李文文，袁瑞銘，都正周，張蓬鶴，薛陽，黃明山

(1．國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京100045;2．河南許繼儀表有限公司，河南許昌461000;3．中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

0 引言

為響應(yīng)我國“階梯電價(jià)”政策推行，滿足智能電網(wǎng)“信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”的管理要求，實(shí)現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)“全采集、全覆蓋、全費(fèi)控”的建設(shè)目標(biāo)，國家電網(wǎng)公司大力推行智能電能表［1-3］。負(fù)荷開關(guān)作為智能電能表的核心部件，是實(shí)現(xiàn)“全費(fèi)控”目標(biāo)的重要保障，主要起到接通電源或斷開電源的作用，并可以使輸入與輸出之間完全隔離、相互間無電的聯(lián)系［4］。但通過統(tǒng)計(jì)分析國網(wǎng)公司運(yùn)行智能電能表故障數(shù)據(jù)，控制單元故障占設(shè)備故障比例超過40%，而控制單元故障主要原因?yàn)殡娔鼙韮?nèi)置負(fù)荷開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕、短路電流下觸點(diǎn)斥開、受外界電磁干擾未正確執(zhí)行跳合閘命令等［5-7］。電能表用負(fù)荷開關(guān)故障一方面會(huì)導(dǎo)致電能表燒毀引發(fā)停電、火災(zāi)和爆炸等安全隱患，另一方面會(huì)給智能電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大威脅。

目前，針對(duì)智能電能表的費(fèi)控機(jī)制僅依靠用戶繳納電費(fèi)情況，未考慮用戶負(fù)載實(shí)際情況，且內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)由于空間限制多數(shù)不具備滅弧措施。當(dāng)負(fù)荷開關(guān)斷開瞬間觸頭通過大電流，極易拉弧而引發(fā)觸點(diǎn)熔焊或燒毀等;當(dāng)負(fù)荷開關(guān)閉合瞬間觸頭承載高電壓，極易因電壓突變產(chǎn)生感應(yīng)電流而引發(fā)觸點(diǎn)電弧［8-10］。因此，亟需開展單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)優(yōu)化控制技術(shù)研究。

1 交流電弧特性分析

交流電流在每個(gè)周期內(nèi)會(huì)有兩次過零點(diǎn)，當(dāng)電流經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，電極間的輸入能量為零，電弧溫度隨之降低。電流正弦曲線在過零前和過零后的一小段時(shí)間內(nèi)，電極之間電阻值變得很大，所以電流的大小會(huì)受其影響。在過零前后的一小段時(shí)間內(nèi)的電流的變化趨勢并不是正弦曲線，而是以其他的規(guī)律變化，電流的大小是電弧電壓和電阻的比值，由于弧隙之間的高電阻值，電流基本為零。因此，為降低智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)斷開、閉合動(dòng)作瞬間觸點(diǎn)電弧，應(yīng)充分利用交流負(fù)載過零特性。

2 內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)優(yōu)化控制研究

2．1 內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作過程分析

單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)動(dòng)態(tài)過程包括閉合和斷開過程，以閉合過程為例分析其動(dòng)作過程，斷開過程分析方法與此相同。閉合過程可分為兩階段:(1)從控制線圈接通電壓到電流增加到閉合觸點(diǎn)為止的過程，電磁吸力小于或等于觸簧反力，雖已施加動(dòng)作脈沖電壓，但銜鐵尚未運(yùn)動(dòng)，稱此階段為閉合延遲過程;(2)隨著線圈電流的增大，電磁吸力逐漸大于觸簧反力，由于吸力大于反力，銜鐵開始運(yùn)動(dòng)，氣隙逐漸減小，直至觸點(diǎn)完全閉合，稱此階段為閉合動(dòng)作過程。參考文獻(xiàn)［11-13］可知內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)線圈電流、電壓動(dòng)態(tài)波形如圖1。閉合延遲過程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為負(fù)荷開關(guān)閉合延遲時(shí)間，對(duì)應(yīng)圖1中t1，同理斷開延遲過程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為負(fù)荷開關(guān)斷開延遲時(shí)間。

圖1 負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作過程波形圖Fig．1 Action process waveform of load switch

