基于注入信号法的TSC式消弧线圈控制器

王海欧，马秀林，叶俊，陈行晓

（1.浙江省电力公司检修分公司，杭州311232；2.台州电业局，浙江台州317000）

基于注入信号法的TSC式消弧线圈控制器

王海欧1，马秀林2，叶俊1，陈行晓1

（1.浙江省电力公司检修分公司，杭州311232；2.台州电业局，浙江台州317000）

晶闸管投切电容式消弧线圈因具有调节快速可靠等优点得到广泛采用，而准确测量配电网的电容电流是对消弧线圈进行控制的前提。注入信号法主要通过测量配电网谐振频率从而达到对电容电流的准确测量，避免了对消弧线圈进行频繁调节，给出了TSC式消弧线圈控制器的系统设计。

TSC式消弧线圈；注入信号；控制器；扫频法

6～35 kV配电网选择中性点接地方式是一个综合性的技术问题，与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地装置有密切的关系。中性点经消弧线圈接地方式[1]由于能够对电网发生单相接地故障时的电容电流进行补偿，并且可以保证供电的连续性，把故障造成的危害减少到最低，所以在实际中得到广泛的应用。

基于晶闸管投切电容[2]（TSC，thyristor series capacitors）补偿概念提出的TSC式消弧线圈及其接地装置，调谐速度快、调节范围宽，而且线性调节可靠性高，提高了电网运行的安全性和供电质量。

1 TSC消弧线圈

TSC式消弧线圈由带二次绕组的消弧线圈和多组不同容量的TSC构成。控制晶闸管选择不同容量的电容器组投入，实现消弧线圈等值电抗的变化。而且，晶闸管选择在接近零电压时投入电容器，零电流时切除电容器，避免投切时的过电压和合闸涌流问题，同时也大大减小了系统功耗。

TSC式消弧线圈原理如图1所示。T1，T2，T3，T4（可根据需要增加或减少电容器组）工作在2种状态：全导通或者全关断。的容量按照20∶21∶22∶23来配置，分别为改变的导通和关断状态，可接入24种组合的二次电容值。根据变压器阻抗变换原理，则消弧线圈一次就可以实现24级电流等差调节。

图1 TSC式消弧线圈原理

在配电网发生单相接地故障时，控制器根据配电网对地容抗，控制T1，T2，T3，T4晶闸管的导通和关断组合确定消弧线圈的等值感抗，以降低接地点残流，实现灭弧功能。在配电网由故障恢复正常运行时，控制器根据中性点位移电压的下降和三相母线电压的上升过程判定故障消除，退出故障状态，这时所有的晶闸管不导通，消弧线圈等值感抗最小，接地装置工作在最大过补偿状态。

2 消弧线圈控制器硬件部分设计

控制器是以数字信号处理（DSP）为核心处理器[3]，多个中央处理器（CPU）共同协作，可将控制器划分为3个部分：

（1）以DSP为处理器的数据处理部分，包括模拟/数字（A/D）采样、开关量输入/出、控制器局域网络（CAN）通信等，这个部分也是控制器的主要部分。通过对三相母线电压、中性点电压、中性点电流以及各出线零序电流的A/D采样，将模拟量转化成数字量提供给DSP进行处理，通过硬件电路来实现频率跟踪，CAN总线实现遥信。

（2）以51系列单片机为核心的人机接口部分，主要包括232/485接口、通用串行总线（USB）接口、日历时钟、键盘和显示接口以及开关量的输出等。

（3）以AD公司生产的带8位可编程微控制单元（MCU）的数据采集系统芯片ADuC831作为注入信号部分的主处理器，利用注入信号法来测量系统的电容电流。系统结构原理如图2所示。

图2 系统结构原理

TSC式消弧线圈可实现“随调”方式，当电网正常运行时，消弧线圈运行在远离谐振点的最大过补偿状态，自动装置实时跟踪监测电网电容电流的变化，并确定补偿档位所对应的触发字。当电网发生单相接地故障时，启动故障中断服务程序，通过CAN总线送出预先确定的消弧线圈补偿档位所对应的触发字，由安装在消弧线圈侧的触发电路触发导通相应的晶闸管，消弧线圈自动补偿接地电容电流。程序实时跟踪电网状态，判断故障消除后，消弧线圈恢复最大过补状态运行，退出故障中断服务程序。

3 电容电流的测量

以单相金属接地测量法为代表的直接测量电容电流方法测量精度较高，但由于其操作复杂繁琐，在实际中应用比较少；而目前在实际中应用较多的位移电压曲线法、三点法和阻抗三角法等，都是利用电网的不平衡进行电容电流测量。针对目前电缆线路的不断增多，电网不平衡度降低，通过改变电网的平衡，利用注入信号法测量电容电流[4-5]技术越来越受到重视。

注入信号又包括分频注入法和扫频注入法，分频注入法是利用电路的伏安特性，通过方程求解得到电容电流大小，其优点是装置的设计相对较为简单，测量速度快，但是受系统影响较大，测量准确性不高；而扫频注入法是利用了电路的频率特性，不受系统运行变化的影响，测量准确性高，缺点是扫频时间较长，对于随调式的自动调谐系统，跟踪补偿的时间相对较长。

