一种环保气体柜混合式无孤开关控制系统的制作方法

本发明采用环保气体绝缘的金属封闭开关设备以及新能源并网电力系统控制领域，尤其涉及一种环保气体柜混合式无孤开关控制系统。

背景技术：

1、在光伏与风电等新能源并网系统内部，金属封闭开关设备主要负责电能的汇集与隔离保护功能，普遍运行在光伏与风电大电流高海拔无人值守等极端技术应用场景下，并且为了符合行业规范，金属封闭开关设备内部通常充入环保气体作为核心绝缘介质以完成分合闸操作。光伏与风电等新能源系统具备频繁启停以及出力随机波动的物理运行特征，频繁的系统启停以及功率波动使得金属封闭开关设备的主回路持续承受大电流物理冲击，并在金属导体内部产生大量焦耳热量。处于户外高海拔环境中的金属封闭开关设备需要常态化承受极端温差骤变考验，强烈的外部温差骤变物理条件与内部的大电流冲击发热现象产生多物理场耦合效应。

2、多物理场耦合作用直接破坏密闭箱体内环保绝缘气体的自然对流热平衡状态，导致环保绝缘气体内部形成局部热量滞留区，并引起整体空间内部的物理气压分布呈现严重失衡状态。内部气压分布失衡以及局部温度异常升高造成环保绝缘气体的介电强度显著下降，介电强度的物理衰减使得一次侧主绝缘轴表面面临严重的电场畸变风险，进而导致一次侧主绝缘轴持续发生尖端放电现象以及绝缘性能劣化。与此同时，密闭箱体内外温度梯度的剧烈变化对二次侧控制终端的微环境造成破坏；骤变的环境温差导致空气内部游离水分子在二次侧控制终端的电路板表面快速析出并形成物理凝露。表面凝露现象改变控制电路的电气间隙，引起电子元器件之间发生微短路以及线路阻抗物理突变，线路阻抗物理突变直接造成一二次融合通信信号链路发生中断，最终引发底层采集数据以及上层控制信号的严重失真。现有的金属封闭开关设备缺乏应对多物理场耦合破坏的动态调节机制，无法满足新能源节点对于高可靠性安全运行的技术标准。

技术实现思路

1、针对现有技术不足，本发明提供一种环保气体柜混合式无孤开关控制系统，本发明解决了由于光伏与风电等新能源系统频繁启停及出力波动引致的大电流冲击发热，并与户外高海拔极端温差骤变因素产生多物理场耦合效应，导致环保绝缘气体内形成局部热滞留与空间气压分布失衡，进而引发一次侧主绝缘轴的尖端放电及绝缘性能劣化，同时造成二次侧控制终端因环境温差产生表面凝露，最终导致一二次融合通信信号链路中断与数据失真的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体内容如下：

3、本发明提供的一种环保气体柜混合式无孤开关控制系统，包括

4、通信连接的开关设备装置与控制装置；

5、开关设备装置包括绝缘金属封闭箱体、真空灭弧组件、三工位隔离组件、主绝缘轴、不锈钢散热管组件、二次仪表箱以及智能控制终端；

6、真空灭弧组件、三工位隔离组件以及主绝缘轴设于绝缘金属封闭箱体内部；

7、不锈钢散热管组件贯穿绝缘金属封闭箱体；

8、二次仪表箱设置于绝缘金属封闭箱体外部，二次仪表箱包含防凝露顶板以及加热组件；

9、智能控制终端物理连接温度采集节点、气压采集节点、局部放电采集节点以及电流采集节点；

10、控制装置包括：

11、参量汇聚模块，智能控制终端获取包含分布温度数值、瞬态气压数值、电流波形、局部放电量数值以及一次侧气箱传导温度的底层状态参量，能量管理系统接收包含出力波动数值以及海拔参数的电网层级参量；

12、热动推演模块，提取底层状态参量中包含的分布温度数值与瞬态气压数值，将分布温度数值与瞬态气压数值代入气压模型，得出气压分布曲线，气压分布曲线提取局部热滞留节点坐标，生成排热调度指令；

