CN102315045B - 自学习控制合闸相位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选相合闸装置采自学习控制合闸相位的方法，适用于交流站及直流换流站中电力设备的选相合闸控制，其特征是：最佳目标投入相位基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合并与动作记录比对修正的自学习；具备强大的开关特性自学习能力，可根据现场操作来积累开关特性并实时修正。在应用中实现智能修正，避免了仅人为因素或经验值确定最佳目标相位的局限性。

Description

自学习控制合闸相位的方法

技术领域

本发明涉及一种选相合闸装置控制合闸相位的方法，适用于交流站及直流换流站中的电力设备的选相分合控制。

背景技术

选相分合闸技术(Controlled Swithing，简称CS)作为减小断路器动作瞬变电压、涌流最直接有效的解决途径，具有直观的控制效果和明显的经济效益。

国外对相控技术的研究虽起步较早，但其最大的弊端是一类装置只能配合特定型号的开关、适应性差，更无法满足国内各开关厂家对选相分合闸产品的需求。原因为国外开关有充分优越的条件对断路器做足量次试验取得可信数据，再为此类开关配备相控装置和配套参数定值。而国内状况迥异，一二次分立的现状决定了二次厂家开发的选相装置需要和不同的开关厂家配合，且国内通常没有条件专为相控功能做大量特性试验。故充分利用现场操作来积累开关特性为适应各类开关提供了有效的解决方案，具备自学习能力的选相分合闸产品在国内市场的应用终将成为一个趋势。

目前，此领域同类产品如ABB(CAT系列、Switchsync系列)、Siemens(PSD系列)、Areva(RPH2)、深圳智能(SID-3YL)等。其产品存在以下缺点：1.最优控制目标相位仅由人为因素或经验值决定，不够智能化。2.仅针对某类型号的开关，适应性差，不具备自学习、自修正能力。

本发明的相关背景技术介绍：

在具体实施过程中，必须考虑断路器合闸瞬间的预击穿现象。在断路器的关合过程中，伴随着断口间距离的减少，断口绝缘强度下降，当绝缘强度低于施加在断口上的***电压值时发生预击穿，回路被电气合闸，因此断路器合闸相位还取决于断口间绝缘强度下降率(RDDS：Rate of Decrease of dielectric Strength)。预击穿电压与时间的关系简化为一条直线，斜率的绝对值即为绝缘强度下降率RDDS，即：K_p＝Ev。其中：K_p是绝缘强度下降率RDDS；E为触头间隙平均击穿场强，V为合闸速度。大量试验证实RDDS呈现正态分布，且K_p为一个几乎不受外施电压极性影响的定值。关合系数其中，ω＝2πf为电网角频率，其中f为电网工作频率；U_m为外施电压峰值。一次设备厂家可通过加载试验电压对断路器进行合闸试验，记录每次的预击穿时间和击穿电压值，数据拟合得到击穿电压U-时间t曲线，即RDDS曲线。

由大量试验已知RDDS呈现正态分布(参考文献：Naik B R，Asche R G，Billings S，et al.Field Verification of Controlled Switching GCB[A].Power Engineering SoeietySummer Meeting[C]，IEEE，2002(1)：21-25.)，其标准偏差约为9.0％，K_p为一个几乎不受外施电压极性影响的定值，由一次开关厂家提供。机械分散性(3σ)为断路器的技术指标之一，由一次升关厂家提供。

发明内容

本发明的目的是：避免了单纯人为因素决定最佳关合相位的局限性，提供一种选相合闸装置采自学习控制合闸相位的方法，最佳目标投入相位由基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合并与动作记录比对修正的自学习结果确定。

本发明采用的技术方案是：选相合闸装置采自适应控制合闸相位的方法，其特征是：基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合得到最佳投合相位理论值，并与动作记录得出的工程值智能比对修正进行自学习，以确定最佳目标投入相位。

其中，所述自学习方法如下：

(1)选相合闸装置接收到合闸命令后立刻检测采样电压，第一个采样电压过零点即为基准过零点，基准过零点到选相合闸装置发合闸命令之间的等待时间满足式1：

T_delay＝T+T_pres-T_close                        式1

其中：

T_delay是基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量；

T_close为断路器的机械合闸时间均值，由一次厂家提供；

T的大小为超过T_close-T_pres，并且是1/2工频周期的最小整数倍，该值根据断路器合闸时间整定；

T_pres是一个初始预击穿延时定值，根据经验进行设定；

(2)基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合得到最佳投合相位理论值；对选相合闸装置进行N次合闸操作，记录N次合闸参数，得到目标关合相位值；将这两个值进行比对，不断修正基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量T_delay，最终得到满足精度要求的T_delay。

