电力系统短路试验合闸角控制系统的研制.pdf
电力系统短路试验合闸角控制系统的研制电力系统短路试验合闸角控制系统的研制 Control System of the Initial Fault Current Angle in Power System Short-circuit Test 张家澄张家澄 方光荣方光荣 韦统振韦统振 =摘要=摘要 本文提出了一种用于电力系统短路试验的合闸角控制系统，介绍了它的结构和原理，并给出了系统中合闸角控制器和反并联可控硅开关控制器的实现框图与工作原理。通过该系统，可以精确控制短路试验中线路电流合闸角的大小。关键词关键词:电力系统短路试验 合闸角控制器电力系统短路试验 合闸角控制器 反并联可控硅开关控制器反并联可控硅开关控制器 中图分类号：中图分类号：TP273+.5；TM713；TP274+.2 Abstract:A control system of the initial fault current angle in power system short-circuit test is proposed in this paper.The structure and principle of the system are introduced.The initial fault current angle controller and the back-to-back connected thyristors controller of the system are presented in detail.The initial fault current angle can be precisely controlled with this control system.Keywords:power system short-circuit test,initial fault current angle controller,back-to-back connected thyristors controller 电力系统能否安全稳定工作，关系到国民经济是否能够顺利运行，因此很多新的装置在进入电力系统以前，必须先通过短路试验，以检验其可靠性。试验包括当系统在各种不同的合闸角（短路发生瞬间，线路中电流的相角）下发生短路时，测试新装置在短路过程中的反应，所以在电力系统短路试验中，必须能够精确控制合闸角的大小。本文设计了一套电力系统短路试验用合闸角控制系统，自行开发了系统中的合闸角控制器和反并联可控硅开关控制器，并利用这套系统进行了试验，给出了试验结果。1.合闸角控制系统 合闸角控制系统 1.1 系统的组成和原理 系统的设计思想是先设定合闸角大小，再测取相关信号，最后向线路反馈回控制信号，使得线路在电流相角等于预先设定的合闸角时发生短路。合闸角控制系统的硬件由美国国家仪器公司（National Instruments）提供的 12 位 PCI总线结构 DAQ数据采集卡、合闸角控制器、反并联可控硅开关及其控制器、计算机、霍尔电流传感器、68 芯屏蔽电缆和接线端子组成。软件在图形化开发环境LabVIEW 下开发完成。系统通过软件操作，可以任意调节合闸角的大小，满足短路实验的需要。图 1 是将这套控制系统应用于短路试验的原理图。首先设定所需的合闸角；然后测取信号，输入到计算机中；由计算机处理所获得的数据，根据处理结果，发出控制电平，来触发合闸角控制器。合闸角控制器收到控制电平后，输出一个方波电平信号给反并联可控硅开关控制器。这个信号的上升沿和当线路电流的相角等于预先设定的合闸角的时刻相对应；同时在这个时刻，反并联可控硅开关控制器被触发，输出高频触发脉冲给反并联可控硅门极，以便可控硅导通，实现短路。这样就使得线路在设定的合闸角下发生短路，通过改变预先设定的角度的大小，就可以改变短路时线路电流合闸角的大小，从而实现控制合闸角的目的。图 1 合闸角控制系统应用于短路试验的试验原理图 合闸角控制的精度与系统的各硬件组成部分密切相关。NI 公司的 E 系列ADC 板卡1有 16 个单端(Single-ended)或 8 个差分(Differential)精度达到 12 位的模拟输入通道和 2 个精度同样为 12 位的模拟输出通道。