13、波形解构模块，利用底层状态参量中包含的电流波形计算斜率特征，将斜率特征与电网层级参量中包含的出力波动数值执行作差运算，生成动作容限放宽指令或换流隔离指令；

14、绝缘评估模块，利用底层状态参量中包含的局部放电量数值与电网层级参量中包含的海拔参数，执行绝缘修正运算，得出评估曲线；

15、微环境调节模块，利用底层状态参量中包含的一次侧气箱传导温度，结合预先获取的外部露点温度，执行作差运算得出凝露风险系数，当凝露风险系数大于预设安全阈值时，向二次仪表箱发送环境保护指令；

16、换流执行模块，接收换流隔离指令，将换流隔离指令转换为驱动电平，发送至真空灭弧组件，驱动真空灭弧组件切断主回路内部的短路电流。

17、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，参量汇聚模块包含模数转换单元、时间戳同步单元以及数据矩阵构建单元；

18、模数转换单元接收底层状态参量以及电网层级参量；

19、时间戳同步单元提取底层状态参量与电网层级参量的到达时间，接收全局时钟信号，利用全局时钟信号为到达时间对应的底层状态参量与电网层级参量赋予标准时间戳；

20、数据矩阵构建单元按照标准时间戳的先后顺序，将底层状态参量以及电网层级参量拼接为多维时序数据矩阵，输出多维时序数据矩阵至后续运算模块。

21、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，热动推演模块包含空间映射单元、压力梯度运算单元以及烟囱效应寻优单元；

22、空间映射单元提取多维时序数据矩阵中包含的分布温度数值，将分布温度数值映射至预设的三维空间坐标系，生成三维温度矩阵；

23、压力梯度运算单元提取多维时序数据矩阵中包含的瞬态气压数值，将三维温度矩阵与瞬态气压数值代入气压模型，执行空间微分运算得出气压分布曲线；

24、烟囱效应寻优单元气压分布曲线提取压力极值点，将压力极值点对应的空间位置标定为局部热滞留节点坐标。

25、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，烟囱效应寻优单元提取预先存储的不锈钢散热管组件的三维物理坐标，计算局部热滞留节点坐标与三维物理坐标的直线距离；

26、烟囱效应寻优单元将直线距离代入预设的对流方程算出最小压差值，将包含最小压差值的控制信号封装为排热调度指令；

27、排热调度指令发送至不锈钢散热管组件，驱动冷空气穿过不锈钢散热管组件，排出绝缘金属封闭箱体内部产生的发热量。

28、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，波形解构模块包含瞬态斜率提取单元、波形畸变识别单元以及逻辑判定单元；

29、瞬态斜率提取单元提取多维时序数据矩阵中包含的电流波形，对电流波形执行时间求导运算得出斜率特征；

30、波形畸变识别单元提取多维时序数据矩阵中包含的出力波动数值，将斜率特征以及出力波动数值拼接为源头研判数据帧，将源头研判数据帧发送至逻辑判定单元。

31、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，逻辑判定单元提取源头研判数据帧中包含的斜率特征与出力波动数值；

32、逻辑判定单元将斜率特征转换为绝对值参数，将绝对值参数与预设的安全斜率阈值进行比对；

33、当绝对值参数小于安全斜率阈值并且出力波动数值超出预设的基准波动区间时，逻辑判定单元生成动作容限放宽指令；

34、当绝对值参数大于等于安全斜率阈值时，逻辑判定单元多维时序数据矩阵中提取波形相位信息，根据波形相位信息生成故障相别参数，将故障相别参数以及预设的动作时限参数编码生成换流隔离指令。

35、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，换流执行模块包含指令解码单元、脉宽调制单元以及时序协同单元；

36、指令解码单元接收换流隔离指令，对换流隔离指令执行解码运算，提取故障相别参数与动作时限参数；

37、脉宽调制单元将动作时限参数代入脉宽控制公式得出驱动占空比，利用驱动占空比与故障相别参数生成对应故障相别参数的驱动电平；

38、时序协同单元将驱动电平发送至真空灭弧组件以及三工位隔离组件。

39、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，开关设备装置内部包含驱动回路，驱动回路接收驱动电平，将驱动电平传输至故障相别参数对应的真空灭弧组件以及三工位隔离组件；

