自動(dòng)重合器是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電動(dòng)化的重要設(shè)備。我國(guó)從80年代末開始引進(jìn)國(guó)外的自動(dòng)重合器，90年代開始仿制。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的主要有3種類型，即英國(guó)Relly公司的ESR型集成電路控制重合器，英國(guó)Brush公司的PMR型微機(jī)控制重合器，美國(guó)Cooper公司的KFE型集成電路控制重合器。所有進(jìn)口自動(dòng)重合器的開關(guān)本體均采用高壓合閘線圈，直接從10 kV線路獲取合閘電源，延時(shí)、安秒特性為液壓方式。由于生產(chǎn)設(shè)備與工藝方面的問題，我國(guó)一直受到高壓合閘線圈與液壓部件的國(guó)產(chǎn)化與維修工作的困擾，因此仿制的重合器都沒有采用高壓合閘線圈與液壓部件，大多采用集成電路或8位微機(jī)控制電路。 
         本文介紹的戶外柱上型智能重合控制器，擯棄了仿制進(jìn)口自動(dòng)重合器的電子控制電路的老路，而是以工業(yè)級(jí)16位微控制器Intel 87C196KC-20以及CPLD器件為主，采用先進(jìn)的頻率自適應(yīng)同步快速交流采樣算法(每周波24點(diǎn))、高性能現(xiàn)場(chǎng)通訊技術(shù)及智能控制技術(shù)，集測(cè)量、控制、保護(hù)、通訊、遠(yuǎn)動(dòng)和自生電源裝置、紅外遙控裝置于一體，完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)重合器的各項(xiàng)功能，并具有自動(dòng)重合器所不具備的在線檢測(cè)、診斷與綜合自動(dòng)化功能。將大量國(guó)產(chǎn)普通的SF6斷路器與真空斷路器改造成“智能斷路器”，以代替價(jià)格昂貴的進(jìn)口自動(dòng)重合器。

1 配電網(wǎng)對(duì)重合器的要求
        配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)分為輻射系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)兩種，線路分段加環(huán)網(wǎng)是我國(guó)配電自動(dòng)化的必走之路，自動(dòng)重合器主要用于配電變電所的出線開關(guān)與自動(dòng)配電開關(guān)或分段器相配合實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)自動(dòng)隔離、自動(dòng)恢復(fù)等配電自動(dòng)化功能。有時(shí)也用作饋線的分段開關(guān)，但配合與整定相對(duì)困難一些。
重合器與普通繼電保護(hù)裝置相比較，其不同之處是：
1)要求戶外柱上安裝，運(yùn)行環(huán)境惡劣，可靠性要求更高；
2)具有0～3次自動(dòng)重合功能；
3)具有3條以上快慢特性的反時(shí)限動(dòng)作曲線可以選用；
4)每次分?jǐn)嗫梢杂胁煌目炻匦韵嗯浜希华?
5)典型的“分—T1—合分—T2—合分—T3—合分—復(fù)歸”自動(dòng)工作循環(huán)；
6)自備操作電源與遙控操作功能。
由此可見，配電網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)重合控制器的要求高于普通繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化的功能 。

