隔离与驱动电路，从而使出口继电器可靠动作。实用中还要在软件中设置强电保护功能以防止操作机构卡死而引起的开关跳合闸线圈烧毁以及出口继电器触点损坏。
2.4 Watchdog抗干扰电路
为提高控制器的抗干扰能力，电气电路采用多级隔离，并设二级Watchdog电路。第一级为MCU内置WDT电路，可以防止程序偶尔锁死，在MCU本身正常的情况下，自动恢复工作。第二级为X25043提供的外置WDT电路，在第一级失效时(尤其是MCU本身已经损坏的情况下)强行复位，并封锁输出电路，保证在MCU发生故障时开关不会误动作。

3 交流采样算法
3.1 三相交流电路中基本参数的测量原理
三相交流电路中，在理论上电压和电流一般均为有效值的测量，其计算公式为
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用微机进行采样计算来实现有效值的测量，假定每周期采样次数为N，电压离散采样值为Ui，电流离散采样值为Ii，则电压、电流有效值可用以下两式求得：
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3.2 交流采样算法
智能开关能否满足对保护装置选择性、快速性、灵敏性和可靠性的要求，关键在于其算法的应用，即从一系列的离散值中，运用某种数学运算方法得出与采样时刻无关的量，并与整定值进行比较，再进行逻辑运算，从而做出跳闸与否的判断。然而，电力系统发生故障时，由于非线性铁磁元件、分布电容及CT、PT过渡过程的影响，故障电流和电压并非纯正弦波，而是含有衰减的非周期分量与高频分量。以往各种基于纯正弦波的算法的结果会产生相当大的误差。在低压系统中，这些误差对保护的影响可用时限躲过，而高压系统对保护的快速性有严格的要求，工程实现比较困难。
本文介绍小电流接地系统中用作保护算法的积分法，其依据是正弦量的半周绝对值积分正比于幅值Vm。数字算法表示为
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式中V(i)为第i个采样值，N为一周内的采样数(一般为12或24)，K(α)为比例系数，与初始采样点V(0)的角度有关，此算法仅因初始采样点不同引起的误差较大(对每周24点采样算法中，初始采样点引起的误差约为1%)，但个别采样值受干扰后对总值的影响较小，在半波积分过程中部分谐波相抵消。
电流、电压和三相有功功率的数字算法公式为
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式中i(k)、u(k)为第k点的电流、电压采样值，由上述算法可分别算出IA、IC和UAB、UCB。其它量如cosφ也可据此推算出。在普通算法中，Q算式通常由P算式导出，而本控制器采用的算法中，Q算式直接由电流、电压导出，极大地提高了计算精度，并具有方向性。
由于i、u的检测采用12位A/D转换器，上述算法实质上只需16位有符号整数的加法与乘法运算，因此MCU可以在一个采样周期内(对于每周波24点采样为0.833ms)完成所有的运算 ，如保护判断、逻辑运算、延时、通讯等。另外，电网频率的变化必然使上述算法产生误差 ，因此系统的采样频率不可能固定，必须自动跟踪电网频率。

4 结论
        本智能重合器及其配套的综合自动化系统已在甘肃、云南、湖南等地配电变电站安全运行。特别是与某农电开关厂合作研制的自备操作电源、红外遥控装置的智能重合器，现已在江西、湖南等地挂网运行，完全取代了进口自动重合器，为我国城乡配电网改造工程的顺利实施提供一条多快好省的捷径。