自動重合器是實現(xiàn)配電網(wǎng)電動化的重要設(shè)備。我國從80年代末開始引進國外的自動重合器，90年代開始仿制。目前國內(nèi)應(yīng)用最多的主要有3種類型，即英國Relly公司的ESR型集成電路控制重合器，英國Brush公司的PMR型微機控制重合器，美國Cooper公司的KFE型集成電路控制重合器。所有進口自動重合器的開關(guān)本體均采用高壓合閘線圈，直接從10 kV線路獲取合閘電源，延時、安秒特性為液壓方式。由于生產(chǎn)設(shè)備與工藝方面的問題，我國一直受到高壓合閘線圈與液壓部件的國產(chǎn)化與維修工作的困擾，因此仿制的重合器都沒有采用高壓合閘線圈與液壓部件，大多采用集成電路或8位微機控制電路。 
         本文介紹的戶外柱上型智能重合控制器，擯棄了仿制進口自動重合器的電子控制電路的老路，而是以工業(yè)級16位微控制器Intel 87C196KC-20以及CPLD器件為主，采用先進的頻率自適應(yīng)同步快速交流采樣算法(每周波24點)、高性能現(xiàn)場通訊技術(shù)及智能控制技術(shù)，集測量、控制、保護、通訊、遠(yuǎn)動和自生電源裝置、紅外遙控裝置于一體，完全實現(xiàn)了自動重合器的各項功能，并具有自動重合器所不具備的在線檢測、診斷與綜合自動化功能。將大量國產(chǎn)普通的SF6斷路器與真空斷路器改造成“智能斷路器”，以代替價格昂貴的進口自動重合器。

1 配電網(wǎng)對重合器的要求
        配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)分為輻射系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)兩種，線路分段加環(huán)網(wǎng)是我國配電自動化的必走之路，自動重合器主要用于配電變電所的出線開關(guān)與自動配電開關(guān)或分段器相配合實現(xiàn)故障點自動隔離、自動恢復(fù)等配電自動化功能。有時也用作饋線的分段開關(guān)，但配合與整定相對困難一些。
重合器與普通繼電保護裝置相比較，其不同之處是：
1)要求戶外柱上安裝，運行環(huán)境惡劣，可靠性要求更高；
2)具有0～3次自動重合功能；
3)具有3條以上快慢特性的反時限動作曲線可以選用；
4)每次分?jǐn)嗫梢杂胁煌目炻匦韵嗯浜?；?
5)典型的“分—T1—合分—T2—合分—T3—合分—復(fù)歸”自動工作循環(huán)；
6)自備操作電源與遙控操作功能。
由此可見，配電網(wǎng)自動化對重合控制器的要求高于普通繼電保護和綜合自動化的功能 。

2 智能重合器硬件結(jié)構(gòu)
智能重合控制器主要由單片微型控制器MCU基本系統(tǒng)及測控軟件、通訊接口、電力信號輸入輸出接口3部分構(gòu)成，獨立完成相應(yīng)的一個設(shè)備(如一條出線)的全數(shù)字化數(shù)據(jù)測量、邏輯運算、故障判斷、保護及手動操作等功能，并可向上位機傳送設(shè)備運行數(shù)據(jù)與開關(guān)位置以及接收上位機發(fā)來的設(shè)定值。
2.1 微控制器及擴展電路
智能重合器微機控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2—1所示，圖中MCU選用高性能的Intel 87C196KC-20，這是由于其運算速度快(每時鐘周期0.1μs，運行速度為Intel 8098的2～3倍)，實時處理能力強(HSI、HSO、PTS)，內(nèi)置488B RAM，無寄存器瓶頸，程序可固化于片內(nèi)16KB EPROM(OTP)。另外擴展一片串行E2PROM作為運行參數(shù)存貯器，一片32KB SRAM存儲濾波數(shù)據(jù)。為記錄故障發(fā)生前后波形，外擴一片62256(32KB*8)。MAX197A為單電源(＋5V)、多量程(5V、10V、±5V、±10V)、8路輸入帶內(nèi)部采樣／保持、時鐘、基準(zhǔn)電壓的信號采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換時間6.0μs，整體達100KPS采樣速率。X25043芯片將Watchdog定時器、上電復(fù)位控制器與512B E2PROM集成到單個芯片內(nèi)(DIP 8)。
MAX487E為128路RS-485驅(qū)動器。其它部分由ATF 1500可編程邏輯陣列實現(xiàn)。整個電路簡單、使用芯片極少，提高了運行的可靠性。該結(jié)構(gòu)為開放式，對配電網(wǎng)各點的不同要求(如輻射點、環(huán)網(wǎng)點、電流型、電壓型)，不同功能可以通過軟件開關(guān)設(shè)置，智能重合控制器的硬件軟件完全一致，可以互換。
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2.2 信號輸入電路
輸入信號有反映開關(guān)狀態(tài)與手動操作的開關(guān)量信號、來自CT與PT的模擬量信號，前者通過光電耦合器可以很方便地實現(xiàn)隔離與變換，送入MCU進行處理，后者采用交流采樣法。在本智能重合控制器中，采用圖2—2所示電路對有關(guān)參數(shù)進行檢測。由于電流測量與電流保護信號取自不同的CT，其精度范圍與精度等級不同，需采用各自的二次變換器，從不同的A/D通道送入微機，這樣做既保證了正常測量時的精度，又保證故障時信號不飽和失真。由于微機對所有信號巡回檢測，通道之間必然存在延遲，為保證功率計算準(zhǔn)確，必須保持同一瞬時的電流電壓值，因此采用4個采樣／保持器。另外，小電流接地系統(tǒng)中，零序CT電流信號極小，故從測量傳感器中輸入并多繞幾圈，可以保證對毫安級電流信號的反映能力 。

