一種新型混合式高壓直流斷路器數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺(tái)
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作者：張毅
目前，國際上ABB和阿爾斯通公司宣稱研制出高壓直流斷路器，兩者均屬于混合式高壓直流斷路器，采用電力電子器件與機(jī)械開關(guān)聯(lián)合運(yùn)行：同時(shí)其他各種直流斷路器也在完善中。2015年1月6日，由同網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院自主研制的200 kV高壓直流斷路器完成了型式試驗(yàn)．該斷路器可以在3 ms內(nèi)斷開一條200 kV高壓直流輸電線路產(chǎn)生的高達(dá)15 kA故障電流。該試驗(yàn)的成功標(biāo)志著中國在直流輸電核心裝備研發(fā)領(lǐng)域取得了重大突破。
由于混合式高壓直流斷路器實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少．其性能需要不斷的完善，其中高電壓、大容量的IGBT的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性研究尤為關(guān)鍵。為了在滿足穩(wěn)定性的前提下提高高壓電力電子的經(jīng)濟(jì)性．建立了電力電子器件的高壓仿真模型：實(shí)現(xiàn)電力電氣器件的結(jié)溫計(jì)算。為了適應(yīng)這些新方法的需求，需要在運(yùn)行和試驗(yàn)巾采集各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。目前市場上已有的電氣監(jiān)測系統(tǒng)不具有在線監(jiān)測結(jié)溫的功能：已有的故障濾波器的錄波時(shí)間間隔大多在100 μs以上，而高電壓等級(jí)的電力電子器件失效模型計(jì)算時(shí)要求電氣量采集時(shí)間間隔約為數(shù)微秒。
本文設(shè)計(jì)出一種針對(duì)混合式高壓直流斷路器的監(jiān)測平臺(tái)。該監(jiān)測平臺(tái)采用Labview進(jìn)行開發(fā)，具有遙測、遙信顯示記錄及故障錄波功能．可在線計(jì)算IGBT和其并聯(lián)二極管的結(jié)溫。
1 混合式高壓直流斷路器工作原理
混合式高壓直流斷路器的原理如圖1所示。其中SM( sub modul)是一個(gè)全橋子模塊，由4個(gè)IGBT、1個(gè)電容器和1個(gè)電阻器組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該混合式高壓直流斷路器由正常工作到斷開的順序流程為：(1)正常工作時(shí)，斷路器導(dǎo)通，a處于閉合狀態(tài)，b和d都處于導(dǎo)通狀態(tài)，h處于斷開狀態(tài)。(2)當(dāng)遇到故障、檢修或倒閘操作等需要斷開斷路器時(shí)，首先d動(dòng)作，讓電流由主支路轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)移支路：然后b動(dòng)作。由于轉(zhuǎn)移支路的存在，b、d動(dòng)作時(shí)都不會(huì)承擔(dān)太大的過電壓。下一步整個(gè)開關(guān)的所有全橋子模塊同時(shí)動(dòng)作．各個(gè)模塊分擔(dān)相同的電壓，直流斷路器斷開。(3)在步驟(1)和(2)完成后，a動(dòng)作，斷開電力電子器件的殘余電流。
避雷器的作用是保護(hù)并聯(lián)的幾個(gè)全橋子模塊，防止在斷開過程中由于均壓或其他問題導(dǎo)致h模塊損壞。
2監(jiān)測平臺(tái)總體設(shè)計(jì)
監(jiān)測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：(1)狀態(tài)顯示。顯示目前直流斷路器的工作情況，包括電壓、電流、IGBT的結(jié)溫、開關(guān)狀態(tài)等信息。(2)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。采用Labview讀寫SQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)每隔1min存儲(chǔ)一次各個(gè)遙測數(shù)據(jù)，并在遙信變化時(shí)存儲(chǔ)遙信變位信息。(3)控制斷路器動(dòng)作。在長時(shí)間試驗(yàn)時(shí)能自動(dòng)地下發(fā)斷路器的開斷、閉合命令。也可進(jìn)行人工控制�，F(xiàn)場應(yīng)用時(shí)閉鎖該功能。(4)故障錄波功能。在收到遙信變位信號(hào)后．故障錄波功能自動(dòng)啟動(dòng)．密集采集各個(gè)遙測量。(5)故障報(bào)警。在收到故障信號(hào)時(shí)，平臺(tái)在自動(dòng)啟動(dòng)故障錄波的同時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警，提醒試驗(yàn)人員注意。監(jiān)測平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