其中，电力***的工作频率为f，选相合闸装置每周波采样点数为SamplePoint，所述修正方法如下：

(1)设置变量cs_close_cnt，基准过零点处令cs_close_cnt＝0，每经一次中断则cs_close_cnt递增1计数，当选相合闸装置采样电流值大于流阈值时cs_close_cnt计数终止，得到电气合闸瞬时的cs_close_cnt变量值；选相合闸装置每周波采样点数为SamplePoint，计算cs_close_cnt与SamplePoint/4的比值即cs_close_cnt/(SamplePoint/4)并取整，取整后加1的值为m，

(2)若m为偶数，则本次合闸于最临近过零点前并计算与该过零点的距离TimeDistance，此时TimeDistance为负值；当m为奇数，则合闸于最临近过零点后并计算与该过零点的距离TimeDistance，此时TimeDistance为正值；

(3)重复(1)～(2)，经过N次合闸操作后，记录N次的TimeDistance值，按照代数值从小到大排序，前N/2个值及后N/2个值分别求取平均值并分别作为上下界从而可得到实际合闸相位的一个区间[t₁，t₂]，则t₁、t₂分别为实际合闸操作中电气击穿瞬间的上下边界均值，边界均值的负号表示合闸点在过零点之前、正号表示合闸点在过零点之后；

(4)区间[t₁，t₂]的中间值为实际电气合闸的目标相位，把代入开关断口外施电压的计算公式，式2中：

式2

其中：

ω＝2πf为电网角频率，其中f为电网工作频率；

U_m为外施电压峰值。

令可得将代入如式3所示关合特性曲线：

U_p(t)＝-K_RDDSωU_mt+b                      式3

其中：

是关合系数，其中：E为触头间隙平均击穿场强，V为合闸速度，U_m为外施电压峰值，ω为电网角频率；

B为常数；

得：

$b=\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m+K_{\mathrm{RDDS}}\mathrm{\ω}{U}_m\frac{t_1+t_2}{2}$ 式4

把式4代入式3，并令U_p(t)＝0，得到实际机械目标关合相位T′_t arg et；

$T_{t\arg \mathrm{et}}^{\′}=\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m+T_{\mathrm{real}}$ 式5

(5)将T′_targ et与最佳机械合闸理论值进行比对，其中：ω为电网角频率，γ为要求的合闸瞬间击穿电压；K_RDDS是关合系数；代入|T_t arg et-T′_t arg et|≤T_require中进行计算，其中T_require为要求的合闸精度阈值，若满足则结束；否则以为步长修正步骤(1)中的等待时间变量T_delay；修正方向按照T_t arg et-T′_t arg et变量的符号决定，若T_t arg et-T′_t arg et＞0，采取正方向修正即增大等待时间变量T_delay，否则采用反方向修正。

(6)修正T_delay后返回步骤(2)顺序执行，直至满足|T_t arg et-T′_t arg et|≤T_requre，此时得到的T_delay为求得的基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量。

其中，所述的N次合闸次数为30～40次，T_require为要求的合闸精度阈值，根据实际要求适当选取。

本发明的有益效果：避免了单纯人为因素决定最佳关合相位的局限性，增强最佳关合相位的科学性和合理性；弥补了特定产品只配合特定断路器的局限性，增强产品实用性和普遍性。

附图说明

为了对本发明作进一步说明，给出附图：

图1为目标关合相位概念图；

以电压零点O为原点，外施电压为工频正弦波(暂把负半波翻转以便分析)，图中E₁B₁为关合特性曲线，其两侧的虚线D₁A₁和F₁C₁为考虑到断路器合闸时间分散性(3σ)的关合特性分界线。关合特性曲线与外施电压波形的交点D₁、B′₁、F₁为电气预击穿发生时刻，A₁、B₁、C₁为断路器动、静触头机械接触时刻。γ_m为合闸时间分散性导致的击穿电压占外施电压峰值U_m的百分比。

图2为断路器RDDS和目标关合相位关系；

横坐标分别为断路器合闸时间的机械分散性偏差3σ和关合系数K_RDDS(K_RDDS为绝缘强度下降率K_p与电压零点处电压波形最大斜率的比值)，纵轴为目标关合相位。

