高压双电源智能控制系统的研制

0 引 言

    随着电力事业的发展，电力质量日益受到人们的重视。供电的连续性是电力质量的一个重要方面，对于某些用电部门，如医院、机场、大型生产线等尤为重要。保证供电连续性的办法是给供电对象提供主、备两路独立的电源，对两路电源都进行实时监控。当一侧电源发生故障时，能根据设定的切换程序准确完成向另一侧电源的切换，以最大限度地保证供电的连续性。现在的新式高压双电源切换装置有两个高压隔离开关，有明显的隔离断口．较好地保证了检修的安全，但需两套驱动机构联动，故产品的工作可靠性受到极大的制约。本文开发研制的控制系统可用一套驱动机构驱动主、备两路电源，两侧都实现了实时监控。且当故障发生时，能安全、可靠地实现电源转换，并且具备通信功能，可在无人职守情况下实现双电源自动切换，切换时间精确到0.3s，并有自投自复、自投不自复、手动等多种工作方式，可广泛用于冶金、消防、化工、煤矿、高层建筑和住宅小区等场所。

1 主体结构

    高压双电源自动切换系统是由装置本体和控制器两大部分组成。装置本体见图1，由两台带有电动操动机构的断路器及附件（辅助报警触头等）、机械联锁机构、电器联锁、熔断器、接线端子等组成。

图1 装置本体

2 双电源转换控制器

    2.1 组成

    控制器由ARM及输入输出、显示、电源和485通信等模块组成，见图2。CPU采用S3C44BOX作为微处理器，ARM在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。输入/输出采用串行接口芯片74LS164/165，液晶模块采用LCM122×32，RS232/RS485接口部分采用Maxim系列芯片进行电平转换，控制器的实时时钟用DS1302实现，Flash Memory选用SSTT的39VF020存储器，选用ISSI的62LV1024SRAM芯片作为外扩数据交换区，两路三相电压电流的采样采用隔离变压器完成，采样精度为1%。控制器电源电压为220V（50Hz/60Hz）或12V/24V直流电源。

图2 控制器的结构

    2.2 功能

    双电源转换控制器监测主、备两路电源，主要实现以下功能：

    （1）测量与显示：能够测量两路三相相电压、电流、频率、功率因数，检测转换开关的状态是合闸、分闸或者脱扣等。若两电源存在过压、欠压，则采样整流得到的直流电压信号与设定的所要求的电压相比较，会偏大或者偏小；若存在缺相情况，则经整流后得到的直流电压较三相电整流后得到的直流电压会低，且会出现过零现象，将系统的状态在面板上用LCD和发光二极管显示出来。

    （2）判断与控制：控制器对两路电的供电质量进行延时判断后，具有0min～1.5min可调的自动切换时间来控制转换开关切换。转换开关可以是两个机械联锁的接触器。

    （3）编程与设置：允许用户对工作状态“自动／手动”、“一路优先供电、二路优先供电和无优先供电”通信参数、转换需要的各种延时等参数进行更改设定。

    （4）直流电源：控制器的供电电源可以外接直流供电（12V～24V）也可以不接；不接时，当两路A相电压都没有时，系统报警。

    （5）参数整定：控制器的所有参数均采用数字化调整，每个参数均可以单独调整，因此不会对其它参数造成影响，提高了整机的可靠性和稳定性。在两个电源转换的过程中，为了使供电电路稳定，保证切换过程的准确性和安全性，避免由于短时电压变化导致的误动作需要人为延时，延时时间由用户通过分档开关进行选择，由开关量输入系统。

    （6）双电源供电双分状态：系统负载于双分状态时，不论两组电源是否正常以及系统处于“手动”和“自动”的预置状态，系统都仍然保持双分状态。

    （7）产品保护功能：具有过负荷和短路保护，断相和断路保护，失压和欠压保护。

    （8）高性能ARM程序控制：采用模块化结构设计，具有极强的抗电磁干扰能力，适合在强电磁干扰的复杂环境中使用，无噪声运行。采用嵌入式安装方式，结构紧凑，节能降耗，符合国家绿色电气产品标准。同时具有RS232、RS485串行通信接口，借助于PC或数据采集系统上运行的软件，能提供一个简单实用的对工业和民用建筑物的双电源切换管理方案。

    2.3 软件系统

    在高压环境中，不可避免地会遇到电源波动、电磁波辐射等干扰。当遇到强干扰时，运行的程序会产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。因此，除了在电路上增加抗干扰的措施外，单片机型号的选取和一些软件措施也是必要的。在软件中设置了看门狗程序，以监控系统的运行。

    控制器的软件功能以检测和控制为主，采用C语言编写。外部硬件电路已经完成了电压故障的判定，程序只需读取相应的故障状态位输入，经位判断后转入相应故障处理程序即可。其切换过程的控制是双电源转换控制器的核心功能之一，双电源转换控制器的软件流程见图3。

图3 双电源转换控制器的软件流程

    2.4 抗干扰措施

    干扰会影响控制器的稳定运行，所以在电路设计方面采取了多种抗干扰措施：

    （1）通过隔离器件传输信息，在电气上将单片机与各种传感器、开关等隔离开来，可以较好地防止串模干扰。

    （2）合理布置地线，将系统中的数字地与模拟地分开，最后在一点相连，避免了数字信号对模拟信号的干扰。

    （3）电源进线端加去耦电容，在削弱各类高频干扰。

3  远程监控模块

      远程监控包括设备状态及电力参数采集、GPRS通信网络和监控中心3大部分。电力设备在生产现场安装，通过现场的控制系统采集设备状态及电力参数；GPRS通信网络是监控中心与现场设备问数据传输的桥梁，通过GPRS网络使现场设备的相关参数能够定时传送到监控中心计算机：监控中心一方面通过GPRS网络与现场监测器进行双向通信，另一方面为用户提供一个可视化界面，让用户足不出户即可了解远方设备相对实时的运行状况。远程监控模块结构见图4。

图4 远程监控模块图

4 试验测试

    根据国家技术标准，本研究对研制成功的样品进行了性能指标测试，测试结果表明，控制器能在不同的设定故障情况进行识别，并按照用户的要求准确动作，所测结果完全满足设计要求与实际使用需要。

5 总 结

    本文研制的双电源转换控制器能够对双路电源的过压、欠压和缺相等故障进行检测，不仅能实现自投自复、只常、只备、自投不自复、自动脱扣检测、断电再扣等工作模式，且能准确地实现两路电源间的可靠切换。其主要有以下几点：①设有3工位自动隔离开头，有3个投切位置；②为了防选源向全离闸必须先解保险锁；③操作机构除自动切换系统外还保留了手动切换方式，提供了备用的操作方法。