為了滿足混合式直流斷路器故障分析的需求，平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮以下幾方面需求：(1)采樣頻率要求。大容量電力電子器件失效模型需要電壓和電流的采樣時(shí)間間隔數(shù)微秒，本平臺(tái)的采樣頻率要能夠滿足這種需求。(2)采集路數(shù)要求。為了能夠提供全面數(shù)據(jù)，滿足故障分析和結(jié)溫計(jì)算的需求．本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測平臺(tái)需采集斷路器端電壓，采集主支路、轉(zhuǎn)移支路和避雷器中的電流，采集各個(gè)IGBT模塊的端電壓和電流，同時(shí)還需要采集空氣溫度和各IGBT散熱器的進(jìn)水水溫。(3)通信速率要求。由于故障錄波時(shí)數(shù)據(jù)采樣頻率高．同時(shí)監(jiān)測平臺(tái)采集路數(shù)多，平臺(tái)在進(jìn)行故障錄波數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要求較高的通信速率。
3監(jiān)測平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)測平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信板、遙測單元、溫度傳感器和TV、TA的選型和設(shè)計(jì)。圖3中的控制和保護(hù)單元能夠?qū)崿F(xiàn)遙信數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的下發(fā)功能。
上位機(jī)采用工控機(jī)，要求配置千兆的以太網(wǎng)卡和500 GB以上的硬盤。
網(wǎng)絡(luò)通信板的主要功能是通信接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換．實(shí)現(xiàn)遙測單元、控保單元和上位機(jī)互相間的通信。同時(shí)板卡安裝了一個(gè)128 MB的flash存儲(chǔ)器，臨時(shí)存放錄波數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信板要求通信速率達(dá)到要求，并且穩(wěn)定可靠；本板卡設(shè)計(jì)了1路以太網(wǎng)通信接口、5跆多模光纖通信接口和4路RS485串行通信接口。
遙測單元主要包括電氣量遙測和非電氣量遙測。(1)電氣量測量。系統(tǒng)電壓和斷路器流過的電流是利用現(xiàn)場TV、TA的二次側(cè)繞組進(jìn)行采集計(jì)算．也可以接收現(xiàn)場其他系統(tǒng)的測量結(jié)果。為了滿足故障分析的要求．本平臺(tái)同時(shí)采集了主支路、轉(zhuǎn)移支路和避雷器中的電流以及斷路器兩端電壓為了滿足功能需求，本平臺(tái)在各個(gè)全橋子模塊兩端安裝了TV：同時(shí)在子模塊中1、4號(hào)IGBT上安裝了TV和TA。由于斷路器所使用的全橋子模塊數(shù)量較多（一個(gè)220 kV的高壓直流斷路器使用的全橋子模塊數(shù)量約為40個(gè)），為了接線簡潔，各全橋子模塊的TV和TA二次側(cè)接入對(duì)直模塊的中控板。為了滿足IGBT建模的需要，電氣量采集使用400 kHz的高速A/D芯片。(2)采用了溫度傳感器一A/D采樣結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度測量 為了計(jì)算IGBT的結(jié)溫．監(jiān)測平臺(tái)測量了各個(gè)IGBT的進(jìn)水溫度和空氣溫度．在IGBT分析計(jì)算時(shí)不需要高頻率的結(jié)溫，因此本平臺(tái)的溫度采集用普通A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)際采樣頻率為100 Hz溫度傳感器選擇體積較小的接觸式的熱偶溫度傳感器 為了接線簡潔，測量水溫的溫度傳感器二次側(cè)接人了全橋子模塊的中控板中。
4監(jiān)測平臺(tái)的軟件算法
監(jiān)測平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信板、遙測測量單元、控制保護(hù)單元和全橋子模塊中控板中的軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)多數(shù)邏輯計(jì)算功能：網(wǎng)絡(luò)通信板中包含接口協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和錄波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序：遙測測量單元和全橋子模塊中控板完成A/D采樣和數(shù)據(jù)通信程序；控制保護(hù)單元中包含遙信數(shù)據(jù)的上送程序。
