关键词：超高压断路器；智能操作；自适应控制
1 引言
断路器特别是超高压断路器的性能对电网的安全稳定运行至关重要，因此如何改进断路器性能，延长其寿命一直是人们关注的问题，目前常用的方法是开发基于新型灭弧原理的断路器。文［1］提出的断路器智能操作理论为解决上述问题开辟了一种全新思路。智能操作的核心是断路器能够根据其工作条件自动地调整开断性能以实现最优操作。智能操作的实现可以充分挖掘现有超高压断路器的潜力，提高操作的可靠性，延长断路器的寿命，这无疑会具有很高的经济效益。设计和实际运行经验表明，断路器的运动特性对其性能有重要影响［2］，因此通过调整断路器的运动特性可以改变断路器的性能。
智能操作断路器的工作原理详见文［3］。整个操作过程为：自适应控制单元（即智能控制单元）不断从电力系统中采集某些特定信息，据此来判别断路器当前的工作状态，同时处于操作的准备状态。当变电站的主控室因系统故障由继电保护装置发出分闸信号或正常操作向断路器发出操作命令后，控制单元根据一定的算法求得与断路器工作状态对应的操动机构预定的最佳状态，并驱动执行机构将操动机构调整至该状态，从而实现最优操作。显然，自适应控制单元是断路器智能操作实现的核心部件。
本文在文［4］的基础上研制了用于实现断路器智能操作的自适应控制单元，并在模拟线路上进行了实验，结果表明该单元能实现预定功能。需要指出的是，鉴于断路器工作条件和其最优运动特性的关系的复杂性，本文假定该断路器工作条件和其最优分闸速度特性的关系是已知的。
2 智能控制单元的基本功能
（1）自动识别断路器的工作状态 断路器的工作状态的准确识别是实现智能操作的前提。对于超电流、过载电流、小容性电流和小电感性电流等。
（2）自动调整断路器的操动机构 这是控制单元的核心功能。因此控制单元必须在识别断路器工作状态的基础上确定与之相对应的操动机构的调整量。由于本文选择了步进电机作为调控断路器液压操动机构控制阀的执行部件，因此控制单元还应发出步进电机运行所需的控制脉冲并分配给各相绕组，以实现对断路器开断性能的调控。
（3）记录并显示断路器的工作状态 由于断路器在大多数运行时间内是不动作的，在此期间，本单元的任务是对断路器的工作状态应不断地进行监测，同时它还应记录断路器每次开断情况，包括开断电流的大小、开断类型及是否发生拒分或拒合等信息。短路时还应记录短路电流的变化过程，以便于电力部门进行事故分析及断路器的维护。同时，也可通过断路器累积开断电流的大小来表示断路器触头的烧蚀情况。
（4）具有与远端主机进行通信的功能 控制单元可以根据主机的要求将断路器的开断记录传送至上位机，并通过上位机将操作命令及保护参数等配置信息传送过来。
3 智能控制单元的硬件设计
本控制单元是以MCS－51微处理器为核心的微机控制系统，其结构如图1所示。控制单元有两个控制对象：步进电机和断路器。整个单元由5部分组成：
图1 智能控制单元系统框图
（1）单片机最小系统 这是控制单元的核心，主要包括单片机及其复位电路，晶振电路和存储器扩展电路。该系统在对采集到的数据进行分析处理的基础上，根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的分闸特性，完成对断路器分闸特性的调控，同时管理显示单元的工作及单片机与上位机的通信。
（2）信号测量功能模块 该模块的主要任务是检测和识别断路器的工作状态，在不考虑谐波的情况下，除短路电流外，其他情况的电流中均不含暂态分量，差别只在于电流的大小及线路电压与电流之间的相角。因此，只要测量这两个量，就可以确定断路器相应的工作状态。为此本单元设计了以A／D转换器AD574A为核心的数据采集系统及相角检测电路。对于断路器而言所关注的是电压和电流的有效值，由于电压和电流的周期是20ms，而断路器的开断时间一般为几十ms，交流采样的测量方法难以满足断路器调控的需要，为此本单元专门设计了有效值电路，以提高断路器数据采集的实时性。同时为了满足短路时断路器调控的需要，控制单元还应快速检测线路是否发生短路，本单元设计电路的短路检出时间平均为1．5ms，可以满足调控任务的需要。上述电路详见文［4］。
（3）显示模块 显示断路器的合分状态及工作状态。
（4）通信模块 控制单元与上位机的数据传递。
（5）开关量接口模块 它完成输入输出开关信号的隔离变换和传递，使单片机发出的控制信号与被控设备的控制信号相匹配，同时将控制单元从外部采集的开关信号变换为单片机可以接受的信号。
4 智能控制单元的软件设计
4．1 设计思想
由于本智能控制单元直接对断路器进行控制，实时性要求很高，因此对于断路器的调控的处理采用了中断方式，以提高本单元对短路故障的响应速度。同时为防止现场运行时的干扰，在设计软件时采取了一定的抗干扰措施以提高系统的可靠性。
4．2 软件设计
在整个软件系统中，主程序和外部中断服务程序是调控断路器开断特性的核心程序，因此这里仅介绍这两个程序。
主程序首先完成单片机和外围接口芯片的初始化；之后，主程序不断检测并显示断路器的工作状态，随时准备应上位机的要求与之通信，传递有关的控制和状态信息。主程序流程。
断路器开断性能的调控可分为短路开断调控和非短路开断调控。本单元利用了MCS－51的两个外部中断INT0和INT1分别对其进行处理。其中INT0中断在MCS－51提供的所有中断中优先级最高，INT1中断则可利用软件设置使其优先级仅次于INT0中断，因此可以保证控制单元对这两种中断作出快速响应。INT0中断信号的来源为短路检测电路发出的短路信号short，中断信号INT1的来源则为主控室发出的分合闸命令（open和close）。有两个中断服务程序与两个外部中断对应。控制单元在短路情况下对断路器的调控过程与非短路情况基本相同，不同之处在于前者记录电流的变化过程，因此这里只对前者进行介绍。整个调控过程为：当控制单元检测到信号时则进入短路中断服务程序，之后控制单元不断检测断路器是否接收到来自继电保护装置的分闸信号open。如果没有，则记录短路电流；如果接收到，则调用控制量求解模块求得与断路器工作状态相对应的步进电机的转动步数。接着调用步进电机控制模块使断路器调整到预定状态，之后向断路器发出分闸信号Topen。当断路器完成分闸操作后，再次调用步进电机控制模块，使断路器的工作状态恢复到初始值，以免影响合闸操作。除此之外，控制单元还应记录此次开断情况，包括开断电流、线路电压及开断时断路器是否拒分。拒分的判定依据是在控制单元发出分闸命令后，在一定的时间T内断路器的触头分合状态是否发生变化。如果没有变化，则可以确定断路器拒分，反之为开断正常。T的设定值必须大于断路器的全分断时间。断路器开断记录数据保存在缓冲区中。该程序的流程如图3所示。
5 结论
本文研制的用于实现断路器智能操作的智能控制单元及设计的软件和硬件模拟线路的实验表明，它能够根据线路的运行情况发出不同的特定信号，从而可完成对断路器运动特性的调控。这为智能操作断路器的实现奠定了良好的基础。