图3为合闸控制变量示意图；

装置接收到合闸命令后确定“基准过零点”(意为装置得到合闸命令启动后的第一个电压过零点)，经过T_delay的延时发出分相合闸指令至断路器机构，T_close为装置分相命令发出至断路器触头机械接触时刻之间的时间(包含断路器机构的合闸时间以及装置出口继电器动作延时等)，T的大小为超过T_close-T_pres，并且是1/2工频周期的最小整数倍，T_pres为触头机械接触时刻滞后于临近电压过零的时间。cs_close_cnt为“基准过零点”至断路器电气击穿时刻的计时变量。

图4实际最佳投合相位与理论最佳值差异示意图。

实际关合效果因合闸时间分散性影响，在临近过零点前t₁时刻或者在临近过零点后t₂时刻发生电气预击穿，两个边界时刻t₁、t₂的中间值T_real所对应的特性关合曲线与横轴的交点为T′_targ et，T′_targ et为实际操作中的机械目标关合相位。

具体实施方式

本发明的理论基础介绍：

在实际***电压下，伴随着断口间距的减小和断口绝缘强度下降，当绝缘强度低于施加在端口上的***电压时发生预击穿。最佳目标关合相位可通过实际电压关合试验在关合电压的最小点或是最大点直接求出，但实际情况难以实施多次试验。故提出一种基于断路器机械动作偏差与RDDS(Rate of Decrease of dielectric Strength：介质绝缘强度下降率)函数关系相结合，并与动作记录智能比对修正的新方法获得最佳目标关合相位。在已知断路器动作偏差和RDDS时，可以根据函数曲线计算出理论的最佳目标合闸相位：

假设开关断口外施电压：

式1

其中ω＝2πf为电网角频率，其中f为电网工作频率。U_m为外施电压峰值。

则在电压零点处电压波形的最大斜率为：

$K_m=\frac{\mathrm{du}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}=\mathrm{\ω}{U}_m$ 式2

假设预击穿后触头位移为S(t)，触头间隙平均击穿场强E看作常数，则击穿电压U_p(t)＝E*S(t)，从击穿瞬间到触头闭合，合闸速度v变化不大近似为常数，则击穿电压对时间的导数为：由此，预击穿电压与时间的关系简化为一条直线，斜率的绝对值即为绝缘强度下降率RDDS，即：

K_p＝Ev                        式3

其中：K_p是绝缘强度下降率RDDS；E为触头间隙平均击穿场强，V为合闸速度。

由式1和式2可知，定义K_RDDS即为关合系数。当K_RDDS＝1时表示关合特性恰好与外施电压零点切线平行，现阶段开关通常都满足K_RDDS≥1，由图1可知此类断路器可在电压过零点实现关合。

如图1，为使得D₁、F₁处电压相等而设B₁点为目标合闸时刻，如此可在一定的合闸时间偏移范围内使得击穿电压尽量小。断路器在D₁、F₁发生预击穿(动静触头在A₁、C₁机械闭合)，此时的最大预击穿电压为：U_p max＝U_mSin(3ωσ)。设所要求的预击穿电压最大值为γU_m(0＜γ＜1)，则须满足γU_m≤U_mSin(3ωσ)，即所要求预击穿电压下断路器机械分散特性应满足：

$\mathrm{\σ}\≤\frac{\arcsin \mathrm{\γ}}{3\mathrm{\ω}}$ 式4

其中：

σ为合闸时间离散性的标准偏差，γ为要求的合闸瞬间击穿电压占U_m的百分比。

可见随着断路器机械分散性的增加，最大预击穿电压也随之增加，一则可通过断路器的机械离散性判断能否在要求的预击穿电压范围内满足同步合闸要求，二则可根据已知的σ值得到特定σ值情况下合闸瞬间最大击穿电压占U_m的百分比γ_m：

γ_m＝Sin(3ωσ)                            式5

由关合特性U_p(t)＝-K_pt+γ_mU_m＝-K_RDDSωU_mt+γ_mU_m对应图1直线E₁B₁，令U_p(t)＝0，可得机械最佳目标关合相位理论值为：

$T_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{\mathrm{Sin}\left(3\mathrm{\ω\σ}\right)}{\mathrm{\ω}{K}_{\mathrm{RDDS}}}$ 式6

其中：

ω为电网角频率。

K_RDDS是RDDS与电压过零点处波形最大斜率比值，即

U_m为外施电压峰值，

如图2所示，将关合电压最小化作为目标时，由动作偏差和目标关合相位的关系图知，目标关合相位随着RDDS关合特性中关合系数的增大和动作偏差的减小更加接近电压零点。如式6，本发明可以根据断路器机械分散性参数3σ和关合系数K_RDDS，得出机械最佳目标关合相位，从理论上保证受控合闸目标的精确性。

