一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统

1.本发明属于输变电高压开关设备智能化技术领域，特别涉及一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统。


背景技术：

2.高压断路器是电力系统中重要的保护和控制设备之一，在电网的正常运行过程中起着举足轻重的角色，其中操动机构是高压断路器在进行正常分合闸时必须进行操作的部件，其运动性能的好坏直接影响灭弧室开断电流能力的强弱。传统的操动机构有弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构，其通过链带，液压液或者压缩空气来传递能量，所依靠的机械零部件较多且结构复杂、多次操作后累计动触头的运动公差较大、无法实现操动机构在对断路器的操动过程中的速度调节和位置控制；同时以上所述的操动机构只能按照事先设定的最大电流值进行断路器的分合闸操作，不能实时测量电网电压和电流值，不能根据电网的实时状态进行合理的操作，使得开关的动触头多次反弹、机械磨损较大且不能实时监测断路器的运动状态。同时随着高压断路器运行环境的复杂化，将高压断路器的状态感知集成在直接电机驱动系统中，提升了高压开关设备状态感知能力、预测预警能力和自身健康状态的诊断评估能力，以实现高压断路器的实时监测数据分析的智能化。
3.本发明提供一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统，采用先进控制算法，实现电机的可靠驱动及高压断路器本体的状态感知，是本领域技术人员需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供的一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统，减少高压开关的动触头多次反弹、机械磨损较大，简化断路器机构的机械传动结构，同时提升高压开关设备的状态感知能力、预测预警能力和自身健康状态的诊断评估能力，以实现高压断路器的实时监测数据分析的智能化。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种高压断路器直接电机驱动装置，其特征在于，包括：
6.三相不控整流单元：所述三相不控整流单元用于对变电站内的220v交流电源进行整流处理，形成直流电压；
7.串联电阻电压采集单元：所述的串联电阻电压采集单元用于获取当前采样时刻的直流母线上的电压值；
8.电容充电单元：所述电容充电单元用于将所述直流母线电压对后级电容的充电控制，为机构动作准备能量来源；
9.电容电压检测与保护单元：所述的电容电压检测与保护单元是检测电容电压是否达到或者超出设定值，根据检测结果对电容充电单元的控制与保护；
10.三相逆变单元：将所述的电容电压逆变为可为直流电机供电的交流电压。
11.信号采集单元：所述的信号采集单元采集整流电路的母线电压、三相逆变电路的输出电压和电流、电动机的转速；
12.滤波和信号调理单元：所述的滤波是将各个传感器采集到的信号进行波形的滤除，所述的信号调理是将采集的模拟信号进行放大、缓冲或者定标模拟信号，使其适合于adc端口的输入，之后adc端口将模拟信号进行数字化的处理；
13.高压断路器本体及机械传动：所述的高压断路器本体及机械传动包括 126kv的sf6高压断路器，机械传动包括动触头、连杆、拐臂和转轴；
14.驱动单元：所述的驱动单元以高速的光电耦合器hcpl3120作为igbt 开关器件的驱动芯片；
15.数字信号处理器：所述的数字信号处理器是一种控制芯片，可以选择为 tms320f2812的数字信号处理器，进行断路器状态数据的采集计算及电机转速和角度的优化计算，输出可靠的六路驱动脉冲以驱动六只igbt器件的导通与关断；
16.物理通信单元：所述的物理通信单元是一种rs-485通信接口，是上位机和数字信号处理器之间通信的桥梁；
17.上位机控制单元：所述的上位机控制单元是一种软件界面，通过modbus协议进行通信，实现断路器的分合闸操作命令及断路器状态的展示；
18.状态采集单元：所述的状态采集单元是通过超声波传感器、局放传感器、 sf6密度继电器和旋转编码器采集高压断路器本体的状态信息；
19.为解决上述技术问题，本发明还提供一种高压断路器直接电机驱动方法，其特征在于，该驱动方法执行了如下步骤，包括：
20.步骤1：根据所述三相逆变器的输出电压和电流，通过高压探头和霍尔电流传感器获取母线电压和电流；
21.步骤2：获取的母线电压和电流在数字信号处理器dsp内进行数据的处理，在不同工况下计算电机的最优速度曲线，将所获取的速度最优曲线作为给定值；
22.步骤3：获取直流电机的转速和位置信息，通过相对应的传感器诸如光栅编码器和位置传感器进行转速和位置的采集；
23.步骤4：将高压断路器的触头侧的整个绝缘拉杆部分直线速度转换到电机侧，将电机机构侧旋转驱动电机的给定角速度和反馈检测角速度做差分，获取误差信号e和误差的变化率ec；