4.1 主程序結(jié)構(gòu)與算法
上位機(jī)采用NI公司的Labview編程實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件的主要功能有數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)采集計(jì)算與數(shù)據(jù)顯示、故障錄波與錄波數(shù)據(jù)讀取、結(jié)溫計(jì)算、故障告警、遙控命令下發(fā)等。
主程序的部分流程如圖4所示。
4.2 電壓電流測量算法
電壓電流測量和數(shù)據(jù)處理在全橋子模塊中控板、遙測測量單元、網(wǎng)絡(luò)通信板和上位機(jī)中完成。其中中控板、遙測測量單元完成原始數(shù)據(jù)的采集：網(wǎng)絡(luò)通信板完成接口協(xié)議轉(zhuǎn)換．并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；上位機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)顯示等功能。為了測量每個(gè)IGBT相關(guān)數(shù)據(jù)，本平臺(tái)采集了全橋子模塊兩端電壓，同時(shí)測量每個(gè)子模塊中1、4號(hào)IGBT端電壓和流過的電流．2.3號(hào)IGBT相關(guān)數(shù)據(jù)通過計(jì)算獲得，
根據(jù)設(shè)計(jì)方式的不同．高壓直流輸電系統(tǒng)的電壓測量有各自的方式．基本原理都是采用電阻或電阻電容分壓、本平臺(tái)的電壓測量采用電阻分壓器。
本平臺(tái)采用光TA進(jìn)行高壓直流輸電系統(tǒng)的電流測量，二次側(cè)為光信號(hào)，相應(yīng)的電子處理程序都集成在了TA的二次側(cè)，測量的結(jié)果直接輸出至其他設(shè)備，因此本平臺(tái)保留了通信接口，接收光TA傳送的二次測量結(jié)果。
4.3 結(jié)溫測量與計(jì)算
本平臺(tái)采用基于Cauer network網(wǎng)絡(luò)模型的RC熱網(wǎng)絡(luò)法在線計(jì)算IGBT的結(jié)溫。結(jié)溫計(jì)算結(jié)果既可用于IGBT模塊的故障分析，也可以用于IGBT散熱器選型。
4.3.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算
IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算公式為
式中：Tj為IGBT最高工作溫度，K，一般要求小于125 ℃：Rjc為結(jié)殼熱阻，與IGBT的制造工藝有關(guān)．是IGBT的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，制造廠商均有規(guī)定．其量值不受所選用的散熱器或其他受控參數(shù)影響：Rcs為接觸熱阻；Rsa為散熱器熱阻，可以根據(jù)散熱器熱阻曲線得到；Tin為進(jìn)水溫度，K;P為元件功耗．W。以上計(jì)算方法同樣適用于二極管。
4.3.2 瞬態(tài)結(jié)溫計(jì)算
Foster network模型的核心算法是利用三四階的時(shí)問指數(shù)函數(shù)來擬合IGBT和二極管的暫態(tài)熱阻抗曲線，其擬合關(guān)系式為
式中：Z為單位功耗結(jié)溫溫升，K/kW;Ri為擬合阻抗；Ti為擬合時(shí)間常數(shù)：t為電流持續(xù)時(shí)間。
根據(jù)IGBT的物理結(jié)構(gòu)．簡單地將IGBT每層導(dǎo)熱物體看成熱阻和熱容的T型連接．這樣將每層導(dǎo)熱物體的熱阻和熱容串級(jí)聯(lián)接起來得到IGBT的熱阻抗的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5a）所示。
因?yàn)楸綢GBT攜帶散熱器．為了能夠方便地計(jì)算出結(jié)溫，在福斯特網(wǎng)的基礎(chǔ)上推算出了考爾模型，如圖5 b)所示。其推算過程采用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)．
4.3.3帶散熱器的瞬態(tài)結(jié)溫計(jì)算
為了得出帶散熱器的IGBT熱阻抗模型．需要對(duì)散熱器熱阻曲線進(jìn)行擬合，其計(jì)算方法為：采用指數(shù)函數(shù)多項(xiàng)式對(duì)IGBT結(jié)殼瞬態(tài)熱阻曲線進(jìn)行擬合，獲得福斯特模型中R和C參數(shù)。采用的擬合公式為
