本发明涉及配有电磁操动机构的相控断路器，尤其是涉及一种减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法。
背景技术：
电力系统中的配电磁机构相控断路器在关合和开断电路瞬间，系统电压和电流相位通常是随机的。因此，配电磁机构相控断路器在关合并联电容器组、电抗器、空载变压器以及空载线路时常会产生幅值、频率很高的涌流和过电压。这不仅对断路器自身和电力系统其他一次设备的性能带来负面影响而且也会降低用户电能质量和系统可靠性。一种能有效抑制断路器操作暂态特性的措施是同步断路器技术，同步技术是根据线路电压或电流相位来合理控制断路器的合分时刻，最终目的是使得断路器在目标相位角进行分合闸。为了达到该目的就要求断路器本身每次的分合闸时间要保持稳定,分合闸时间分散性越小越好。中低压断路器常见有两种操动机构：弹簧操动机构和电磁操动机构，弹簧机构结构复杂，零部件多，传动过程多变，导致弹簧操动机构的分合闸时间分散性较大，不适合应用于同步控制技术中。而电磁操动机构由于结构简单，稳定性较好，多用于同步控制技术中。
实现同步操作的方案主要是在断路器每次进行操作时，控制系统利用人工神经网络等人工智能技术预测出当前条件下电磁机构的动作时间，通过对来自温度、控制电压、老化等影响分、合闸操作时间的因素进行补偿，并实时计算出断路器执行单元的触发延时，从而控制断路器在期望的电压、电流相角处动作，实现同步操作。该技术方案需要一个前提条件：即大量实际已运行的数据来辅助，且通过对来自温度、控制电压、老化等影响分、合闸操作时间的因素进行补偿的方法通常是根据经验进行补偿，难于精确补偿，效果差。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种可精确补偿的减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法，其特征是包括以下步骤：
s1.在相控断路器所配电磁操动机构的动作部件上设置位移传感器，并在电磁操动机构的放电线圈上设置霍尔传感器，所述的位移传感器和霍尔传感器分别连接至一控制系统；
s2.在相控断路器的分合闸过程的励磁阶段，以所配电磁操动机构的放电线圈的电流大小为拟合对象，通过控制系统控制放电线圈的电流大小，使得每次分合闸过程中励磁阶段的放电线圈的电流大小都保持一直；
s3.在相控断路器分合闸过程的位移阶段，以所配电磁操动机构的动作部件的位移信息为拟合对象，保持每一时间节点下的动作部件-动触头或绝缘拉杆的位置信息一一对应。
所述的动作部件为动触头或绝缘拉杆。
所述的相控断路器包扩真空灭弧室、电磁操动机构和控制系统，真空灭弧室内设有静触头和动触头，动触头通过绝缘拉杆与真空灭弧室外的电磁操动结构不经过杠杆和其它传动元件地直接连接，控制系统通过控制外部储能电容器向电磁操动机构的放电线圈进行放电，且控制系统一直对电容器进行浮充，以达到驱动电磁操动机构的动作部件运动，从而带动绝缘拉杆上下运动，实现分合闸。
所述的以电磁操动机构中放电线圈电流的大小为拟合对象的拟合步骤以断路器合闸为例：
1)得到符合技术要求的合闸运动曲线：通过控制系统采用pwm的方式调节放电线圈的电流大小，对断路器进行合闸，得到符合技术要求的合闸速度和合闸时间；同时，通过位移传感器和霍尔传感器得到合闸过程的符合技术要求的动作部件位移曲线(也即合闸运动曲线)和放电线圈的电流曲线；
2)选取步骤(1)中最优的合闸运动曲线：通过控制系统调整pwm的占空比，从而控制放电线圈电流大小，进行不同电流大小下的合闸运动，选取最优合闸运动曲线和放电线圈电流曲线-合闸弹跳最小；合闸过程消耗的电压最少；以此曲线作为基准；
3)外部储能电容器对线圈电流放电的模型为外部储能电容器的两端串联有线圈电感和线圈电阻(如图2所示)，设pwm的占空比设置为一致。
这是由于线圈电感和电阻变化都较小可以忽略不计，而控制系统一直对电容器进行浮充，因此电容器电压基本不会发生变化，且电容器容量大小在电容器不发生损坏的前提下基本保持不变。因此，最终影响线圈电流大小的为pwm的占空比。为保障每次合闸时励磁阶段线圈电流大小的一致，可将pwm的占空比设置为一致。
