10kV环网柜二次控制回路数字化控制器的设计

10kV环网柜二次控制回路数字化控制器的设计
白钰;杨涌涛;魏米兰;曾翔君
【摘要】传统10 kV环网柜的二次控制回路由接触器、继电器等模拟电路组合而成,因银川地区风沙、凝露、灰尘等因素使得传统10 kV环网柜二次控制回路故障率高、维修频繁,导致配电自动化“三遥”指标低.为解决环境因素造成的“三遥”指标低的问题,提出了利用数字信号处理器(DSP)替代传统模拟控制回路中的大部分逻辑电路,利用无触点功率半导体电力开关替代接触器功能的数字化控制器方案.从数字化控制器外接线设计及技术原理,控制器硬件电路设计以及软件设计三个方面对方案进行详细介绍.通过研制样机和现场运行验证了方案的正确性与可行性,彻底解决了10 kV环网柜二次控制回路故障率高的问题,有效提升配电自动化“三遥”指标.
【期刊名称】《宁夏电力》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】9页(P26-34)
【关键词】环网柜;DSP;无触点功率半导体电力开关
【作者】白钰;杨涌涛;魏米兰;曾翔君
【作者单位】国网宁夏电力有限公司银川供电公司,宁夏银川750011;国网宁夏电力有限公司银川供电公司,宁夏银川750011;西安交通大学电气学院,陕西西安710049;西安交通大学电气学院,陕西西安710049
【正文语种】中文
【中图分类】TM762.22
1 开关环网柜的研究简介
环网指环形配电网，即供电干线形成一个闭合环路，供电电源向环形干线供电，从干线上再一路通过高压开关向外配电。

当环路上任意一节点故障，配电支路断开一处，联网的设备依然可以通过其他支路工作，从而提高供电的可靠性［1-5］。

当供电线路发生故障时，配电网将依靠环网柜隔离故障线路并对配电网络进行重构，这就需要检测配电线路在故障前、故障中和故障后的电流和电压情况，通过设置在本地或远方的自动装置进行逻辑判断并对相应的环网柜开关进行分、合操作，进而隔离故障段，恢复用户线路的供电，因此，环网柜除了一次设备，还包括二次控制回路。

二次控制回路的可靠性也直接影响到整个环网柜的可靠性。

工业界开关环网柜的二次控制主要采用继电器的模拟控制方式［6-8］，典型环网柜二次逻辑控制器电路原理如图1所示。

由图1可看出开关环网二次逻辑控制器采用传统继电保护电路，电路用到7个继电器以及近30个开关节点，所以系统容易受到凝露、风沙、灰尘等因素的影响［9］，造成二次回路继电器和接触器寿命短、故障频发、误动作等问题，这些问题可能导致突发断电甚至火灾事故，从而导致巨大的经济损失。

另外，24 V电机正反向控制也采用继电器控制，存在电机直流切断、燃弧等问题。

如果采用数字技术（例如DSP）或可编程逻辑器件代替逻辑控制器逻辑电路，研发一款新型的10 kV环网柜二次控制回路数字化装置，用数字逻辑电路和无触点功率半导体开关来替代现有模拟化继电器控制回路，则从根本上解决了触点开断寿命及维修频繁等问题。

图1 典型环网柜二次逻辑控制器电路原理
目前，对于开关环网柜的研究，有关文献提出相应的解决方法［10-19］，但都是通过改变二次配电开关设备中绝缘介质解决机械开关燃弧等问题，在实现开关环网
柜智能化的二次控制策略领域还没有实质性研究，因此，本文提出的10 kV环网柜二次控制回路数字化设计在环网柜研究领域具有一定的创新性。