擬合公式中的Ri和Ti與福斯特模型中Ri和Ti對(duì)應(yīng)。
擬合完成后，結(jié)合圖5b）所示，得出了帶散熱器的IGBT熱阻抗模型如圖6所示。
在計(jì)算前需要根據(jù)全橋子模塊端電壓來判斷施加在IGBT中的端電壓是正向還是反向。如果全橋子模塊端電壓為正向（左邊電壓高于右邊）．該子模塊巾2.4號(hào)IGBT通流,1和3號(hào)的二極管通流：反之2和4號(hào)二極管通流，1和3號(hào)IGBT通流。根據(jù)通流情況，決定采用IGBT的相關(guān)參數(shù)還是采用二極管相關(guān)參數(shù)。
4.4故障錄波子程序流程
故障錄波數(shù)據(jù)處理方式與正常數(shù)據(jù)的處理方式不同，要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、存儲(chǔ)速度高，且便于拷貝轉(zhuǎn)移。在實(shí)現(xiàn)時(shí)不采用Labview讀寫數(shù)據(jù)庫的形式，而是采用更為簡潔的Labview讀寫文件方式。故障錄波要求實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)任何遙信變化都要啟動(dòng)故障錄波程序，包括故障告警信號(hào)和開關(guān)動(dòng)作信號(hào)。如果上送的故障信號(hào)與上次相同．則不肩動(dòng)故障錄波。(2)有手動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)2種運(yùn)行方式。自動(dòng)錄波是在有遙信變化時(shí)自動(dòng)肩動(dòng)錄波，而手動(dòng)錄波是在上位機(jī)上發(fā)送錄波命令進(jìn)行錄波。(3)具有故障數(shù)據(jù)讀取功能，便于分析計(jì)算。(4)錄波內(nèi)容是從錄波開始命令前0.5 s持續(xù)到錄波開始命令后1.5 s時(shí)間范圍內(nèi)的各種測量信號(hào)。高壓與特高壓直流的短路故障一般持續(xù)數(shù)毫秒，考慮到信號(hào)傳輸和故障判斷所需時(shí)間．錄波開始命令前0.5 s能夠滿足錄波需求：由于需要記錄斷路器在電網(wǎng)故障后的動(dòng)作情況，考慮斷路器拒動(dòng)、延遲、故障等特殊情況，平臺(tái)故障錄波持續(xù)到錄波開始命令后1.5 s。
為了滿足日后建模分析的需要，每次錄波時(shí)故障錄波電壓電流信號(hào)都是采用400 kHz的采樣頻率：結(jié)溫的采樣頻率沒有太高要求，本平臺(tái)采樣頻率采用100 Hz。
由于故障錄波通信數(shù)據(jù)量大，為r緩解短時(shí)間的通信壓力，故障錄波程序分為2個(gè)部分執(zhí)行：(1)在網(wǎng)絡(luò)通信板中首先進(jìn)行本次錄波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)．在錄波完成后，刪除通信板中最早的一次錄波數(shù)據(jù)．再向上位機(jī)發(fā)送采集錄波數(shù)據(jù)的指令。網(wǎng)絡(luò)通信板中存儲(chǔ)最近10次的錄波數(shù)據(jù)。(2)上位機(jī)收到采集錄波數(shù)據(jù)的指令后，開始采集錄波數(shù)據(jù)．上位機(jī)中存儲(chǔ)所有的錄波數(shù)據(jù)一上位機(jī)把收集到的信號(hào)存儲(chǔ)到Excel文檔中，文件按照實(shí)際開始錄波的時(shí)間進(jìn)行命名一故障錄波數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)采用不同端口號(hào)與上位機(jī)進(jìn)行通信一錄波工作流程如圖7所示，上位機(jī)在錄波開始時(shí)采用正常通信通道發(fā)送故障錄波指令，接收到網(wǎng)絡(luò)通信板中故障錄波完成指令后，開啟故障錄波通道．下發(fā)上傳錄波數(shù)據(jù)指令，進(jìn)行錄波數(shù)據(jù)傳輸。
5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
該監(jiān)測平臺(tái)對(duì)混合式高壓直流斷路器樣機(jī)進(jìn)行了長時(shí)間的監(jiān)測，完成了指令下發(fā)、故障錄波、狀態(tài)顯示、電壓電流、結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等各項(xiàng)功能．在樣機(jī)的全橋子模塊通流試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)等各項(xiàng)試驗(yàn)中，監(jiān)測平臺(tái)發(fā)揮了重要的作用。
5.1 結(jié)溫計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證
