PI控制的故障电弧电流还原装置设计_吴万海.pdf

第 51 卷 第 1 期2023 年 2 月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol 51 No 1Feb 2023DOI:107631/issn1000224322138文章编号:10002243(2023)01006207PI 控制的故障电弧电流还原装置设计吴万海1，许志红1，2，3(1 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350108;2 福建省新能源发电与电能变换重点实验室，福建 福州350108;3 智能配电网装备福建省高校工程研究中心，福建 福州350108)摘要:针对故障电弧保护电器动作特性测试的试验周期长、效率低等问题，设计了基于 PI 控制的电弧电流还原装置 通过搭建 Multisim 与 LabVIEW 联合仿真环境对电流还原装置的硬件电路进行仿真，以此验证方案的可行性 同时调试硬件装置进行试验验证，对比原始信号与还原信号的时域、频域特征参数和 THD 值作为电流还原度指标 试验结果表明，电弧电流还原整体还原度良好，该装置基于原始电弧故障数据给电弧故障检测算法和 AFDD 产品测试提供了更加真实和便利的测试条件关键词:故障电弧;PI 控制;电流还原;波形特征值中图分类号:TM5012文献标识码:ADesign of arc faultcurrent reduction device based on PI controlWU Wanhai1，XU Zhihong1，2，3(1 College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China;2 Fujian Province Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Fuzhou，Fujian 350108，China;3 Fujian Province University Engineering esearch Center of Smart Distribution Grid Equipment，Fuzhou，Fujian 350108，China)Abstract:Aiming at the problems of long test period and low efficiency of arc fault protection deviceaction characteristic test，an arc current reduction device based on PI control is designed The hard-ware circuit of the current reduction device is simulated by building the Multisim and LabVIEWco-simulation environment to verify the feasibility of the scheme At the same time，the hardwaredevice is debugged for experimental verification，and the time domain，frequency domain characteristicparameters and THD value of the original signal and the restored signal are compared as the currentrestoration degree index The test results show that the overall reduction degree of arc current reductionis good Based on the original arc fault data，the device provides more realistic and convenient testconditions for arc fault detection algorithms and AFDD product testingKeywords:arc fault;proportional integral control;current restoration;waveform eigenvalue0引言据公安部消防局统计数据显示，2020 年电气火灾占全国火灾比例为 36%，而由线路绝缘层破损、老化和接触不良引起的故障电弧，是导致电气火灾的主要原因1 传统的过流、过载断路器和短路保护装置等可以有效检测过电流、漏电和短路故障并作出相应的保护策略，但不能准确应对电弧故障2 为了提高故障电弧防护能力，近年来故障电弧保护电器(arc fault detection device，AFDD)的研制备受关注 AFDD能够识别线路中的故障电弧，当线路中出现故障电弧信号时，切断供电电源以达到保护电路的作用3 欧美地区对于 AFDD 研究时间较早，目前已研制出成熟的产品并大规模应用 AFDD 在欧美地区的广泛应用和实践表明，该保护装置能够对电弧故障进行有效防护，降低电气火灾发生的风险4 适合国内电力环境收稿日期:20220406通信作者:许志红(1963)，教授，博士生导师，主要从事电器及其智能化技术研究，641936593 qqcom基金项目:福建省科技创新领军人才项目(038000387024);福建省科技厅高校产学合作项目(2021Y4002)第 1 期吴万海，等:PI 控制的故障电弧电流还原装置设计http:/xbzrbfzueducn的 AFDD 产品相继出现，但在电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求(GB/T 