2．2 內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作延遲時(shí)間計(jì)算

單相智能電能表用負(fù)荷開關(guān)線圈回路可以等效為如圖2所示電路，其中U為動(dòng)作脈沖電壓，R為線圈回路等效電阻，L為線圈回路等效電感。

圖2 內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)線圈等效電路Fig．2 Coil equivalent circuit of built-in load switch

由等效電路圖可將負(fù)荷開關(guān)閉合特性用下述狀態(tài)方程組表示:

式中IS為線圈的穩(wěn)態(tài)電流;τ為電磁時(shí)間常數(shù)，τ=。

銜鐵一旦動(dòng)作，則有:

可見，線圈通電瞬間到銜鐵動(dòng)作之前，線圈電流呈指數(shù)規(guī)律增長。銜鐵開始運(yùn)動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢使電流逐漸下降，一直到銜鐵終止動(dòng)作為止［14］。

首先，通過高速高精度AD數(shù)據(jù)采集卡測得智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)線圈穩(wěn)態(tài)電流IS。再利用高斯—牛頓法和邁克脫法，通過泰勒展開對(duì)非線性回歸模型進(jìn)行逐次“線性化”［15］，并采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)線性參數(shù)辨識(shí)方法即可求解得到負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作延遲時(shí)間。

2．3 內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)優(yōu)化控制方案

為降低單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作過程觸點(diǎn)燃弧燒蝕，利用交流負(fù)載每周期存在兩個(gè)過零點(diǎn)的特性，通過如下方法控制內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)在交流負(fù)載電流過零時(shí)刻斷開、在交流負(fù)載電壓過零時(shí)刻閉合［16］:

(1)測試并記錄每一只負(fù)荷開關(guān)線圈通電瞬間到銜鐵動(dòng)作之前的線圈電流波形，利用2．2節(jié)方法計(jì)算閉合延遲時(shí)間tcd及斷開延遲時(shí)間tbd，并將該參數(shù)寫入對(duì)應(yīng)的單相智能電能表存儲(chǔ)器內(nèi);

(2)當(dāng)用戶欠費(fèi)達(dá)到跳閘閾值或用戶繳費(fèi)后，單相智能電能表接收到跳閘或合閘指令后，利用交流電壓過零點(diǎn)觸發(fā)電路，檢測負(fù)載交流電壓過零時(shí)刻tu0;

(3)讀取動(dòng)作指令發(fā)出后負(fù)載瞬時(shí)功率因數(shù)cosφ。若內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)接收到斷開指令，則計(jì)算電流過零點(diǎn)時(shí)刻:

ti0'=tu0+arccosφ ×T/2π (5)

若內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)接收到斷開指令，則計(jì)算電流過零點(diǎn)時(shí)刻:

tu0'=tu0+T (6)注:T為工頻交流電周期，0．020 s;

(4)若單相智能電能表接收到斷開命令，則動(dòng)作脈沖輸出時(shí)刻tb為:

tb=ti0'+T+T/2－tbd=t0'+3/2T－tbd(7)

若單相智能電能表接收到閉合指令，則動(dòng)作脈沖輸出時(shí)刻tc為:tc=tu0'+T+T/2－tcd=t0'+3/2T－tcd(8)式(8)增加半周期T/2是為了避免在容性負(fù)載下出現(xiàn)負(fù)延時(shí)。

3 單相智能電能表優(yōu)化設(shè)計(jì)

3．1 硬件控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)優(yōu)化控制方案，硬件控制需具備如下條件:

(1)可檢測交流電源電壓過零時(shí)刻基準(zhǔn)信號(hào);

(2)可準(zhǔn)確讀取功率因數(shù)以及功率象限以確定電流過零點(diǎn)位置;

(3)智能電能表MCU能夠在精確的時(shí)間點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)。

交流電壓過零時(shí)刻基準(zhǔn)信號(hào)的獲取可利用如圖3所示的電路圖實(shí)現(xiàn)［17］。其中，R1～R4為交流信號(hào)采樣輸入限流電阻;D1為半導(dǎo)體二極管，用于半波整流;D2用于防護(hù)光耦輸入端被D1的反向漏電損傷;U1是光電耦合器，用于隔離交流采樣信號(hào);C10用于濾波，避免噪聲信號(hào)影響。在實(shí)際工作過程中，L、N輸入端連接交流電源，交流半波信號(hào)輸出端連接MCU單片機(jī)處理器的輸入I/O。

