本发明涉及一种用于控制配电与/或输电网中的电开关装置例如 断路器、隔离开关、自动开关等的打开和闭合的控制装置和方法。

更具体地说，本发明涉及一种能够实时地调节输入给启动器的控 制参数，从而使由启动器启动的开关装置的运动部件能够按照所需的 运动法则而运动的控制装置。

如同众所周知的，开关装置的操作是和例如由控制板或由保护逻 辑发出的控制信号有关地执行的，具体地说，这信号被发送给启动 器，所述启动器使和其相连的开关装置执行相应的打开或闭合的操 作。

在用于这一目的的现有技术的一般为机械型的启动器中，按照不 可调的运动法则的操作不能控制启动器施加到开关装置上的力。因 此，启动器的行为被定义为“二进制”的，即施加的力或者是0，或 者是最大。这通常使启动器和为其供能的能量存储系统的尺寸过大， 以便在开关装置的操作寿命期间对付各种可能的使用条件：用这种方 式，在大多数情况下，开关装置被提供给比其实际操作所需的能量较 多的能量，这对系统的能量效率具有不利影响，并且由于在操作结束 时的撞击而加于开关装置上的高的机械应力使得耗散的能量增加，并 降低了系统的整个可靠性。此外，利用这些启动器，一旦被启动，便 不能停止已经开始的操作，这妨碍改善电网中的电路断路器的协同操 作：例如，对于已经启动其操作的电路断路器，如果检测到用于排除 故障的下游电路断路器已跳闸，所述已经启动其操作的电路断路器不 能撤销其已经开始的操作，这将阻止其断开或切断电力系统的无故障 部分的电源，并无故遮断和其相连的负载。值得注意的一个方面在 于，使用这种具有不可调的运动法则的启动器，所获得的断开或闭合 操作(同时对所有三相)一般对电参数中的相位而言是异步的，即它 们和电网没有任何时间关系。这在大多数情况下由于在闭合期间的预 放电现象和在断开期间的反复放电现象而使得在电网中产生瞬变。具 体地说，根据电网中的负载的类型，在非最佳时刻进行的操作可以引 起具有比电网中的电参数的额定值高的幅值的高频振荡现象，例如， 电流值甚至可以增加比额定电流值高几个数量级的幅值。这些瞬变显 然使电网受到巨大的应力，并可能减少和电网相连的设备的预期寿 命。此外，在任何情况下，都将导致开关装置本身的触点的较大的磨 损，因而减少其使用寿命。

在现有技术中，为了使开关装置和使用该开关装置的电网同步操 作，以便限制上述的问题，已经提出了一些解决办法。应当强调，断 开与/或闭合操作在下述条件下可以认为是同步的：相对于负载的类 型和其与电网连接的方式，相对于负载类型和其在电网中的连接方式 设置一个理想的跳闸时刻，例如对于电容负载为零电压，对于抗性负 载为峰值电压出现的时刻，操作结束的时刻落在理想时刻附近的同步 时间窗之内。此时，获得的瞬变是相当低的。

所提出的解决办法之一在美国专利5119260中说明了，该专利针 对的问题只是关于在电流自然过零的预定时刻同步断开电感负载，用 这种方式避开过电压。在所述专利中，提供了用于操作的时刻，该时 刻是在一个或几个先前的操作中测量的，以便把断开操作保持在同步 时间窗内。为了考虑操作时间不是常数而是按照环境温度和断开线圈 的温度而变化这个事实，使用合适的传感器把这些温度提供给控制 器。具体地说，控制器配备有一个能够计算操作时间对于温度测量值 的变化特性的系统。此外，为了考虑操作时间对于两次相继操作之间 经过的时间间隔而可能发生的变化，控制器还接收这一时间间隔的测 量值，并使用这一测量值利用一个特定的预定函数校正预计的操作时 间。然后，根据在先前的操作期间观察的行为和认为有影响的参数， 例如温度和在两次相继操作之间经过的时间，计算预计为0的控制时 间。