24.步骤5：对所述的偏差信号e和误差的变化率ec进行离散化处理为e(k)和ec(k)，模糊化处理后可用e(k)＝n
′
(k)-n(k)来表示，来表示，其中n
′
(k)是角速度给定信号，n(k)是角速度反馈信号。可用δu(k)＝k
p
(e(k)-e(k-1)) kie(k) kd(e(k)-2e(k-1) e(k-2))来表示模糊自适应 pid的增量式表达式。设定偏差信号e和偏差的变化率ec的论域范围为[-6，6]。控制器的输入信号e和ec量化标准的7个语言变量分别为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。而模糊语言变量e和ec是由模糊控制输入信号经模糊化得到，e和ec模糊子集：{nb，nm，ns，z，ps，pm，pb}。同理，输出量kp、ki、kd的模糊子集：{nb，nm，ns，z，ps，pm， pb}。模糊语言变量论域均为自然数{-6，......，6}范围内取值。选择e，ec服从三角形隶属函数曲线，kp、ki、kd服从高斯型隶属函数的曲线；
[0025]
步骤6：所述的模糊控制规则逻辑的建立选取“mamdani”的推理原理。首先将实际的输入量和输出量映射到论域中即可。描述成曼达尼型模糊推理规则形式为：如果e为nb，ec为nb；则δkp为pb，δki为nb，δ kd为ps
…
等49条模糊规则。两个输入值将模糊量化后分别为n，m，则根据其隶属函数可以知道对应的隶属度为pb(n)，pb(m)，有推理规则可知只激活了一条规则。如果e为pb，ec为pb；则δkp为nb，δki为 pb，δkd为pb。则输出模糊量δkp＝(pb(n)∧pb(m))∧nb(t)，还是个模糊值。其他输出量都可以此类推；
[0026]
步骤7：所述的自适应模糊控制的解模糊化有多种方法，可应用重心面积法进行参数的解模糊化处理：运用重心法进行精确化计算得出kp、ki、kd的修正值fuzzy(kp)、fuzzy(ki)、fuzzy(kd)。其调整公式为： kp＝kp0 fuzzy(kp)，ki＝ki0 fuzzy(ki)，kd＝kd0 fuzzy(kd)；
[0027]
步骤8：按照上式模糊的关系，对模糊推理的逻辑规则选用mamdani法，从而完成pid控制的参数的在线实时自适应调整，即：kp＝[e
×
ec]r
kp
， ki＝[e
×
ec]r
ki
，kd＝[e
×
ec]r
kd
；
[0028]
为解决上述技术问题，本发明还提供一种高压断路器直接电机驱动的状态感知系统，其特征在于，包括：
[0029]
传感器单元：通过超声波传感器和局放传感器采集高压断路器本体上的局部放电的产生的超声波信号和特高频信号。通过sf6密度继电器采集高压断路器本体内sf6的密度；
[0030]
数据处理单元：站控层光纤交换机将高压开关状态数据采集模块采集到的多个监测数据通过光纤上传至状态监测数据库，状态监测数据库对所获取的状态信息进行保存及分析；
[0031]
显示单元：通过显示屏显示高压断路器状态感知系统采集到的各种信号，诸如超声波的大小、特高频信号的大小和sf6密度的大小。
[0032]
本发明涉及一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统，高压断路器直接电机驱动控制装置包括高压断路器、操动机构、直流电机、主回路、控制回路和断路器状态感知系统。该装置的控制方法为将永磁驱动电机操动机构伺服系统的位置调节器设计成能够自适应调节pid参数的模糊控制器，通过采集电网电压和电流值在dsp芯片中计算出最优的速度曲线作为给定值，依据反馈速度的不同偏差e及变化率ec，通过pid对kp、ki、kd在线实施自适应调节，完成速度随动自适应的模糊控制。本发明的优点可根据电网的不同工况，自动调节电机机构按照灭弧室工作条件进行速度随动跟踪，改变了当前断路器分合闸操作单一的特性，可自适应的选择分合闸速度和机构机械特性上的最佳匹配，减小断路器开合时剧烈的机械碰撞以及摩擦损耗，最终延长断路器应用寿命，节省经济成本。同时在本发明中集成了高压断路器的状态感知系统，将高压断路器的多状态感知信息采集至数字信号处理器中，形成可视化的实时监测与故障诊断，进一步提升了高压开关设备的状态感知能力和智能化水平。
附图说明
[0033]
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明实施例提供的一种高压断路器直接电机驱动装置示意图；
[0035]
图2为本发明实施例提供的一种高压断路器直接电机驱动方法的原理图；
[0036]
图3为本发明实施例提供的一种高压断路器直接电机驱动方法的流程图；
[0037]
图4为本发明实施例提供的电容电压控制与检测的原理示意图。
[0038]
图5为本发明实施例提供的输入量e和ec的隶属度函数曲线图
[0039]
图6为本发明实施例提供的输出系数隶属度函数曲线图
[0040]
图7为本发明实施例提供的在该驱动方法下高压断路器的分闸速度曲线跟踪图
[0041]