2 智能重合器硬件結(jié)構(gòu)
智能重合控制器主要由單片微型控制器MCU基本系統(tǒng)及測(cè)控軟件、通訊接口、電力信號(hào)輸入輸出接口3部分構(gòu)成，獨(dú)立完成相應(yīng)的一個(gè)設(shè)備(如一條出線)的全數(shù)字化數(shù)據(jù)測(cè)量、邏輯運(yùn)算、故障判斷、保護(hù)及手動(dòng)操作等功能，并可向上位機(jī)傳送設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與開關(guān)位置以及接收上位機(jī)發(fā)來的設(shè)定值。
2.1 微控制器及擴(kuò)展電路
智能重合器微機(jī)控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2—1所示，圖中MCU選用高性能的Intel 87C196KC-20，這是由于其運(yùn)算速度快(每時(shí)鐘周期0.1μs，運(yùn)行速度為Intel 8098的2～3倍)，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)(HSI、HSO、PTS)，內(nèi)置488B RAM，無寄存器瓶頸，程序可固化于片內(nèi)16KB EPROM(OTP)。另外擴(kuò)展一片串行E2PROM作為運(yùn)行參數(shù)存貯器，一片32KB SRAM存儲(chǔ)濾波數(shù)據(jù)。為記錄故障發(fā)生前后波形，外擴(kuò)一片62256(32KB*8)。MAX197A為單電源(＋5V)、多量程(5V、10V、±5V、±10V)、8路輸入帶內(nèi)部采樣／保持、時(shí)鐘、基準(zhǔn)電壓的信號(hào)采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換時(shí)間6.0μs，整體達(dá)100KPS采樣速率。X25043芯片將Watchdog定時(shí)器、上電復(fù)位控制器與512B E2PROM集成到單個(gè)芯片內(nèi)(DIP 8)。
MAX487E為128路RS-485驅(qū)動(dòng)器。其它部分由ATF 1500可編程邏輯陣列實(shí)現(xiàn)。整個(gè)電路簡(jiǎn)單、使用芯片極少，提高了運(yùn)行的可靠性。該結(jié)構(gòu)為開放式，對(duì)配電網(wǎng)各點(diǎn)的不同要求(如輻射點(diǎn)、環(huán)網(wǎng)點(diǎn)、電流型、電壓型)，不同功能可以通過軟件開關(guān)設(shè)置，智能重合控制器的硬件軟件完全一致，可以互換。
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2.2 信號(hào)輸入電路
輸入信號(hào)有反映開關(guān)狀態(tài)與手動(dòng)操作的開關(guān)量信號(hào)、來自CT與PT的模擬量信號(hào)，前者通過光電耦合器可以很方便地實(shí)現(xiàn)隔離與變換，送入MCU進(jìn)行處理，后者采用交流采樣法。在本智能重合控制器中，采用圖2—2所示電路對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。由于電流測(cè)量與電流保護(hù)信號(hào)取自不同的CT，其精度范圍與精度等級(jí)不同，需采用各自的二次變換器，從不同的A/D通道送入微機(jī)，這樣做既保證了正常測(cè)量時(shí)的精度，又保證故障時(shí)信號(hào)不飽和失真。由于微機(jī)對(duì)所有信號(hào)巡回檢測(cè)，通道之間必然存在延遲，為保證功率計(jì)算準(zhǔn)確，必須保持同一瞬時(shí)的電流電壓值，因此采用4個(gè)采樣／保持器。另外，小電流接地系統(tǒng)中，零序CT電流信號(hào)極小，故從測(cè)量傳感器中輸入并多繞幾圈，可以保證對(duì)毫安級(jí)電流信號(hào)的反映能力 。

2.3 信號(hào)輸出回路
微機(jī)控制單元的輸出信號(hào)主要是跳合閘出口命令，一般是用MCU通過輸出鎖存器控制驅(qū)動(dòng)電路，使相應(yīng)的中間快速繼電器動(dòng)作，實(shí)際應(yīng)用中為防止誤動(dòng)(一般是上電復(fù)位時(shí)和外部電磁場(chǎng)干擾)常用輸出鎖存器的幾位組成特定的密碼啟動(dòng)光電隔離與驅(qū)動(dòng)電路，從而使出口繼電器可靠動(dòng)作。實(shí)用中還要在軟件中設(shè)置強(qiáng)電保護(hù)功能以防止操作機(jī)構(gòu)卡死而引起的開關(guān)跳合閘線圈燒毀以及出口繼電器觸點(diǎn)損壞。
2.4 Watchdog抗干擾電路
為提高控制器的抗干擾能力，電氣電路采用多級(jí)隔離，并設(shè)二級(jí)Watchdog電路。第一級(jí)為MCU內(nèi)置WDT電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動(dòng)恢復(fù)工作。第二級(jí)為X25043提供的外置WDT電路，在第一級(jí)失效時(shí)(尤其是MCU本身已經(jīng)損壞的情況下)強(qiáng)行復(fù)位，并封鎖輸出電路，保證在MCU發(fā)生故障時(shí)開關(guān)不會(huì)誤動(dòng)作。