因此，这一解决办法假定精确地知道所述装置对于上述变量的电 气与机械行为。这些行为是由在被认为能够代表类似的开关产品的试 样装置的试验相中进行的特性测量得到的。

这种解决办法的主要限制在于所能够得到的特定电路断路器的 行为的精度。具体地说，考虑在操作寿命期间所可能经受的应力的不 同，因而，考虑影响操作时间的机械与电气磨损，得到的这些行为的 精度受到限制。

此外，使用实时地计算实际操作时间的处理器，关于预定操作时 间，只有在操作本身结束时才可以计算出现的误差，因而在其执行期 间，不能进行任何形式的校正。因为要被提供的校正是相对于先前的 操作计算的，不能保证在下一次操作时也满足同步条件。

最后，要强调的事实是，所述装置的发明人没有考虑在故障情况 下的断开操作，因而没有考虑在短路电流的瞬变期间的断开操作。在 美国专利5361184中提出了另一种解决办法，其针对的问题和断路器 或隔离设备在断开和闭合状态下的控制有关，其中对于闭合取0电压 时刻为最佳时刻，而对于断开则取0电流的时刻为最佳时刻。具体地 说，在所述的装置中，在每个操作期间记录所用的实际操作时间。此 外，该装置配备有用于检测瞬变的装置，以便估计操作是否同步。如 果不同步，该装置产生一个用于校正预定操作时间的信号用于下一次 操作并获得同步操作。此外，一种合适的环境补偿系统使得可以进行 进一步校正，其中考虑了温度和大气压力对预定操作时间的影响。

因此上述解决办法的主要限制在于，所述装置依赖于电路断路器 与/或隔离开关对于环境因素所产生的行为的已知情况。此外，跟随 先前操作的结果而进行的操作时间的自适应校正可能导致振荡，并且 不能确保达到同步。最后，在闭合时取0电压，在断开时取0电流作 为进行操作的最佳时间，这限制了所述装置的应用，例如，这完全不 适用于接通电感负载。

利用这种解决办法，由所选择的和电网信号的同步方式可能引起 进一步的误差，所述信号或者使用电压基准，并从被认为是常数的相 角测量确定电流基准，或者由一次测量确定通过零电压的时刻，其中 假定电网是对称的因而操作延迟120度电角度。这种检测基准时刻 (0)的方法由于在存在瞬变分量的情况下，更一般地说，由于具有 谐波或非对称分量的电网参数，畸变的电压而使系统成为无效的，因 此不适用于同步断开故障。

因此得出结论，虽然上述的解决办法在特定情况下能够部分地解 决问题，但是，不能保证在实际时间上达到同步，即使采用自适应控 制，也不能对处于进展中的操作起作用，而只是引入对下一次操作具 有一定效果的计算的校正，这不能被完全地控制。因此，它们基本上 是开环的控制系统，其中使用反馈使控制环形成闭环，其时间响应比 单个的操作长得多，使得其完全是无效的。

本发明的主要任务是提供一种用于断开/闭合电开关装置的控制 装置，其能够实时地调节输入给启动器的参数，以便控制其在每一个 操作时刻施加的力，这使得由启动器启动的开关装置的运动部件遵守 所需的运动法则。作为这个任务的一部分，本发明的一个目的在于提 供一种用于断开与/或闭合开关装置的控制装置，其能够使启动器作 用在三相系统的一个极上，从而对于电力系统整体而言，能够以最佳 的方式进行操作，在故障的情况下，启动一个启动器，从而只操作有 故障的一相，而不继续操作无故障的相，从而确保供电的连续性和可 靠性。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，其能够保证要被进行的操作的重复性，并保证对于选择 的不同类型的遮断技术其进行的操作是最佳的。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，其能够减少在操作中使用的能量，因而能够优化启动器 的尺寸和能量存储系统的尺寸，由此而带来经济利益。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，其能够在最初状态和最终状态控制启动器的运动，使得 例如能够遮断开关装置，减少在撞击时耗散的能量，或者协调一个电 路断路器和其它下游断路器的操作，撤销不再需要的已经启动的操 作，确保供电的连续性。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，其可以控制所述开关装置的运动部件的操作时间，并根 据电网的电参数的状态，对各个相进行同步操作，而不管从控制屏或 保护逻辑发出的指令时刻。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，其简单的改型能够在不同类型的电网和负载条件下使操 作和电网的波形同步，该装置在使用上具有大的灵活性，尤其是在切 断故障期间能够实现同步，从而大大降低电气磨损。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，通过实时地控制启动器-开关装置的运动法则，可以消 除电网中的电压和电流瞬变，或者至少最大程度地限制这些瞬变，因 而减少电气元件的绝缘系统上的异常应力以及电动应力和热应力。