为满足电容电流测量精度的要求，采用扫频注入法[6]来实现电容电流的测量，测量简化电路如图3所示，其简化的等值电路如图4所示。

图3 测量电容电流的简化电路

图4 测量电容电流的等值电路

式中：ω0为系统谐振角频率；L为电感值；C为电容值。

系统单相金属性接地故障时的电容电流为：

式中：ω为系统角频率；U为系统相电压。

此时的脱谐度为：

式中：f为系统频率50 Hz；f0为谐振频率。

可见，只要能测量出谐振频率f0，就可求出υ。而且TSC式消弧线圈的电感电流IL可以通过读取档位来得到，则可以求出电容电流IC：

由式（4）可知，只要已知消弧线圈电感值和配电网对地电容值的谐振频率f0，即可算得系统对地电容电流。

在此设计的变频信号源由整流电路、滤波和隔离栅双极晶体管（IGBT）组成，如图5所示，产生一个幅值不变、频率随时间变化的方波信号。

图5 扫频信号源

通过IGBT驱动保护电路控制IGBT1和IGBT4与IGBT2和IGBT3交替导通，将直流逆变为周期等于交替导通周期的方波信号。使注入信号的频率从30 Hz开始，以0.1 Hz的步长递增至70 Hz，同时比较Iinj和Uinj的相位，当相位同相时，此时即为谐振点，从而得到系统的谐振频率f0，继而可以计算得到电容电流IC。Iinj可以通过测量采样电阻R1两端电压U1来得出。

在这里采用扫频注入信号法进行测量电路的设计。该电路主要由扫频信号电源、隔离滤波电路以及50 Hz工频陷波电路组成。扫频信号电源的主要作用是提供一个频率连续变化的注入信号；由于电网中存在各种谐波和工频干扰，必须对输入信号进行高、低通滤波和50 Hz工频陷波处理。其中该电路中的CPU采用AD公司的ADuC831。

ADuC831是一个完全综合的247k采样保持数据采集系统，在同一片中结合了高性能的自校准12位ADC 8路通道，双12位DAC通道和可编程8位MCU，还提供片内4kB非易失性闪速/电擦除数据存储器、256B RAM和2kB扩展RAM。ADuC831支持C语言编程，程序设计简便且具有I2C、串行外围设备接口（SPI）串行I/O口，方便与DSP进行通信，其结构框图如图6所示。

图6 电容电流测量原理图

图7 扫频等效电路

为了去除对测量工作的干扰信号，采用美国Burr-Bromn公司生产的UAF42通用有源滤波器设计了工频陷波电路。关于陷波电路的设计，可以登录TI公司网站下载UAF42专门的设计软件FILTER42来进行设计，只要根据基本电路的要求将参数输入，该软件就可计算出所需元件的值并且可以仿真滤波器的输出结果。如所要设计的陷波频率为50 Hz，软件计算用的参数设定为：陷波频率fN为50 Hz，阻带带宽BW为10 Hz，阶数为2，输入方式为同相输入。最后计算结果如表1所示，其具体电路如图8所示。

表1 UAF42工频陷波电路参数

图8 陷波电路

4 控制器软件设计

DSP侧主程序结构如图9所示。首先对计数初值及定时常数进行初始化，然后进入故障检测，若检测到系统发生了单相接地故障，则调用查表程序，从补偿特性数据中找出最近一次测量系统电容电流值所需的晶闸管控制字，使消弧线圈输出相应的感性电流，同时发出报警信号并显示补偿电流的大小。在此期间不断检测故障判断信号，直到系统恢复正常运行后，调节消弧线圈电感量脱离谐振点，利用最大的脱谐度抑制配电网的中性点位移电压。

图9 软件结构框图

5 结语

给出了一种以DSP为核心处理器的TSC式消弧线圈控制器，并引入注入信号法来测量系统电容电流，避免了对消弧线圈的频繁调节。由于DSP的高速计算能力，提高了控制器的运算速度和实时处理能力，能满足接地故障选线要求。

[1]要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京∶中国电力出版社，2000.

[2]项维奇.论中性点经自动跟踪消弧线圈接地系统技术[J].供用电，2000，23（2）∶25－26.

[3]刘和平，高苏州，李纯，等.基于DSP的新型消弧线圈接地系统控制器[J].电力自动化设备，2004，24（6）∶75－77.

[4]曾祥君，尹项根，于永源，等.基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护方法[J].中国电机工程学报，2000，20（1）∶29－32.

[5]赵正军，姜新宇.信号注入法在配电网电容电流测量中的研究[J].广东电力，2004，17（6）∶25-28.

[6]李玲玲，郭卉，蒋栋，等.基于扫频法的谐振接地配电网运行状态监测[J].仪器仪表学报，2002，23（3）∶238－241.

（本文编辑：杨勇）

Controller of Thyristor Switched Capacitor Arc Suppression Coil Based on Signal Injection Method

WANG Hai-ou，MA Xiu-lin
（Taizhou Electric Power Bureau，Taizhou Zhejiang 317000，China）

The arc suppression coil of thyristor switched capacitor（TSC）featured by rapid adjustment and reliability is widely used.Accurate measurement of the capacitance current in the distribution network is the prerequisite to controlling arc suppression coil.It is achieved in the signal injection method by measuring the resonant frequency in the distribution network with no need of adjusting arc suppression coil frequently，the systematic design of the TSC arc suppression coil controller is provided.

TSC arc suppression coil；signal injection；controller；frequency sweeping method

TM475

：B

：1007-1881（2012）09-0013-04

2012-02-13

王海欧(1982-)，男，安徽巢湖人，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护。