利用这种数据采集卡，无论是测取还是输出信号，都可以满足精确控制合闸角的要求。合闸角控制器和反并联可控硅开关控制器主要包括一些集成电路，这些集成电路具有响应快，抗干扰能力强，可靠性好等优点，能够为实现高精度提供可靠的保证。霍尔电流传感器的精度达到额定电流的 1，线性度优于 0.1，响应时间在微秒量级。在系统中反并联可控硅代替传统的断路器，作为短路开关来实现短路。断路器动作的时间误差可达毫秒量级，这对于工频电流信号而言，意味着合闸角的误差可能达到几十度。而反并联可控硅动作的误差只有微秒量级，合闸角的误差缩小 1000 倍，可以大大提高合闸角控制的精度。合闸角控制系统软件的开发平台 LabVIEW 与一般的开发工具不同，它将 G语言和图形化的开发环境融合在一起2，用图形代替语句编制程序，能够有效地提高编程效率。基于 LabVIEW 编制的虚拟仪器程序（VI）主要由程序前面板（Front Panel）和框图程序（Block Diagram）两个部分组成3。在前面板上，可以设定或者改变合闸角的大小，也可以对数据采集过程进行相关的配置。框图程序包含一系列由图标表示的功能模块，这些模块相当于子程序，主程序通过调用、组合子程序来构造实际应用程序。这套软件包括的子程序有：AO Config.VI（设置 DAQ 卡的编号和模拟输出通道号）和 AO Single Update.VI（根据指定的数据，输出模拟信号）。1.2 合闸角控制器和反并联可控硅开关控制器 如图 2 所示，合闸角控制器的组成包括加法器，有源低通滤波器，电压比较器，放大器，光电隔离器，微分电路和正边沿触发器。反并联可控硅开关控制器包括光电隔离器，双与非门，振荡器，整形单元，555 定时器单元和变压器单元。图 2 合闸角控制器和反并联可控硅开关控制器的内部框图 线路中 A 相正弦电流信号经过霍尔电流传感器转化为与之同相位的电压信号U(t)，输入到合闸角控制器中，经加法器和有源低通滤波器，输出同相位信号 u1。计算机通过分析 u1，并结合预先设定的合闸角的大小，确定 C0out 的值，使得电压比较器的脉冲输出信号 u2 的下降沿和当信号 u1 的相角等于的时刻相对应。信号 u2 经放大器，光电隔离器和微分电路后，转变为一系列很窄的脉冲信号 u4，其正脉冲上升沿对应于 u2 的下降沿。而正边沿触发器的方波输出信号 u5 的上升沿对应于 u4 的一个正脉冲上升沿，所以也正好对应于 u2 的下降沿，因而也对应于 A 相电流的相角等于的时刻。信号 u5 作为反并联可控硅开关控制器的输入，用来控制其动作。u5 由低电平翻转为高电平，光电隔离器的输出转变为低电平，振荡器输出高频负向脉冲信号，经整形单元整形，输入到 555 定时器单元中，获得高频正向脉冲信号，进而通过变压器单元输出高频电压信号 u6，其第一个脉冲上升沿与 u5 的上升沿相对应，这个信号作为反并联可控硅的门级触发信号，使得反并联可控硅在 A 相电流相角为时导通，形成短路。2.系统试验结果例证 系统试验结果例证 利用这套系统，进行了控制合闸角的试验4。图 3 显示了当设定合闸角为10o时，线路电流在短路过程中的变化曲线。通过分析试验数据，可知此时合闸角的误差5o，完全满足短路试验的需要。图 3 合闸角10o，线路电流变化曲线 3.结束语 结束语 为了精确控制电力系统短路试验中线路电流合闸角的大小，研制了一套合闸角控制系统，并进行了试验，取得了满意的结果。通过这套系统可以精确控制短路时合闸角的大小，满足电力系统短路试验的要求，为电力系统提供安全保障。参考文献参考文献 1、National Instruments Corp.PCI E Series User ManualM,1997 2、National Instruments Corp.G Programming ManualM,1998 3、National Instruments Corp.LabVIEWTM User ManualM,1998 4、张家澄,肖立业,温华明,高智远,林良真,电力系统短路试验用实时数据采集和控制系统的研制J,测控技术,2002.21(3)作者简介：作者简介：张家澄（1976-），男，江苏南通人，于 2002 年取得硕士学位。(100080 中国科学院电工研究所中国科学院电工研究所)张家澄张家澄,方光荣方光荣,韦统振韦统振