本发明的另一个目的在于提供一种用于断开与/或闭合开关装置 的控制装置，其使得能够获得和电网的波形相同步的操作，使得增加 电网的可靠性，同时增加电网中的开关装置的电气和机械寿命。

本发明的另一个但不是最后一个目的在于提供一种用于断开与/ 或闭合开关装置的控制装置，其具有高的可靠性，并且制造简单，成 本低廉。

这一任务，连同上述的和其它以后将会更加清楚的目的是由一种 用于断开/闭合配电与/或输电网中的电开关装置，例如电路断路器、 隔离开关、自动开关等的控制装置实现的，其特征在于，所述控制装 置包括：

具有可调运动法则的启动器；

处理和控制单元，其接收操作指令，并向启动器发送控制信号， 所述控制信号是相对于下列因素被处理的：

-预定的正常行为；

-关于所述开关装置的运动部件的位置、速度和加速度的直接的 或间接的信息；

-相对于正常行为，关于整个启动器-运动链-开关装置控制的 系统的变化的信息；

以便实现所述运动部件的所需的运动法则。

上述任务，连同上述的和其它的目的还由一种用于断开/闭合配 电与/或输电网中的电开关装置，例如电路断路器、隔离开关、自动 开关等的控制方法实现的，其特征在于，所述控制方法包括以下步 骤：

a)向一个具有可调运动法则的启动器发出控制信号；

b)直接地或间接地获取关于由可调的启动器操作的所述开关的 运动部件的运动或速度或加速度的信息，并处理控制信号；

c)以这样的方式根据所述控制信号调制施加于启动器的能量 流，使得调整启动器施加于运动链-开关装置系统上的力，并获得所 述运动部件的所需的运动法则。

本发明的其它特征和优点由下面结合附图进行的优选实施例的 说明将看得更加清楚，这些实施例只作为例子，并不构成对本发明的 限制，其中：

图1是本发明的控制装置的总体方块图；

图2是本发明的控制装置的一个实施例的详细方块图；

图3是用于本发明的装置中的控制装置和变换装置的详细方块 图；

图4是本发明的装置的优选实施例的详细方块图；

图5是在正常操作条件下电压相位对时间的曲线；

图6是在存在瞬变的情况下电流的相位对时间的曲线；

参见图1和图2，按照本发明的装置包括由标号100表示的处理 和控制单元，其在输入端接收由控制板或保护逻辑输入的操作指令 1，并在输出端向启动器2发出控制信号3。在本发明的装置的一个 实施例中，所使用的启动器有利地按照可调的运动法则进行操作，用 这种方式，由启动器通过和其相连的运动链5施加到开关装置4上的 力是可以调节的，并且通过使用下面将要详细说明的方法，能够相对 于不同的应用要求，提供一种被精确控制的启动器-运动链-开关装 置系统200。

具体地说，涉及的启动器是电磁启动器，是申请号为 EP97203501.8-2302的欧洲专利申请的主题，应当理解其说明，并被 包括在本专利申请中作为参考。参考所述的启动器仅仅是为了说明而 已，在本发明的装置中可以使用任何具有可调运动法则的启动器，例 如气动启动器。

如所述图中所示，控制装置包括反馈装置6，用于根据直接或间 接的测量，计算和启动器相连的开关装置的运动部分的位置。具体地 说，这些装置6可以包括位置检测器，用于检测被控系统200的任一 点的运动，并发出相应的信号7，该信号向处理和控制单元100的控 制装置10实时地指示开关装置的动触点的位置；此外，可以使用速 度或加速度检测器，用于检测系统200的任一点的速度或加速度，并 向装置10发出关于运动部件的速度或加速度的相应信息7。这种检 测器，不管其是位置检测器，或者是速度或加速度检测器，都可以被 设置在运动链5或开关装置4的任何一点，以便适用于特定用途与/ 或需要。