圖3 交流電壓過零時(shí)刻基準(zhǔn)信號(hào)檢測電路Fig．3 Reference signal detection circuit of AC voltage zero crossing time

3．2 軟件控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

在得到交流電壓過零時(shí)刻基準(zhǔn)點(diǎn)后，為準(zhǔn)確執(zhí)行優(yōu)化控制方案，需由智能電能表MCU芯片讀取計(jì)量芯片的功率因數(shù)、有功方向、無功方向等測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述處理方法進(jìn)行計(jì)算，從而得出交流電流過零點(diǎn)相對(duì)于電壓過零點(diǎn)的偏移量［18］。其中MCU控制流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化控制機(jī)制下電能表MCU控制流程Fig．4 MCU control flow of smart meter under optimal control mechanism

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4．1 優(yōu)化控制方案效果驗(yàn)證

對(duì)單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)施加80 A交流負(fù)載，負(fù)載功率因數(shù)分別選擇1．0、0．5L，利用示波器記錄采用優(yōu)化控制方案下的斷開電流、閉合電壓波形，如圖5、圖6所示。由圖可見，應(yīng)用優(yōu)化控制機(jī)制，可有效控制單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)在交流負(fù)載電流過零時(shí)刻斷開、在交流負(fù)載電壓過零時(shí)刻閉合。

圖5 閉合電壓波形Fig．5 Closing voltage waveform

圖6 斷開電流波形Fig．6 Breaking current waveform

4．2 電壽命對(duì)比試驗(yàn)

選取同一廠家、同一批次18只單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)開展電壽命對(duì)比試驗(yàn)［19］，試驗(yàn)方案見表1。分別記錄測試前、測試后內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。電壽命試驗(yàn)結(jié)束后負(fù)荷開關(guān)對(duì)比照片見圖7。

表1 電壽命對(duì)比試驗(yàn)方案Tab．1 Electrical life comparison test program

表2 電壽命試驗(yàn)前數(shù)據(jù)Tab．2 Data before electrical life test

對(duì)比現(xiàn)隨機(jī)通斷控制方式下的單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)電壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用優(yōu)化控制方案，內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)電壽命試驗(yàn)前后接觸電阻變化率明顯降低，且抗電強(qiáng)度較試驗(yàn)前未發(fā)生變化;試驗(yàn)過程中，未發(fā)生觸點(diǎn)粘接甚至粘死的情況。

如圖7所示，電壽命試驗(yàn)后，采用優(yōu)化控制方案的單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕情況明顯優(yōu)于現(xiàn)有控制方式下的負(fù)荷開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕情況。隨機(jī)控制方式下的負(fù)荷開關(guān)在電壽命試驗(yàn)后觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重，相鄰組件如簧片、推桿等也發(fā)生明顯燒蝕。而采用優(yōu)化控制方式的內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)整體狀況良好，僅在觸頭緊密接觸的表面有所燒損變黑。

圖7 電壽命試驗(yàn)后負(fù)荷開關(guān)Fig．7 Load switch after electrical life test

表3 電壽命試驗(yàn)后數(shù)據(jù)Tab．3 Data after electrical life test

同時(shí)，由實(shí)測數(shù)據(jù)證明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源恒定時(shí)，單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作時(shí)間一致性較好，可控制在±1ms以內(nèi)。而在實(shí)際應(yīng)用過程中，優(yōu)化控制方案并非將動(dòng)作時(shí)間絕對(duì)控制在電壓或電流過零時(shí)刻點(diǎn)，而只需將其控制在過零時(shí)刻點(diǎn)附近即可，這樣負(fù)荷開關(guān)閉合或斷開瞬間，電壓或電流值較低，觸點(diǎn)燒蝕損傷大大降低。

5 結(jié)束語

分析了單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作過程，提出了綜合考慮“全費(fèi)控”功能實(shí)現(xiàn)、負(fù)載電流、負(fù)載性質(zhì)等因素的電能表用負(fù)荷開關(guān)優(yōu)化控制機(jī)制，通過測試采用優(yōu)化控制機(jī)制后單相智能電能表內(nèi)置負(fù)荷開關(guān)使用電壽命顯著提升，有效降低了負(fù)荷開關(guān)觸點(diǎn)燃弧，減少了智能電能表運(yùn)行故障，為智能電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。