311432014)5 规定的AFDD 动作特性测试中，这些产品出现漏判情况，未能通过全部测试内容为了改进 AFDD 性能，需要不断对 AFDD 进行软件检测算法及硬件电路的调整 实现这一过程需要产生实际线路中出现故障电弧电流，该电流通入承载 AFDD 的线路中，校验其识别故障电弧的能力 目前，电弧故障电流的产生主要有以下两种方法 一种是搭建故障电弧测试平台，利用物理装置如电弧发生器、碳化装置等在线路中产生故障电弧67 标准 GB/T 31143 规定的试验项目种类繁多，每个项目又划分许多子项目5 试验过程中制品的准备、电极的清理及试验的可重复性低下，致使整个 AFDD 测试试验过程周期长，消耗大量的人力物力 另一种是通过模拟故障电弧电流的变化，从而达到模拟线路中出现故障电弧的电路状态 文献 8 通过上位机选取典型故障电弧信号，电弧电压信号和电弧电流信号分别经过电压放大电路和跨导放大电路后，对 AFDD 进行测试 文献 9 通过 FPGA 和数模转换产生预存的故障电弧电流信号，经 AB 类功率放大电路放大电流信号，将功率放大后的故障电弧电流输入至 AFDD 回路中 文献 10 使用任意波形发生器生成预记录的电弧故障波形，将此信号传送到故障电弧检测器的电流互感器，测试故障电弧检测器的断开电路时间 这种方式输出电弧电流功率有限，未能真实反映实际中的电弧电流 文献 1112 利用任意波形发生器与功率放大器输出故障电弧电流波形的方法对 AFDD 进行性能测试 虽然实现了电弧电流功率放大，但精密的功率放大器和任意波形发生器占地面积大且成本高，不利于工程推广 专利 1314 发明了基于电子负载的电弧故障断路器测试仪，但上述专利中功率器件均工作在开关状态，不可避免引入高频噪声，且所模拟的故障电弧电流信号种类单一结合电力电子技术设计了 PI(proportional integral)控制的故障电弧电流还原装置 搭建 Multisim 与LabVIEW 联合仿真环境进行电流还原装置硬件电路仿真，验证方案的可行性，并进行硬件电路调试，选取常用的电弧电流信号特征作为电流还原度指标 测试结果表明，该装置可以对多种负载电弧电流进行还原，且电流还原吻合度较好，可为 AFDD 的动作特性测试及故障电弧检测算法提供电弧电流，加速 AFDD产品研发1故障电弧电流还原装置11还原装置整体设计标准中规定的故障电弧保护电器(AFDD)测试电路5，如图 1(a)所示，故障电弧发生装置可以为碳化装置或电弧发生器，在承载 AFDD 的线路产生故障电弧，对 AFDD 进行性能测试 根据等效替代定理，如果图 1(b)中 ab 端右半部分的电压、电流与图 1(a)中 ab 端右半部分的电压、电流相等时，则两电路等效 电子负载是一种利用电子器件来模拟真实负载工作的电子装置，其通过控制功率器件如 MOSFET 或IGBT 的导通程度，进而改变流通功率器件的电流大小，达到定量模拟不同负载的功能15 基于电子负载思路设计故障电弧电流还原装置，其控制量是电流波形，还原图 1(a)中 ab 端右半部分的电流 故障电弧电流还原装置整体框图如图 1(b)所示 由图 1(b)可知，故障电弧电流还原装置基于故障电弧波形数据库，原始电弧波形控制着电流还原模块的驱动电路，电流还原模块输出的电流量经过反馈电路进一步修正驱动电路，实现闭环实时跟踪给定信号，实现故障电弧电流还原图 1故障电弧电流还原等效图Fig1Equivalent diagram of fault arc current restoration12还原装置硬件电路设计电子负载按能量的分配和去处不同可分为能耗型和能馈型两类 能耗型电子负载通过功率器件消耗36福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn能量的方式调制线路中的电流分量，具有动态特性高、负载分辨率高和性能可靠的特点 本研究设计的能耗型故障电弧电流还原单元如图 2 所示 交流电源一方面为 AFDD 提供电源，另一方面经过整流桥 D1后作为电子负载的直流电源 为了减小 MOSFET 管子两端压降，降低管子功耗，在整流桥的输出端接负载电阻 L 输入信号与取样电阻 f上的反馈电压信号进行比较，当流入功率器件的电流增大时，反馈电压增大，当反向输入端电压 V大于同向输入端电压 V+，运放输出低电平，MOS 管 Q1关断，功率器件输出电流减小;反之，当流入功率器件的电流减少时，反馈电压减小，当反向输入电压 V小于输入端电压 V+时，运放输出高电平，MOS 管 Q1导通，功率器件输出电流增加 最终实现 V+=V，从而得到稳定的负载电流，负载电流计算公式为 ID=Uarc/f 这里取样电阻 f选择为高精度无感低温漂电阻，阻值为 1，可得Uarc=ID，实现了输入信号的电流等比例功率放大 运算放大器 U1及周围阻容元件 2、4和 C1组成 PI 控制器，该控制器传递函数 G(s)如下式G(s)=1+s2C1s4C1=24+1s4C1=KP+1sKI(1)其中:比例系数 KP为 2/4，积分系数 KI为 4C1 MOS 管电流过大时，热稳定性大幅度下降，且 MOS-FET 的转移特性曲线随着工作温度的升高而升高 为了达到较高电流输出，将多个 MOSFET 进行并联扩流，如图 3 所示图 2故障电弧电流还原单元Fig2Arc fault current restoration unit图 3多单元并联的电弧电流还原电路Fig3Multi-unit parallel arc current reduction circuit2还原装置硬件电路仿真分析21联合仿真设置为了验证故障电弧电流波形还原电路设计，通过 Multisim 与 LabVIEW 建立联合仿真环境进行验证首先在 Multisim 中搭建电流还原电路，并封装成一个个子模块，每个子模块保留两个对外的接口，如图 4所示，LabVIEW 控件与仿真循环模块配置如图 5 所示图 4Multisim 电路配