2 数字化控制器外接线及技术原理
环网柜传统的二次控制回路的主要功能是根据故障前后电压和电流信息或者根据远方SCADA系统来对负荷开关进行切断或闭合操作，其中大多数的保护功能均为逻辑判断，而本次实验采用的现代DSP等微处理器及大规模可编程逻辑器件，采用DSP简单地“与”、“或”、“非”程序指令可以替代大部分的逻辑控制器逻辑电路，而利用电力半导体开关MOSFET也可以替代接触器的功能，最终实现功能主要有：（1）根据远方和本地命令，通过脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）技术来控制隔离开关或断路器的驱动电机；（2）由于电子开关替换传统继电器，增加了对驱动电机的软起动、短路保护功能以及驱动电流测量和在线故障指示功能；（3）根据开关位置信号对控制实施硬件闭锁；（4）加入了基于近距离无线Bluetooth（蓝牙）收发器，可实现对控制器与远方控制器的遥信功能。

DSP控制器的参考电气接线如图2所示。

从图2可以看出，由于需要保持与传统二次控制器操作的兼容性，系统输入电路中手动开关SA以及本地合闸SLB1、本地分闸SLB2按钮以及远程控制SRB1、SRB2仍采用机械开关，而系统输出电路采用MOSFET以及达林顿结构构成输出无触点电路。

传统二次控制器中电机控制及蜂鸣器控制等方式均采用模拟继电器控制，且系统为直流系统，感性负载情况下机械开关动作过程易产生击穿及燃弧现象，且开关频率受限，而系统主功率部分采用电力半导体器件MOSFET替代机械开关构成无触点电路，除了能实现高频开关以外，还能实现基于PWM技术的电机软启动。

图3列出了机械开关关断燃弧过程、MOSFET的开通和关断过程以及PWM驱动电机软启动过程。

图3中，机械开关分闸后t s时间内出现燃弧现象，随着触头间隙的拉开，能量随
之释放，t s后，燃弧熄灭并造成过电压和电压振荡，可能会造成触头烧毁及反复
燃弧等现象。

而本次设计采用电力半导体开关MOSFET代替机械开关，其开通与
关断电压电流关系如图4所示，t1-t2时间段为电压电流重叠区，虽然会带来一定的损耗，但是由于有续流二极管释放能量，因此不会产生燃弧现象，产生的较小过电压为寄生电感引起的，可通过吸收电路抑制。

利用电力半导体器件同时可实现软开关动作，伏安特性如图5所示，电机启动时，电枢电压是通过斩波形成的PWM 波脉冲，其平均值缓慢上升，从而有效降低了冲击电流的影响。

图2 DSP控制器的参考电气接线
图3 机械开关电弧熄灭过程
图4 MOSFET开通和关断
图5 软开关零电流开通和关断
3 DSP控制器的硬件电路设计
开关环网柜的二次DSP控制器的硬件电路主要包括单相H桥电机驱动电路、MOSFET的隔离驱动电路、开关量I/O隔离电路、电流检测和保护电路以及电源
电路等。

系统控制如图6所示。

3.1 H桥电机驱动主电路设计
系统H桥电机驱动主电路是由S1-S4 4个MOSFET（包含4个寄生反并联二极管）组合。

当S1与S4同时导通时，电流从左至右流过电机，电
图6 开关环网柜的二次DSP控制系统
机正转；当S2与S3同时导通时，电流从右至左流过电机，电机反转。

由于开关
环网中电机是额定电压为24 V的直流电机，电机额定电流小于3 A，为了保证系
统的正常工作，为所有的开关器件预留出1倍的裕量，设计选择耐压100 V，通
态电流8.3 A的MOSFET，其25℃时的沟道电阻R DS（ON）=18 mΩ，反并联二极管压降0.7 V，结壳热阻值R th（ch-A）=50 ℃/W。

这样，在额定电流下
MOSFET的通态损耗Pon可计算如下：
在电机驱动过程中，除了软启动阶段，其它时候MOSFET是常通的，因此MOSFET的通态损耗是主要的。

二极管损耗以及MOSFET的开关损耗在本设计中均被忽略。

这样，其通态温升可计算如下：
考虑40℃的环境温度，MOSFET的工作温度远低于其极限结温125℃，系统可通过PCB焊盘来实现自冷，不需额外散热器以及强制散热措施。