在另一个实施例中，关于运动部件的位置的信息可以使用受控系 统200的数学模型而不使用检测器(无检测器系统)被提供给控制装 置10，这种模型构成单元100的一部分，在其输入端接收作为启动 器的控制参数的函数的信号，在这种情况下，控制参数是施加于线圈 的电源电压和电流，并向控制装置10实时地提供指示开关装置的动 触点的计算位置的信号。如果使用的启动器是气动型的，控制参数可 以是所用的可压缩流体的压力和体积。

控制装置10在其输入端接收操作指令1和实时地表示开关装置 的动触点的位置或速度或加速度的直接信号或间接信号7，并在输出 端向转换装置20发出相应的控制信号19。

具体地说，在图3说明的本发明的这种装置中，控制装置10包 括计算装置11，其在输入端接收信号7，并借助于合适的积分/微分 运算，并在其输出端对开环的控制装置12和闭环的控制装置13发出 表示在那一时刻的动触点的运动法则的信号14。因而信号14构成开 关装置的可动部件从运动的初始时刻到测量时刻的的运动方式的信 息。开环控制装置11比较表示动触点的实际运动法则的信号14和预 定的运动法则，并在输出端向闭环控制装置13和比较器装置15发出 相应的参考信号16。具体地说，这预定的运动法则相应于整个启动 器-运动链-开关系统的预定的正常特性。

闭环控制装置13比较表示实际的运动法则的信号14和参考信号 16，并在输出端向比较装置15发出相应的校正信号18。比较装置15 在其输出端向转换装置20发出和在其输入端接收的校正信号18以及 参考信号16相关的控制信号19。

在所述的实施例中，转换装置20包括用于启动器的电源装置 21，其可以是电池或者电容器；此外，在启动器不是电磁式的但仍是 可控的情况下，例如气动启动器，可以使用可压缩的流体增压室提供 这一储能装置。

此外，转换装置20还包括调制装置22，用于调制由电源装置21 提供给启动器的能量流；这些调制装置通过按照控制信号19调制启 动器本身的电源电流与/或电源电压调整由装置21提供给启动器的 能量流。因而把调制的电能转换为机械能的启动器将连续调整的力施 加到和其相连的运动环上，使得开关装置的可动部件按照所需的运动 法则运动。

因而所提供的装置包括根据系统的正常行为的开环控制系统，以 便实现按照所需的方式进行打开与/闭合操作。这个开环控制系统和 闭环系统并列，所述闭环系统用于校正相对于正常的行为的任何可能 的变化，从而确保实现任何所需的运动法则。具体地说，假定在操作 期间进行实时控制，本发明的装置通过相对于预定的正常行为而改变 其行为，使得能够精确地考虑加于控制系统上的能够影响其响应的所 有的干扰，即环境参数的影响、开关装置的电气与机械磨损、在操作 之间所经过的时间、控制设备的老化、所进行的操作的数量和类型 等。

运动法则可以借助于优化启动器的性能进行选择(例如使运动所 需的能量最小)。具体地说运动法则可以通过求解“优化”问题而被 产生，其中考虑所需的约束计算特定的“目标”函数。

闭环控制系统还可以例如使用通用自动设置程序进行优化，该程 序能够减少对物理参数的变化的敏感性。

能够控制由启动器施加的力因而能够调整开关装置的可动部件 的运动规则使得可以进行现有技术的装置当前不能进行的操作，例 如，在三相电路断路器的情况下，本发明的控制装置使得可以获得单 极的最佳操作，虽然剩下其它两相，这两相在操作中不受故障影响， 此外，通过调整由启动器施加的力，可以在已经开始的操作不再重要 时停止已经开始的操作，甚至于至少在某个时间窗内使所述操作反 向。这使得可以例如在这样的电路断路器之间执行新的具有改进的协 调性的保护逻辑，这些电路断路器一旦操作已经开始，便能够检测消 除故障的下游电路断路器的操作，并撤销所述的操作，从而阻止电路 断路器无故断开与切断电网的无故障部分的电源，不必为了选择而有 意插入任何延迟便能做到这一点。用相同的方式，当要求因瞬变而操 作时，被控的电路断路器可以在瞬变过去之后撤销操作，因而不遮断 通过该断路器供电的负载的电源。