本實(shí)驗(yàn)采用同一次試驗(yàn)仿真計(jì)算結(jié)果與本平臺(tái)結(jié)果相比較的方法來驗(yàn)證一本文中散熱器相關(guān)參數(shù)如下：Rse=0.004 3 K／W；接觸熱阻為0.009 K/W;Cs=3 048 J/(s·K)；進(jìn)水溫度為40℃。IGBT采用ABB的52NA 2000K451300：
如圖1．當(dāng)全橋子模塊正向?qū)〞r(shí)，1和3號(hào)IGBT模塊巾無電流，電流從1、3號(hào)IGBT并聯(lián)二極管和2.4號(hào)IGBT本體中流過。采用的方法計(jì)算主支路1號(hào)全橋子模塊中1、3號(hào)IGBT并聯(lián)二極管和2、4號(hào)IGBT本體的最高結(jié)溫．結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)平臺(tái)記錄的最高結(jié)溫結(jié)果如表2所示。從計(jì)算結(jié)果分析，本平臺(tái)的結(jié)溫計(jì)算結(jié)果與離線結(jié)溫計(jì)算結(jié)果相近，說明本平臺(tái)能夠正確反映實(shí)際結(jié)溫。
5.2 故障錄波數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證
為驗(yàn)證故障錄播數(shù)據(jù)功能，在斷路器的開斷試驗(yàn)中采用監(jiān)測平臺(tái)和示波器進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)。圖8和圖9分別是直流斷路器在開斷試驗(yàn)中本平臺(tái)錄波數(shù)據(jù)圖形與示波器錄波圖形。圖8和圖9中的曲線1為主支路電流，曲線2為第一組避雷器中電流，曲線3為轉(zhuǎn)移支路電流，曲線4為斷路器兩端電壓：為了清晰顯示圖形關(guān)鍵部分?jǐn)?shù)據(jù)．圖8中曲線1偏移了-20 A，曲線2偏移了30 A，曲線3偏移了60 A。
通過2個(gè)圖的比較可以檢測出系統(tǒng)的錄波功能滿足設(shè)計(jì)要求。
6結(jié)語
本文介紹了國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院研發(fā)的高壓直流斷路器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種適用于混合式高壓直流斷路器的監(jiān)測平臺(tái)，得出如下結(jié)論：
(1)所設(shè)計(jì)的監(jiān)視平臺(tái)采用高采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)故障錄波，可為大容量電力電子設(shè)備高壓建模和故障分析提供有效的實(shí)測數(shù)據(jù)。
(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，監(jiān)測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電力電子設(shè)備的在線結(jié)溫測量計(jì)算，為IGBT的安全工作區(qū)的校驗(yàn)和散熱器選型提供實(shí)測依據(jù)。
(3)對(duì)于采用電力電子開關(guān)和機(jī)械開關(guān)聯(lián)合方式的各種混合式高壓直流斷路器，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測平臺(tái)都可以提供監(jiān)測方案，為斷路器的實(shí)用性奠定基礎(chǔ)。
該監(jiān)測平臺(tái)為混合式高壓直流斷路器故障分析提供了充分的、全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。后續(xù)研究工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移為各種故障原因的在線、智能分析。
7摘要：為了監(jiān)視和控制級(jí)聯(lián)全橋混合型直流斷路器，為設(shè)備選型、斷路器故障分析等提供實(shí)測數(shù)據(jù)，在介紹圉網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院研發(fā)的級(jí)聯(lián)全橋混合型直流斷路器工作原理基礎(chǔ)上，總結(jié)高壓電力電子器件的高壓建模和結(jié)溫計(jì)算所需數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出一套實(shí)用的高壓直流斷路器監(jiān)測平臺(tái)。該監(jiān)測平臺(tái)采用Labview進(jìn)行晃面開發(fā)，具有全面的遙測、遙信顯示記錄功能和高頻率采樣的故障錄波功能，能夠在線計(jì)算IGBT和其并聯(lián)二極管的結(jié)溫，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測平臺(tái)的運(yùn)行效果。