3.2 MOSFET的隔离驱动电路设计
常用H桥的MOSFET器件的驱动电路有两种不同的方案，一种是图7给出的典型电荷泵原理的半桥驱动器；另外一种是图8给出的基于隔离DC-DC和光耦的驱动器。

电荷泵半桥驱动器采用单组电源供电，内部包括高侧（驱动S1）和低侧（驱动S2）两个驱动器。

高侧驱动器的电源由芯片的供电电源通过一个电荷泵自举电路（图中的二极管D，电容C1以及低侧开关S2构成）来实现自举供电。

其原理是：当S2导通时，+15 V电源通过二极管D给C1充电；当S2关断时，C1的储能为高侧驱动器供电。

另外，输入控制信号通过内部的内部电平移位电路（Level-shifter）进行偏移后作为高侧驱动器的输入。

这种驱动器的优点是只需要单电源供电，且体积小、容易集成；缺点是要求功率开关S2不能长时间处于关断状态，否则会导致自举电容无法充电而导致高侧驱动器欠压，无法驱动功率开关。

在本项目中，H桥只在接收到开闭合命令后才被驱动来控制电机；而且电机在软启动结束后，MOSFET会一直保持导通，直到断路器开闭合到位后被关断。

这种工作模式使得电荷泵驱动电路并不适合项目采用，因此本次设计采用第二种基于隔离DC-DC和光耦的驱动器。

在本设计中，H桥的4个开关需要3组相互隔离的
DC/DC电源来供电（即图中5 V/12 V的DC-DC电源），它们分别为S1-S4的
4个驱动器供电；来自DSP的4路PWM控制信号则通过光耦隔离后作为驱动器
的输入。

这种驱动方案虽然不如电荷泵原理的半桥驱动器体积小，但它对开关的导通时间没有要求，同时由于实现了电源隔离以及控制信号的隔离，因此电路更可靠。

图7 电荷泵电路原理
图8 隔离驱动电路原理
3.3 控制电路设计
本次设计采用TMS320F2812作为核心DSP处理器。

该处理器集成多种电机控制外设，具备丰富I/O资源，易开发，内部资源丰富且价格与单片机相近，从而被
现代工业广泛应用。

其最小系统原理如图9所示，包括电源、时钟、上电复位电路、JTAG仿真和上电引导选择电路几个部分。

如图9所示，电源管理芯片（电路A）提供了DSP的3.3 V和1.8 V供电电源，
同时还提供F2812的上电复位信号。

上电复位主要完成处理器内部所有重要状态
机初始状态的配置。

一个30 MHz的有源晶振（电路B）被连接到F2812时钟端
提供外部时钟，与内部锁相环电路共同推动处理器运行。

JTAG接口（电路C）连接仿真器用来实现用户程序下载与调试功能，还能被用于片内Flash进行编程。

上电引导选择电路（电路D）主要作用是用于DSP在调试时或正常运行中在每次上
电时选择合适的程序加载模式。

3.4 过流保护电路设计
过流保护电路是当设备流过电流超过额定电流值时，设备通过自动断电来保护设备的电路。

直流电机控制系统中常通过电流检测防止电机堵转，进而达到保护电路的目的。

控制器的电流检测电路原理如图10所示。

图中，控制器通过功率电阻R sense检测电流，其两端电压先经隔离放大器U2进行差分放大，再由运放U1转换成单端电压，输出单端电压值V out，经比较器与电机额定值进行比较：若超过则控制器
会迅速关闭电机驱动开关进行保护，控制器会维持过流保护状态3 s的时间，在此期间不响应任何外部控制指令；之后控制器会退出保护状态，重新接收外部控制指令。

图9 DSP控制系统最小系统原理
图10 系统电流采样电路原理
3.5 隔离开关I/O电路设计
控制器所有的输入，开关量输入，其输出除了电机的控制之外，其它输出量也为开关量输出，它们与DSP之间通过隔离开关量I/O电路来设计。