本发明的另一个显然的优点在于，本发明的装置通过按照遮断系 统的不同类型调整由启动器施加的力可以优化运动部件的运动法 则，从而时时跟随优化的轨迹，此外，用这种方式，被传递给启动器 的能量，因而也是传递给开关装置的能量，可以被很好地调整，这不 仅使得可以优化启动器的尺寸和其电源系统，而且由于加于开关装置 上的较低的应力和较低的接触磨损，可以减少在操作结束时的撞击中 耗散的能量，因此，提高了整个电网的可靠性。

如图4所示，在按照本发明的装置的优选实施例中，处理和控制 单元100还包括同步装置33，其能够提供用于和电网同步地打开或 闭合开关装置的信息。这些同步装置，通过使用用于检测电网的电压 和电流的相位的装置，例如电流互感器30和电压互感器31，接收跟 踪电网的电参数的信息32，关于这种信息，同步装置通过合适的计 算，预测和检测的相位相继的电流和电压的相位的0值与最大值出现 的时刻，同时考虑频率的变化、谐波分量和一相瞬变分量。此外，它 们还计算检测的和计算的零值和最大值之间的时间。

此外，同步装置还包括表装置34，其含有关于中线的状态、负 载和电网的类型的预定信息，并向定时单元36发出表示相对于所述 预定信息的理想操作结束时间的信号35。在这个实施例中，并且如 图5和6所示，操作指令1被发送给定时单元36，该指令一般是和 电力系统异步的一个指令。定时单元33相对于这一操作指令1向控 制单元10发出一个相应的同步启动操作指令37和表示理想操作结束 时间的信号35，这同步指令37相对于异步指令1被延迟一个时间50 的时间间隔，其是预定的正常操作时间51和表示理想操作结束时间 和被预测的相继的零值或最大值的所述信号35的函数，以便识别用 于实现同步操作的第一个相继的理想时刻。所需的理想时刻35显然 是用于消除和这类操作的类型、负载以及电网有关的操作瞬变的最佳 时间，如图6所示，这一时刻不一定和零值或最大值一致，只要能够 确保所述操作在同步窗内进行即可。因而控制装置10接收表示对于 三相的协同控制策略的信号37，以便完成对于每一相的同步操作和 与上述操作类似的操作。

本发明的另一个优点在于，在同步操作情况下和在按照上述只调 节运动部件的运动法则的情况下，由于上述的装置13的校正作用， 控制装置10确保按照预计的正常时间执行操作；不过，如果在任何 一点和正常行为的偏离在操作期间变大，从而使闭环控制需要足够大 的指令，则该装置能够以自组织的方式校正系统的正常特性。在这种 情况下，适合于在操作期间被监视的正常操作时间相对于新的参考值 被重新定义，在同步操作的情况下，这新的参考时间显然是可以通过 装置10而成为可为定时单元36可利用的。这自组织方法也在装置的 试验相位中使用，从而使控制系统相对于特定开关装置的实际行为校 正正常特性，使得定义实际的初始正常特性成为可能。

实际上已经注意到，本发明的装置是如何完成其整个发明任务和 发明目的的，它使得实时地调节由启动器施加的用于使可动部件运动 的力成为可能，从而使运动部件按照所需的运动法则运动，因而能够 获得上述的优点。

此外，在上述的优选实施例中，本发明的装置使得在各类电网和 负载条件下，甚至在故障条件下，能够获得和电网的同步操作。因此， 根据本装置应用的灵活性，并根据消除或至少大大减少电网的电压和 电流的瞬变，以及根据有限的电动和热应力可以看出本发明具有另外 的重大优点，对于电力系统中使用的元件和开关装置的绝缘系统有很 大好处，可以大大提高其使用寿命和可靠性。

最后应当强调，本发明的装置在提供上述的优点的同时，其制造 方法在经济方面也极具吸引力，其制造成本可以和常规的电路断路器 相比，并大大低于常规的同步方法。用这种方法设计的装置具有许多 改变和改型，这些都在本发明的构思内。此外，本发明的所有细节都 可以由其它在技术方面等效的元件代替。

实际上，材料和尺寸都可以以任何方式被改变，以便满足所需要 求和技术状态。