图8为本发明实施例提供的在该驱动方法下高压断路器的合闸速度曲线跟踪图
[0042]
图9为本发明实施例提供的状态感知系统的原理图
[0043][0044][0045]
具体实施方式
[0046]
本发明的核心是提供一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统，减少高压开关的动触头多次反弹、机械磨损较，简化断路器机构的机械传动结构，同时提升高压开关设备的状态感知能力、预测预警能力和自身健康状态的诊断评估能力，以实现高压断路器的实时监测数据分析的智能化。
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图和表1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
下面就给定的高压断路器本体参数及控制装置的相关参数，和附图3、附图5、附图6、附图9及表1-3对本发明作进一步的详细描述。
[0049]
高压断路器本体参数：额定电压126kv、开断电流31.5ka，三相逆变主回路参数：直流电压350v、开关器件额定值1200v/60a，驱动电机为伺服驱动电机。
[0050]
步骤1：设定被控对象电机驱动机构的传递函数为g(s)＝5/(s2 5s 2)，根据高压断路器本体参数、整个主拓扑结构的参数和采集到的母线电压和电流，可在数字信号处理器中估算出在不同工况条件下驱动电机的最优速度曲线，将所获取的速度最优曲线作为闭环控制系统的给定值；
[0051]
步骤2：通过光栅传感器和位置传感器获取驱动电机的转速和位置信息，同时获取电机的电流值，构成速度和电流的双闭环系统；
[0052]
步骤3：将高压断路器的触头侧整个绝缘拉杆部分直线速度转换到电机侧，将电机机构侧旋转驱动电机的给定角速度和反馈检测角速度做差分，获取误差信号e和误差的变化率ec；
[0053]
步骤4：对偏差信号e和误差的变化率ec进行模糊化处理，利用δu(k)＝k
p
(e(k)-e(k-1)) kie(k) kd(e(k)-2e(k-1) e(k-2))来表示模糊自适应 pid的增量式表达式。将偏差信号e和偏差的变化率ec的论域均范围设定为 [-6，6]。输出量kp、ki、kd的模糊子集设定为{nb，nm，ns，z，ps， pm，pb}。选择e，ec服从三角形隶属函数曲线，kp、ki、kd服从高斯型隶属
函数的曲线；
[0054]
步骤6：所述的模糊控制规则逻辑的建立选取“mamdani”的推理原理。 首先将实际的输入量和输出量映射到论域中即可。描述成“mamdani”模糊推 理规则形式为：如果e为nb，ec为nb；则δkp为pb，δki为nb，δ kd为ps
…
等49条模糊规则，表1-3分别设定了δkp、δki、δkd的模 糊规则控制表。表1为本发明实施例提供的在该驱动方法下的δkp的模糊控制规则表；表2为本发明实施例提供的在该驱动方法下的δki的模糊控制规则表；表3为本发明实施例提供的在该驱动方法下的δkd的模糊控制规则表；表1表2表3
两个输入值将模糊量化后分别为n，m，则根据其隶属函数可以知道对应 得隶属度为pb(n)，pb(m)，有推理规则可知只激活了一条规则。如果e为 pb，ec为pb；则δkp为nb，δki为pb，δkd为pb。则输 出模糊量δkp＝(pb(n)∧pb(m))∧nb(t)，还是个模糊值。其他输出量都可 以此类推；
[0055]
步骤7：利用重心面积法进行参数的解模糊化处理：运用重心法进行精确化计算得出kp、ki、kd的修正值fuzzy(kp)、fuzzy(ki)、fuzzy(kd)。其调整公式为：kp＝kp0 fuzzy(kp)，ki＝ki0 fuzzy(ki)， kd＝kd0 fuzzy(kd)；设定初始值参数kp0＝45，ki0＝1.5，kd0＝1.1，利用重心法精确计算得出的修正值参数分别为fuzzy(kp)＝0.01245、 fuzzy(ki)＝0.1152、fuzzy(kd)＝0.05785；
[0056]
步骤8：按照上式模糊的关系，对模糊推理的逻辑规则选用mamdani法，从而完成pid控制参数的在线实时自适应调整，即：kp＝[e
×
ec]r
kp
， ki＝[e
×
ec]r
ki
，kd＝[e
×
ec]r
kd
；
[0057]
步骤9：高压断路器状态数据采集模块通过设置在高压开关设备上的多个传感器收集高压开关设备的在线监测数值信息，并将在线监测数值信息通过多个测量ied(智能电力监测设备)存入后台数据处理及系统连接模块，后台数据处理及系统连接模块通过virtools server的database module载入运行数据后，将在线监测到的数据展现出来。
[0058]
以上对本发明所提供的一种高压断路器直接电机驱动装置、方法及状态感知系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0059]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。