图11 系统输入电路原理
图12 系统输出电路原理
系统输入的内部电路如图11所示（仅给出1路作为例子）。

当开关SB1闭合后，24 V电压通过限流4.7 kΩ限流电阻使光耦发光，光耦副边因此输出低电平给DSP的GPIO引脚。

该输入电路可以承受至少100 V的过电压，同时二极管进行
反向电压保护。

图12系统输出电路中，24 V供电的集电极开路输出的达林顿驱动器，它的集电
极连接被驱动的灯或继电器。

当DSP发出高电平时，光耦发光，把24 V传输给
达林顿驱动器，使驱动器饱和导通。

驱动器有1个钳位保护二极管，当集电极电
压超过24 V会钳位保护。

4 软件设计
开关环网柜的二次DSP控制系统的软件结构包括系统控制主程序、事件管理器的
定时中断服务程序和过流保护中断服务程序三个部分。

图13 主程序流程
图13为主程序流程，主要功能是对当前合分闸状态以及输入命令进行判断，在满足合分闸条件的情况下检测到合分闸命令，则发出操作命令传递给事件管理器中断
服务程序。

若未检测到命令或合分闸状态不满足，则清除命令。

事件管理器的定时中断服务程序流程如图14所示。

DSP事件管理器定时中断是一个200μs的定时中断，在该中断服务程序内将根据命令启动电机执行分合闸操作。

同时，该程序也实现电机的软启动。

DSP的事件管理器内置PWM发生电路，其
主要原理是利用数字比较器把定时器的定时值与一个比较寄存器的值进行比较，当比较匹配时对应引脚会产生PWM输出，通过修改比较值可以修改PWM信号的
占空比。

事件管理器中断服务程序在接收到分合闸命令时，会软启动电机，即通过增加步进量值将占空比值从0%增加至100%，然后维持在100%，直到分合闸到位，命令被清除，停止电机运行。

图14 定时中断服务程序流程
图15给出了过流保护中断服务程序的流程。

该中断为外部中断，当过流保护电路产生有效中断请求信号会触发该中断服务程序的运行。

在该程序首先会停止电机运行、清除操作命令，然后装载保护延时计数常数，使控制器进入持续时间为3 s的保护状态。

保护延时计数常数在事件管理器定时中断内进行减计数，直到减为零使控制器退出保护状态。

图15 过流保护中断服务程序流程
5 样机研制和实验结果
最终研制出的样机照片如图16所示，样机具有蓝牙接口、电源指示灯、报警指示灯，采用防水航空插头作为输入和输出连接器，并采用铸铝防水外壳（101
mm×104 mm×58 mm），外壳本身实现IP65防护等级，但是如果对内部电路
灌封，则会达到IP67。

除此之外，装置未使用安装螺丝的安装方式，而是采用4
个高强度永磁铁将机器吸附在开关柜上的安装方式，这样不需要破坏环网柜的密封结构。

图16 10 kV环网柜二次控制回路数字化控制器样机
该控制器通过在海宝变抢修中心2号环网柜902间隔实验得以论证，在本地和远
方控制情况下，当合闸按钮按下后控制器H桥启动驱动电机将开关合闸；当分闸
按钮按下后，控制器H桥启动驱动电机将开关分闸；同时该控制器采用防水密封
设计，能够有效避免凝露、风沙和灰尘对其可靠性的影响。

通过约一年测试未发现控制器误动情况，能够有效提升配电自动化“三遥”指标。

6 结论
本文提出的开关环网柜二次控制器采用数字化控制原理，替代目前广泛应用的模拟控制回路，该方案为国内首次提出，并已申请专利投入使用。

主要解决西北风沙、凝露等因素导致环网柜故障率高、维修频繁造成环网柜供电可靠性低的问题。

该方案主要的技术优势在于通过采用DSP处理器以及功率半导体器件研制了数字化控制器，有效地解决了风沙和凝露对控制器造成的影响，本文设计的控制器能够达到IP67防水等级，能够在存在水压的环境内工作，提高了控制器的可靠性，提升配
电自动化“三遥”指标。

经过实验测试，本文提出的10 kV环网柜二次控制回路数字化控制器的硬件电路
设计以及软件设计是正确的，装置功能和性能均达到了预期的设计目标。

该装置目前已经投入了现场应用。

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