需说明的是，实际应用中预击穿现象不可避免，为限制机构特定合闸时间离散性造成的瞬间击穿电压，故机械最佳合闸时刻会比电压过零点滞后。如图1，E₁B₁与电压波形交点处恰发生预击穿，完成电气关合，即电气关合相位要比机械关合相位略早一些。

电力***的工作频率为f，装置每周波采样点数为SamplePoint，则采样点数N和采样点数的时间间隔T之间折算关系为：下文时间变量符号均为时间折算后的采样点数。

一、基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合并与动作记录比对修正获取最佳目标关合相位的自学习实现：

(1)合闸控制流程如图3所示，当选相合闸装置接收到合闸命令后检测采样电压，第一个电压过零点被定义为到基准过零点，  基准过零点到装置发合闸命令之间的等待时间满足式7：

T_delay＝T+T_pres-T_close    式7

其中：

T_delay是基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量。

T_close为断路器的机械合闸时间均值，由一次厂家提供。

T的大小为超过T_close-T_pres，并且是1/2工频周期的最小整数倍，该值根据断路器合闸时间整定。

T_pres是一个初始预击穿延时定值，根据经验进行设定。

(2)设置变量cs_close_cnt，基准过零点处令cs_close_cnt＝0，每经一次中断则cs_close_cnt递增1计数，当选相合闸装置采样电流值大于有流阈值(有流阈值按照可靠躲过零飘值且尽量小的原则整定)时cs_close_cnt计数终止，得到电气合闸瞬时的cs_close_cnt变量值，计算cs_close_cnt与SamplePoint/4的比值(即cs_close_cnt/(SamplePoint/4))并取整，取整后加1的值定义为m值。

(3)若m为偶数，判定本次合闸于最临近过零点前并计算与该过零点的距离(此处“距离”指按照采样间隔数计算的结果)，该“距离”定义为TimeDistance，此时TimeDistance为负值；当m为奇数，判定合闸于最临近过零点后并计算与该过零点的距离TimeDistance，此时TimeDistance为正值。

(4)重复步骤(2)～(3)，经过最新30次合闸操作后，记录30次的TimeDistance值，将其存入一个描述合闸精度的数组，按照代数值从小到大排序，前15个值及后15个值分别求取平均值并分别作为上下界从而可得到实际合闸相位的一个“区间”[t₁，t₂]，则t₁、t₂(带正负号的数值)分别为实际合闸操作中电气击穿瞬间的上下边界均值，负号表示合闸点在过零点之前，正号表示合闸点在过零点之后。

(5)此“区间”的中间值描述了实际电气合闸的目标相位，如图4所示，把代入式1中，令可得将代入如式8所示关合特性曲线：

U_p(t)＝-K_RDDSωU_mt+b    式8

得：

$b=\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m+K_{\mathrm{RDDS}}\mathrm{\ω}{U}_m\frac{t_1+t_2}{2}$ 式9

把式9代入式8，并令U_p(t)＝0，得到实际机械目标关合相位T′_t arg et：

$T_{t\arg \mathrm{et}}^{\′}=\frac{\left|\mathrm{Sin\ω}{t}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m+T_{\mathrm{real}}$ 式10

(6)将T′_t arg et与最佳机械合闸理论值进行比对，其中：ω为电网角频率，γ为要求的合闸瞬间击穿电压；K_RDDS是关合系数；代入|T_t arg et-T′_t arg et|≤T_require中进行计算，其中T_require为要求的合闸精度阈值，若满足则结束；否则以为步长修正等待时间变量T_delay(T_delay为电压过零点至分相合闸命令发出时刻的等待时间变量)。修正方向按照T_t arg et-T′_t arg et变量的符号决定，若T′_t arg et-T′_t arg et＞0，采取正方向修正(即增大等待时间变量T_delay)，否则采用反方向修正。

(7)修正T_delay后返回(2)顺序执行，直至|T_t arg et-T′_t arg et|≤T_requre，此时得到的T_delay，T_delay为求得的基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量。

如此，实现了理想最优合闸目标与实际值的比对和修正，以期望实现在最优目标合闸相位实现电气关合。

Claims (2)

1.一种自学习控制合闸相位的方法，其特征是：基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合得到最佳投合相位理论值，并与动作记录得出的工程值智能比对修正进行自学习，以确定最佳目标投入相位；具体方法如下：