3 交流采樣算法
3.1 三相交流電路中基本參數(shù)的測(cè)量原理
三相交流電路中，在理論上電壓和電流一般均為有效值的測(cè)量，其計(jì)算公式為
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用微機(jī)進(jìn)行采樣計(jì)算來實(shí)現(xiàn)有效值的測(cè)量，假定每周期采樣次數(shù)為N，電壓離散采樣值為Ui，電流離散采樣值為Ii，則電壓、電流有效值可用以下兩式求得：


3.2 交流采樣算法
智能開關(guān)能否滿足對(duì)保護(hù)裝置選擇性、快速性、靈敏性和可靠性的要求，關(guān)鍵在于其算法的應(yīng)用，即從一系列的離散值中，運(yùn)用某種數(shù)學(xué)運(yùn)算方法得出與采樣時(shí)刻無關(guān)的量，并與整定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而做出跳閘與否的判斷。然而，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，由于非線性鐵磁元件、分布電容及CT、PT過渡過程的影響，故障電流和電壓并非純正弦波，而是含有衰減的非周期分量與高頻分量。以往各種基于純正弦波的算法的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。在低壓系統(tǒng)中，這些誤差對(duì)保護(hù)的影響可用時(shí)限躲過，而高壓系統(tǒng)對(duì)保護(hù)的快速性有嚴(yán)格的要求，工程實(shí)現(xiàn)比較困難。
本文介紹小電流接地系統(tǒng)中用作保護(hù)算法的積分法，其依據(jù)是正弦量的半周絕對(duì)值積分正比于幅值Vm。數(shù)字算法表示為


式中V(i)為第i個(gè)采樣值，N為一周內(nèi)的采樣數(shù)(一般為12或24)，K(α)為比例系數(shù)，與初始采樣點(diǎn)V(0)的角度有關(guān)，此算法僅因初始采樣點(diǎn)不同引起的誤差較大(對(duì)每周24點(diǎn)采樣算法中，初始采樣點(diǎn)引起的誤差約為1%)，但個(gè)別采樣值受干擾后對(duì)總值的影響較小，在半波積分過程中部分諧波相抵消。
電流、電壓和三相有功功率的數(shù)字算法公式為


式中i(k)、u(k)為第k點(diǎn)的電流、電壓采樣值，由上述算法可分別算出IA、IC和UAB、UCB。其它量如cosφ也可據(jù)此推算出。在普通算法中，Q算式通常由P算式導(dǎo)出，而本控制器采用的算法中，Q算式直接由電流、電壓導(dǎo)出，極大地提高了計(jì)算精度，并具有方向性。
由于i、u的檢測(cè)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，上述算法實(shí)質(zhì)上只需16位有符號(hào)整數(shù)的加法與乘法運(yùn)算，因此MCU可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)(對(duì)于每周波24點(diǎn)采樣為0.833ms)完成所有的運(yùn)算 ，如保護(hù)判斷、邏輯運(yùn)算、延時(shí)、通訊等。另外，電網(wǎng)頻率的變化必然使上述算法產(chǎn)生誤差 ，因此系統(tǒng)的采樣頻率不可能固定，必須自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率。

4 結(jié)論
        本智能重合器及其配套的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)已在甘肅、云南、湖南等地配電變電站安全運(yùn)行。特別是與某農(nóng)電開關(guān)廠合作研制的自備操作電源、紅外遙控裝置的智能重合器，現(xiàn)已在江西、湖南等地掛網(wǎng)運(yùn)行，完全取代了進(jìn)口自動(dòng)重合器，為我國(guó)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)改造工程的順利實(shí)施提供一條多快好省的捷徑。