2.3 信號輸出回路
微機控制單元的輸出信號主要是跳合閘出口命令，一般是用MCU通過輸出鎖存器控制驅(qū)動電路，使相應(yīng)的中間快速繼電器動作，實際應(yīng)用中為防止誤動(一般是上電復(fù)位時和外部電磁場干擾)常用輸出鎖存器的幾位組成特定的密碼啟動光電隔離與驅(qū)動電路，從而使出口繼電器可靠動作。實用中還要在軟件中設(shè)置強電保護功能以防止操作機構(gòu)卡死而引起的開關(guān)跳合閘線圈燒毀以及出口繼電器觸點損壞。
2.4 Watchdog抗干擾電路
為提高控制器的抗干擾能力，電氣電路采用多級隔離，并設(shè)二級Watchdog電路。第一級為MCU內(nèi)置WDT電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動恢復(fù)工作。第二級為X25043提供的外置WDT電路，在第一級失效時(尤其是MCU本身已經(jīng)損壞的情況下)強行復(fù)位，并封鎖輸出電路，保證在MCU發(fā)生故障時開關(guān)不會誤動作。

3 交流采樣算法
3.1 三相交流電路中基本參數(shù)的測量原理
三相交流電路中，在理論上電壓和電流一般均為有效值的測量，其計算公式為
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用微機進行采樣計算來實現(xiàn)有效值的測量，假定每周期采樣次數(shù)為N，電壓離散采樣值為Ui，電流離散采樣值為Ii，則電壓、電流有效值可用以下兩式求得：


3.2 交流采樣算法
智能開關(guān)能否滿足對保護裝置選擇性、快速性、靈敏性和可靠性的要求，關(guān)鍵在于其算法的應(yīng)用，即從一系列的離散值中，運用某種數(shù)學(xué)運算方法得出與采樣時刻無關(guān)的量，并與整定值進行比較，再進行邏輯運算，從而做出跳閘與否的判斷。然而，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于非線性鐵磁元件、分布電容及CT、PT過渡過程的影響，故障電流和電壓并非純正弦波，而是含有衰減的非周期分量與高頻分量。以往各種基于純正弦波的算法的結(jié)果會產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。在低壓系統(tǒng)中，這些誤差對保護的影響可用時限躲過，而高壓系統(tǒng)對保護的快速性有嚴(yán)格的要求，工程實現(xiàn)比較困難。
本文介紹小電流接地系統(tǒng)中用作保護算法的積分法，其依據(jù)是正弦量的半周絕對值積分正比于幅值Vm。數(shù)字算法表示為


式中V(i)為第i個采樣值，N為一周內(nèi)的采樣數(shù)(一般為12或24)，K(α)為比例系數(shù)，與初始采樣點V(0)的角度有關(guān)，此算法僅因初始采樣點不同引起的誤差較大(對每周24點采樣算法中，初始采樣點引起的誤差約為1%)，但個別采樣值受干擾后對總值的影響較小，在半波積分過程中部分諧波相抵消。
電流、電壓和三相有功功率的數(shù)字算法公式為
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式中i(k)、u(k)為第k點的電流、電壓采樣值，由上述算法可分別算出IA、IC和UAB、UCB。其它量如cosφ也可據(jù)此推算出。在普通算法中，Q算式通常由P算式導(dǎo)出，而本控制器采用的算法中，Q算式直接由電流、電壓導(dǎo)出，極大地提高了計算精度，并具有方向性。
由于i、u的檢測采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，上述算法實質(zhì)上只需16位有符號整數(shù)的加法與乘法運算，因此MCU可以在一個采樣周期內(nèi)(對于每周波24點采樣為0.833ms)完成所有的運算 ，如保護判斷、邏輯運算、延時、通訊等。另外，電網(wǎng)頻率的變化必然使上述算法產(chǎn)生誤差 ，因此系統(tǒng)的采樣頻率不可能固定，必須自動跟蹤電網(wǎng)頻率。

4 結(jié)論
        本智能重合器及其配套的綜合自動化系統(tǒng)已在甘肅、云南、湖南等地配電變電站安全運行。特別是與某農(nóng)電開關(guān)廠合作研制的自備操作電源、紅外遙控裝置的智能重合器，現(xiàn)已在江西、湖南等地掛網(wǎng)運行，完全取代了進口自動重合器，為我國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)改造工程的順利實施提供一條多快好省的捷徑。