合闸运动曲线就是动作部件位移运动曲线，每次合闸都能够得到一条动作部件位移和放电线圈电流曲线且两者是一一对应的。如果选定了某一合闸运动曲线作为标准，也就是选定了该动作部件位移曲线对应的放电线圈电流曲线。
断路器进行分合闸操作，就是进行闭合和打开的操作，分合闸的过程就是电磁机构的运动过程，也就是绝缘拉杆上下运动的过程。断路器合闸过程，也就是电磁机构带动绝缘拉杆往上运动。
最优曲线标准：合闸速度及时间符合技术要求；合闸弹跳最小；合闸过程消耗的电压最少。
所述的以动作部件的位移信息为拟合对象的拟合步骤如下：
1)在前述步骤中电流拟合时得到的最优合闸运动曲线，同时，也即得到合闸过程的动作部件的最优位移曲线，以此最优位移曲线作为基准；
2)在运动阶段以动作部件最优位移曲线作为拟合对象进行跟踪：由于在合闸过程中实时对动作部件的位置进行监测，根据实时监测到的位置信号对比基准位移曲线，如果位置信号小于基准位移曲线则通过控制系统增大线圈电流，从而提高合闸速度，增大位移；反之则减小电流；最终达到动作部件位移曲线跟踪的目的，使得合闸整个运动过程动作部件位移曲线保持一致，最终使得合闸时间保持一致。
本发明采用电流和位移双拟合法，以分合闸过程中动触头的位移和放电线圈中的电流大小为拟合对象，最终达到断路器每次分合闸时，整个运动过程的行程曲线是一致的，即可保障断路器每次的分合闸时间保持不变。
断路器的分合闸动作时间主要受控制电压、环境温度、闲置时间及机械老化等因素影响。传统的同步开关技术主要采用补偿控制方法减少控制电压、环境温度、机械老化等外界因素对断路器动作时间变化的影响。即根据每次动作时刻的控制电压、环境温度、闲置时间及机械老化等因素影响的变化量，考虑以上因素综合影响计算出一个补偿时间，将该补偿时间作为断路器分合闸时间的一部分，以达到整体分合闸时间不变。比如：当环境温度降低5℃时，根据补偿法得到断路器此刻的分合闸时间将增加3ms，则将该3ms当作补偿时间，作用断路器分合闸时间的一部分，以保证整个分合闸时间不变。这种方法主要存在以下几个缺陷：
1、依赖大量已运行的数据，根据经验数据对各个影响因素进行补偿；
2、当影响因子的变化量超过历史数据时，补偿方法的精度难于保证；
3、需要建立数据库，存放历史数据；分析各影响因子的权重。
相对于传统的补偿控制方法，有相关文献提出采用电流跟踪法，即在电磁机构的分合闸过程中拟合线圈电流大小，保证每次分合闸过程中线圈电流大小保持基本一致。但该方法存在以下缺陷：在断路器分合闸过程中电磁机构中的分合闸线圈电流大小只能代表机构的出力，该方案只能保证机构每次运动过程中出力是一致的，而当环境温度、机械老化等因素使得断路器运动阻尼发生变化时，如果出力保持不变，阻力发生变化，则会导致分合闸运动速度发生变化，使分合闸时间发生变化。
本发明的发明点可概括为：
1、将断路器的整个分合闸过程分为两个阶段：励磁阶段和运动阶段；
2、在电磁机构的励磁阶段由于位移行程还未发生变化，采用电流拟合法；在运动阶段，机构的运动部件已经发生了位移变化，采用位移拟合法。
电磁机构设置了位移传感器和霍尔电流传感器，实时监测断路器分合闸过程中线圈电流和位置行程的变化。
使用场景：用于高压交流相控断路器，实现断路器同步关合和分断，抑制断路器操作过程中产生的暂态特性。
有益效果：传统补偿法需要做大量的研究试验，以研究控制电压、环境温度、闲置时间及机械老化等影响因子对分合闸时间的影响，包括单个因子，多个因子和全部因子对分合闸时间的影响，以建立一个全面的数据分析库；同时该数据库需要考虑的影响因子应尽可能全面，每个因子的变化范围尽可能大，以覆盖全因子全量程。采用电流拟合法存在先天性的缺陷，无法弥补断路器本身运动阻尼的变化。因此本发明相对于以上两种方案具有简单、可靠性高、可实施性好等优点。
本方案的优势：
1、对比于传统的补偿法，本发明不依赖于大量经验数据，不需对各影响因子进行研究，分析各影响因子所占权重比例等；
相对于电流拟合法，本发明能够很好的消除断路器运动阻尼变化带来的影响，减少其对分合闸时间的影响，保障分合闸时间稳定。
针对电磁机构的同步断路器技术通常采用补偿法来实现，即使是基于电流拟合法也存在一定缺陷。本发明基于电流和位移双拟合的控制方法，来保持断路器分合闸时间的稳定。
附图说明
图1为本发明的实施例结构示意图；
图2为本发明的实施例电磁机构放电线圈放电模型；