40、真空灭弧组件接收驱动电平执行机械分闸动作，物理阻断主回路包含的短路电流；

41、三工位隔离组件内置的延时继电器接收驱动电平，经过时间延迟后触发三工位隔离组件的主轴转动；

42、三工位隔离组件在真空灭弧组件物理阻断主回路之后，断开主回路产生物理隔离断口。

43、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，绝缘评估模块包含场强分布运算单元、海拔补偿计算单元以及安全裕度输出单元；

44、场强分布运算单元提取多维时序数据矩阵中包含的局部放电量数值，将局部放电量数值代入预设的三维电场数字模型，计算主绝缘轴表面空间节点的电场强度分布数值，生成表面电应力分布矩阵；

45、海拔补偿计算单元提取多维时序数据矩阵中包含的海拔参数，将海拔参数代入预设的空气密度推演公式算出密度衰减系数，将表面电应力分布矩阵乘以密度衰减系数得出梯度绝缘修正矩阵；

46、安全裕度输出单元将梯度绝缘修正矩阵与预设的极限击穿阈值执行作差比对，得出评估曲线。

47、进一步地，本发明的环保气体柜混合式无弧开关控制系统，微环境调节模块包含露点推演单元、温差阈值比对单元以及防凝露联动单元；

48、露点推演单元接收外部环境温度数值以及外部绝对湿度参数，将外部环境温度数值与外部绝对湿度参数代入预设的露点推算公式，得出外部露点温度；

49、温差阈值比对单元提取多维时序数据矩阵中包含的一次侧气箱传导温度，将一次侧气箱传导温度与外部露点温度执行作差运算，得出凝露风险系数；

50、当凝露风险系数大于预设安全阈值时，防凝露联动单元生成环境保护指令并发送至二次仪表箱，触发加热组件启动发热动作，增加电路板表面的温度梯度。

51、本发明有益效果：

52、本发明环保气体柜混合式无弧开关控制系统通过构建物理硬件与数字逻辑协同运作的基础架构，有效克服了现有金属封闭开关设备在多物理场耦合工况下存在的控制失效以及绝缘劣化缺陷。热动推演模块提取底层状态参量代入气压模型，解算出气压分布曲线并标定局部热滞留节点坐标，进而生成排热调度指令驱动不锈钢散热管组件执行物理散热动作，不锈钢散热管组件与绝缘金属封闭箱体内部的热源分布形成物理热对流映射，消除了密闭空间内部形成的热量滞留区，恢复了整体空间内部的物理气压平衡。波形解构模块利用底层状态参量包含的电流波形计算斜率特征，将斜率特征与电网层级参量包含的出力波动数值执行作差运算，系统通过作差运算数值严格区分新能源随机交变运行冲击与真实短路故障冲击，过滤因正常出力波动引发的错误动作指令，当判定发生真实短路故障时，换流执行模块接收换流隔离指令并转换为驱动电平，驱动真空灭弧组件切断主回路内部的短路电流，避免了由频繁启停操作引发的机械结构疲劳以及机械触头电弧烧蚀缺陷。绝缘评估模块利用底层状态参量包含的局部放电量数值与电网层级参量包含的海拔参数执行绝缘修正运算，动态补偿由高海拔低气压物理环境引起的电场畸变差值，抑制了主绝缘轴表面持续发生的尖端放电现象。微环境调节模块利用底层状态参量包含的一次侧气箱传导温度与获取的外部露点温度执行作差运算得出凝露风险系数，当凝露风险系数大于预设安全阈值时向二次仪表箱发送环境保护指令，触发加热组件配合防凝露顶板动态提升内部温度梯度，从物理热力学维度破坏了游离水分子在电路板表面析出的相变条件，消除了线路阻抗物理突变引发的一二次融合通信信号链路中断隐患，提升了新能源并网节点电力设备运行的安全可靠性以及极端环境适应能力。