步骤1，选相合闸装置接收到合闸命令后立刻检测采样电压，第一个采样电压过零点即为基准过零点，基准过零点到选相合闸装置发合闸命令之间的等待时间满足式1：

T_delay＝T+T_pres-T_close    (式1)

其中：

T_delay是基准过零点到选相合闸装置发出合闸命令之间的等待时间变量；

T_close为断路器的机械合闸时间均值，由一次厂家提供；

T的大小为超过T_close-T_pres，并且是1/2工频周期的最小整数倍，T的值根据断路器合闸时间整定；

T_pres是一个初始预击穿延时定值，根据经验进行设定；

步骤2，基于断路器机械动作偏差与RDDS函数结合得到最佳投合相位理论值；对选相合闸装置进行N次合闸操作，记录N次合闸参数，得到目标关合相位值；将这两个值进行比对，不断修正基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量T_delay，最终得到满足精度要求的T_delay；

设电力***的工作频率为f，装置每周波采样点数为SamplePoint，步骤2所述修正的方法如下：

(1)设置变量cs_close_cnt，基准过零点处令cs_close_cnt＝0，每经一次中断则cs_close_cnt递增1计数，当选相合闸装置采样电流值大于流阈值时cs_close_cnt计数终止，得到电气合闸瞬时的cs_close_cnt变量值；选相合闸装置每周波采样点数为SamplePoint，计算cs_close_cnt与SamplePoint/4的比值即cs_close_cnt/(SamplePoint/4)并取整，取整后加1的值为m；

(2)若m为偶数，则本次合闸于最临近过零点前并计算与该过零点的距离TimeDistance， $\mathrm{TimeDis}\tan \mathrm{ce}=\mathrm{cn}\_\mathrm{close}\_\mathrm{cnt}-m\×\frac{\mathrm{SamplePoint}}{4},$ 此时TimeDistance为负值；当m为奇数，则合闸于最临近过零点后并计算与该过零点的距离TimeDistance， $\mathrm{TimeDis}\tan \mathrm{ce}=\mathrm{cn}\_\mathrm{close}\_\mathrm{cnt}-(m-1)\×\frac{\mathrm{SamplePoint}}{4}$ 此时TimeDistance为正值；

(3)重复(1)～(2)，经过N次合闸操作后，记录N次的TimeDistance值，按照代数值从小到大排序，前N/2个值及后N/2个值分别求取平均值并分别作为上下界从而可得到实际合闸相位的一个区间[t₁，t₂]，则t₁、t₂分别为实际合闸操作中电气击穿瞬间的上下边界均值，边界均值的负号表示合闸点在过零点之前、正号表示合闸点在过零点之后；

(4)区间[t₁，t₂]的中间值为实际电气合闸的目标相位，把代入开关断口外施电压的计算公式，式2中：

    (式2)

其中：

ω＝2πf为电网角频率，其中f为电网工作频率；

U_m为外施电压峰值；

令可得 $U=\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m,$ 将 $(T_{\mathrm{real}},\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m)$ 代入如式3所示关合特性曲线：

U_p(t)＝-K_RDDSωU_mt+b    (式3)

其中：

是关合系数，其中：E为触头间隙平均击穿场强，V为合闸速度，U_m为外施电压峰值，ω为电网角频率；

B为常数；

得：

$b=\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m+K_{\mathrm{RDDS}}\mathrm{\ω}{U}_m\frac{t_1+t_2}{2}$     (式4)

把式4代入式3，并令U_p(t)＝0，得到实际机械目标关合相位T′_target：

$T_{t\arg \mathrm{et}}^{\′}=\frac{\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_1\right|+\left|{\mathrm{Sin\ωt}}_2\right|}{2}{U}_m+T_{\mathrm{real}}$      (式5)

(5)将T′_target与最佳机械合闸理论值进行比对，其中：ω为电网角频率，γ为要求的合闸瞬间击穿电压；K_RDDS是关合系数；代入|T_target-T′_target|≤T_require中进行计算，其中T_require为要求的合闸精度阈值，若满足则结束；否则以为步长修正步骤1中的等待时间变量T_delay；修正方向按照T_target-T′_target变量的符号决定，若T_target-T′_target>0，采取正方向修正即增大等待时间变量T_delay，否则采用反方向修正；

(6)修正T_delay后返回步骤2顺序执行，直至满足|T_target-T′_target|≤T_requre，此时得到的T_delay为求得的基准过零点到装置发出合闸命令之间的等待时间变量。

2.如权利要求1所述的自学习控制合闸相位的方法，其特征是：所述的N次合闸次数为30～40次，T_require为要求的合闸精度阈值，根据实际要求适当选取。