图3为本发明的实施例合闸过程的放电线圈电流和动作部件位移变化图。
图中附图标记指代：
1-真空灭弧室，11-静触头，12-动触头，2-电磁操动机构，3-控制系统，4-绝缘拉杆，5-位移传感器，6-霍尔传感器，7-放电线圈。
具体实施方式
参见图1，为本发明的减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法实施例所用到的相控断路器结构示意图。相控断路器包扩：真空灭弧室1、电磁操动机构2和控制系统3，真空灭弧室内设有静触头11和动触头12，动触头12通过绝缘拉杆4与真空灭弧室外的电磁操动机构2不经过杠杆和其它传动元件地直接连接，控制系统3通过控制外部储能电容器向电磁操动机构放电线圈7进行放电，以达到驱动电磁操动机构运动部件运动，从而带动绝缘拉杆上下运动，实现分合闸。
本发明的方法实施例包括以下步骤：
s1.在相控断路器所配电磁操动机构的绝缘拉杆4上设置位移传感器5、在电磁操动机构2的放电线圈7上设置霍尔传感器6，位移传感器5和霍尔传感器6分别连接控制系统3；
s2.在相控断路器的分合闸过程的励磁阶段，以放电线圈电流的大小为拟合对象，通过控制系统来控制放电线圈电流大小，使得每次分合闸过程中励磁阶段的放电线圈电流大小都保持一直；
s3.在相控断路器分合闸过程的位移阶段，以绝缘拉杆的位移信息为拟合对象，保持每一时间节点下的绝缘拉杆的位置信息一一对映。
高压交流相控断路器的分合闸采用电容器给电磁机构线圈放电来实现，由控制系统采用pwm的方式来控制电容器向线圈放电，控制线圈电流大小，线圈中电流增大则电磁机构出力增大，分合闸速度加快，分合闸时间变短；如果线圈中电流减小则电磁机构出力减小，分合闸速度减小，时间变长；高压交流相控断路器在分合闸的过程中通过电流霍尔传感器和位移传感器对线圈电流大小和位置信息进行实时监测并传输至控制系统。
所述的以电磁操动机构中放电线圈电流的大小为拟合对象的拟合步骤以断路器合闸为例：
(1)得到符合技术要求的合闸运动曲线：通过控制系统采用pwm的方式调节线圈电流大小，对断路器进行合闸，得到符合技术要求的合闸速度和合闸时间；同时，通过位移传感器和霍尔传感器可以得到合闸过程的位移曲线和电流曲线。
(2)选取步骤(1)中最优的合闸运动曲线：通过控制系统调整pwm的占空比，从而控制线圈电流大小，进行不同电流大小下的合闸运动，选取最优合闸运动曲线和电流曲线，以此曲线作为基准。
(3)将断路器合闸过程分为励磁阶段和运动阶段：将合闸运动过程分为励磁阶段和运动阶段，励磁阶段线圈电流会发生变化，位移不变；运动阶段位移会发生变化。
在励磁阶段以线圈电流大小作为拟合对象进行跟踪：电容器对线圈电流放电的模型如图2所示，线圈电流大小取决于：线圈电感、线圈电阻，电容器电压，电容器容量大小以及pwm的占空比。线圈电感和电阻变化都较小可以忽略不计，而控制系统一直对电容器进行浮充，因此电容器电压基本不会发生变化，且电容器容量大小在电容器不发生损坏的前提下基本保持不变，因此，最终影响线圈电流大小的为pwm的占空比；为保障每次合闸时励磁阶段线圈电流大小的一致，可将pwm的占空比设置为一致。
所述的以绝缘拉杆的位移信息为拟合对象，具体的拟合步骤如下：
(1)将位移传感器安装在绝缘拉杆上，在合闸过程中对绝缘拉杆的位置信息进行实时在线监测。
(2)在第一大步骤中电流拟合的时候已经得到了最优的合闸运动曲线，同时，也得到合闸过程的最优位移曲线，以此位移曲线作为基准。
(1)将断路器合闸过程分为励磁阶段和运动阶段：将合闸运动过程分为励磁阶段和运动阶段，运动阶段位移会发生变化。
(2)在运动阶段以绝缘拉杆位移曲线作为拟合对象进行跟踪：由于在合闸过程中实时对绝缘拉杆的位置进行监测，根据实时监测到的位置信号对比基准位移曲线，如果位置信号小于基准位移曲线则通过控制系统增大线圈电流，从而提高合闸速度，增大位移；反之则减小电流；最终达到位移曲线跟踪的目的，使得合闸整个运动过程位移曲线保持一致，最终使得合闸时间保持一致。
当断路器进行分合闸操作时，电磁操动机构线圈中的电流开始发生变化，随之绝缘拉杆开始带动真空灭弧室的动触头运动，最终达到分合闸目的。霍尔传感器和位置传感器将过程中线圈电流大小和绝缘拉杆位置信息实时传输给控制系统，控制系统根据本发明提出的控制算法(即是上面说的电流和位置跟踪法)对同步断路器进行控制。
