隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)和智能控制理論的迅速發(fā)展及其在電器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人們提出了電器智能化的概念。斷路器的是電力系統(tǒng)終端設(shè)備之一,其智能化水平對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和智能化程度將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前,斷路器智能化的研究領(lǐng)域,除了對(duì)電氣參數(shù)遙測(cè),對(duì)電網(wǎng)故障的保護(hù)、信息的遠(yuǎn)傳及斷路器自身的狀態(tài)監(jiān)控和遙控之外,斷路器的同步控制技術(shù)也是一個(gè)重要而前沿的課題。
　　電力系統(tǒng)中的斷路器在分?jǐn)嗪完P(guān)合電力設(shè)備的瞬時(shí),系統(tǒng)電壓和電流的初相角通常是隨機(jī)的和不確定的,故而會(huì)產(chǎn)生過電壓和涌流。同步關(guān)合技術(shù)是指斷路器動(dòng)、靜觸頭在控制系統(tǒng)的控制下,在系統(tǒng)電壓波形的指定相角處關(guān)合,使得空載變壓器、電容器和空載線路等電力設(shè)備在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊小的情況下投入電力系統(tǒng)的智能控制技術(shù)。采用同步關(guān)合可減小暫態(tài)過程中的涌流的幅值和對(duì)系統(tǒng)電壓的擾動(dòng),由操作過電壓決定的電力設(shè)備絕緣水平可大幅度降低,因操作引起設(shè)備(包括斷路器本身)的損壞也可大大減少,既限制了涌流和過電壓,又省去了預(yù)置合閘電阻,提高了系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。而永磁機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)為斷路器同步關(guān)合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)又提供了很好的物質(zhì)基礎(chǔ)。圖1和圖2分別描述斷路器隨機(jī)關(guān)合空載變壓器和同步關(guān)合空載變壓器的仿真分析 。

　　由關(guān)合仿真波形可以看出,隨機(jī)合閘變壓器所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流峰值是高壓側(cè)額定電流的幾倍,而同步關(guān)合變壓器所產(chǎn)生的勵(lì)磁電流趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流。結(jié)果表明,采用斷路器同步關(guān)合技術(shù),合閘后各相磁通按照系統(tǒng)電壓變化規(guī)律進(jìn)入穩(wěn)態(tài),可避免鐵心磁通飽和,達(dá)到了消除勵(lì)磁涌流的目的。
　　1、真空斷路器同步關(guān)合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
　　由斷路器同步關(guān)合和同步分?jǐn)嗟膭?dòng)作過程可知,整個(gè)斷路器的同步動(dòng)作過程由斷路器的分合閘操動(dòng)時(shí)間( To 和Tc )和移相延時(shí)時(shí)間Td 組成。其中,斷路器的分閘時(shí)間To 和合閘時(shí)間Tc 是由斷路器及操動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的機(jī)構(gòu)和電氣參數(shù)決定的,在一定的溫度和電壓條件下為一對(duì)定值。因此,為了保證斷路器能在電壓電流的指定相角處關(guān)合或斷開,必須調(diào)整相位延時(shí)時(shí)間Td。所以,同步控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是電壓電流信號(hào)過零點(diǎn)的檢測(cè), To、Tc 和Td 的計(jì)算。
　　1.1、電壓電流信號(hào)過零點(diǎn)的提取
　　電力系統(tǒng)在故障起始瞬間,電壓和電流信號(hào)中含有衰減的直流分量、高次諧波成分和白噪聲干擾,為了能在信號(hào)波形的指定相角處控制斷路器動(dòng)作,電網(wǎng)基波電壓和電流零點(diǎn)提取是關(guān)鍵,一般在零點(diǎn)提取中采用硬件過零比較器實(shí)現(xiàn),但由于受比較器的失調(diào)電壓、交流信號(hào)中的諧波和白噪聲的影響,實(shí)際基波的零點(diǎn)和提取的零點(diǎn)誤差較大。為了消除高頻干擾,需對(duì)控制系統(tǒng)的交流輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。與模擬濾波相比,數(shù)字濾波有很多的優(yōu)點(diǎn),不僅可滿足濾波器對(duì)幅度和相位特性的要求,還可避免難以克服的電壓漂移,溫度漂移和噪聲等問題。為了減少這些因素對(duì)零點(diǎn)提取的影響,本文采用F IR數(shù)字濾波器進(jìn)行信號(hào)處理,根據(jù)F IR濾波器輸出信號(hào)的零點(diǎn),采用線性插值獲得參考電壓信號(hào)的過零時(shí)刻。本文選用hamming窗函數(shù)法設(shè)計(jì),具有良好的頻譜分辨率。取濾波器階數(shù)N = 62,帶寬wn = [ 45,55 ] Hz,采樣頻率fs=1600 Hz,通過Matlab 的Signal Processing工具箱可設(shè)計(jì)出良好的濾波器,FIR帶通濾波器的頻率響應(yīng)特性曲線如圖3 所示,所設(shè)計(jì)的濾波器具有嚴(yán)格的線性相位關(guān)系和良好的幅頻特性,滿足參考零點(diǎn)檢測(cè)的精度要求。當(dāng)濾波器輸出y ( n+1)和y ( n)異號(hào)時(shí),由線性插值可求得零點(diǎn)時(shí)刻:式中: t0 為電流或電壓過零點(diǎn)時(shí)刻; tn 為第n個(gè)數(shù)據(jù)y ( n)的采樣時(shí)刻; Ts 為采樣周期。

　　設(shè)ui 為帶諧波白噪聲的原始輸入信號(hào), uf 為基波信號(hào), 調(diào)用上述濾波器系數(shù), 由Matlab仿真可得出濾波輸出信號(hào)uo , 仿真結(jié)果如圖4 所示。FIR濾波器成功濾除了輸入信號(hào)中的高次諧波與白噪聲,幅值與基波一致,相位滯后180°,這說明FIR輸出零點(diǎn)與參考電壓零點(diǎn)時(shí)刻一一對(duì)應(yīng) ,可很好地提取電壓電流零點(diǎn)信號(hào)。

　　1. 2、分合閘時(shí)間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模及仿真
　　目前,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型是一種無反饋多層前向網(wǎng)絡(luò)2BP網(wǎng)絡(luò)和其變換形式,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常具有多層結(jié)構(gòu),除了輸入層和輸出層,中間部分稱為隱含層。為簡化BP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和減少網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間,采用3層BP網(wǎng)絡(luò)。
　　本文所研究的合閘時(shí)間與環(huán)境溫度、控制電壓的關(guān)系是一種復(fù)雜的、非線性的映射關(guān)系,同時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)中還可能含有外界電磁干擾等噪聲,很難用數(shù)學(xué)解析的方法建立模型。因此,利用BP網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力和良好的泛化能力,對(duì)合閘時(shí)間與環(huán)境溫度、控制電壓的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)建模。下面是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的具體步驟。
　　首先確定兩層BP網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)輸入(即環(huán)境溫度與控制電壓) 、一個(gè)雙曲正切S型隱層和一個(gè)線性輸出層(輸出合閘時(shí)間) ,輸入層和輸出層的神經(jīng)元數(shù)