本发明将断路器的分合闸过程分为两个阶段：励磁阶段和运动阶段；在励磁阶段，绝缘拉杆位置还未发生变化，位移信号保持不变，但电磁操动机构线圈中的电流已经发生了很大变化；在运动阶段，绝缘拉杆的位置开始发生变化，位移信号不断变化。如图3所示为断路器合闸过程的电流和位移变化图，断路器由分闸位运动到合闸位，可以看出在励磁阶段电流急剧增大，但位移信号保持不变，而在运动阶段位移和电流信号都会不断变化。
为了保障断路器每次分合闸时间的稳定，也即是分合闸时间的分散性，摆脱传统补偿法对经验数据的依赖，并且需要大量测试、投运前调试工作、工程实践等、补偿效果较差。将分合闸过程分为两个阶段后，在第一个励磁阶段，由于位移信息未发生变化，以电磁操动机构中线圈电流的大小为拟合对象，通过控制系统来控制线圈中的电流大小，使得每次分合闸过程中励磁阶段的线圈电流大小都保持一直；在第二个运动阶段，位移信息已发生变化，以绝缘拉杆的位移信息为拟合对象，保持每一时间节点下的位置信息一一对映，而不是继续以电流信息为拟合对象，以避免当运动阻尼发生变化时，由于出力的不变从而带来的分合速度和时间的变化。
1.一种减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法，其特征是包括以下步骤：
s1.在相控断路器所配电磁操动机构的动作部件上设置位移传感器，并在电磁操动机构的放电线圈上设置霍尔传感器，所述的位移传感器和霍尔传感器分别连接至一控制系统；
s2.在相控断路器的分合闸过程的励磁阶段，以所配电磁操动机构的放电线圈的电流大小为拟合对象，通过控制系统控制放电线圈的电流大小，使得每次分合闸过程中励磁阶段的放电线圈的电流大小都保持一直；
s3.在相控断路器分合闸过程的位移阶段，以所配电磁操动机构的动作部件的位移信息为拟合对象，保持每一时间节点下的动作部件-动触头或绝缘拉杆的位置信息一一对应。
2.根据权利要求1所述的减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法，其特征是：所述的动作部件为动触头或绝缘拉杆。
3.根据权利要求1所述的减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法，其特征是：所述的相控断路器包扩真空灭弧室、电磁操动机构和控制系统，真空灭弧室内设有静触头和动触头，动触头通过绝缘拉杆与真空灭弧室外的电磁操动结构不经过杠杆和其它传动元件地直接连接。
4.根据权利要求1所述的减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法，其特征是：所述的以电磁操动机构中放电线圈电流的大小为拟合对象的拟合步骤以断路器合闸为例：
(1)得到符合技术要求的合闸运动曲线：通过控制系统采用pwm的方式调节放电线圈的电流大小，对断路器进行合闸，得到符合技术要求的合闸速度和合闸时间；同时，通过位移传感器和霍尔传感器得到合闸过程的符合技术要求的动作部件位移曲线-合闸运动曲线和放电线圈的电流曲线；
(2)选取步骤(1)中最优的合闸运动曲线：通过控制系统调整pwm的占空比，从而控制放电线圈电流大小，进行不同电流大小下的合闸运动，选取最优合闸运动曲线和放电线圈电流曲线-合闸弹跳最小；合闸过程消耗的电压最少；以此曲线作为基准；
(3)外部储能电容器对线圈电流放电的模型为外部储能电容器的两端串联有线圈电感和线圈电阻，设pwm的占空比设置为一致。
5.根据权利要求1所述的减小配电磁操动机构相控断路器分合闸时间分散性的方法，其特征是：所述的以动作部件的位移信息为拟合对象的拟合步骤如下：
(1)在前述步骤中电流拟合时得到的最优合闸运动曲线，同时，也即得到合闸过程的动作部件的最优位移曲线，以此最优位移曲线作为基准；
(2)在运动阶段以动作部件最优位移曲线作为拟合对象进行跟踪：由于在合闸过程中实时对动作部件的位置进行监测，根据实时监测到的位置信号对比基准位移曲线，如果位置信号小于基准位移曲线则通过控制系统增大线圈电流，从而提高合闸速度，增大位移；反之则减小电流；最终达到动作部件位移曲线跟踪的目的，使得合闸整个运动过程动作部件位移曲线保持一致，最终使得合闸时间保持一致。
技术总结