基于PLC的復合式轉換開關測控系統研究

張宏毅+魏新勞

摘 要：隨著機場、軍事場所、醫院、大型工業生產線等敏感性負載對供電的連續性可靠性的要求的提高，轉換開關在不同場合的供電系統中得到更加廣泛的應用。因此如何使得轉換開關裝置能夠安全、可靠地運行顯得尤其重要。本文闡述了一種基于機械與電子復合技術的快速轉換開關的結構和原理，并本文根據復合式快速轉換開關的特點和要求，設計了一種基于PLC的測控系統來提高轉換開關的可靠性。

關鍵詞：轉換開關；PLC；測控系統；可靠性

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.008

中圖分類號： TM564

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）03-0042-06

Abstract：The fast transfer switch gets more extensive application in the power supply system along with the raising of power supply requirement for continuity and reliability in the sensitivity loads such as in airport， military place， hospital and large scale industrial production line. Therefore it is important that how to make fast transfer switch run safely and reliably. The paper expatiated the structure and principle of a fast transfer switch based on mechanical and electronic compound technology， and， according to the basic requirement and the characteristic of the fast transfer switch， a PLC mastered measuring and controlling system has been designed to raise the operation reliability of the fast transfer switch.

Keywords：transfer switch； PLC； measurement and control system； reliability

0 引 言

隨著經濟、技術的進一步發展，電力用戶對供電系統的連續性、可靠性的要求也在不斷提高，特別是對于一些重要公共場合，例如醫院、機場、消防、工業流水線、大型活動場所等等，一旦出現斷電，將帶來不可估計的損失[1] 。一般情況下，需采用主、備兩路獨立電源為這些重要負載供電，以保證供電的連續性和可靠性。但是，僅有兩路獨立供電電源還是遠遠不夠的，因為，如果沒有合適的電源切換設備，在兩路供電電源之間的切換可能就會需要比較長的時間，而這個時間就足以會對用戶造成嚴重的損失。比如，對于大規模集成電路生產企業而言，持續時間超過工頻電源一個周期（20ms）以上的供電間斷就能導致生產線上的產品報廢。再比如，對于大型活動場所，比如大型體育比賽場館、大型劇院，其照明系統基本上都是采用高強度氣體放電燈（HID）作為主要照明燈具，而高強度氣體放電燈的工作原理決定了，一旦這種燈的供電間斷超過一定時間（一般也是在一個工頻供電周期左右），它的熱重起將會需要比較長的時間（此時間取決于燈周圍的散熱環境，一般將會達到數分鐘到數十分鐘）。因此，如果在進行大型賽事、文娛活動時，觀眾人數數以萬計，如果活動進行過程中出現照明供電間斷并形成數分鐘乃至數十分鐘的黑暗，就有可能引發大規模混亂，由此可見，對于這些電力用戶，除了必須有至少兩路獨立供電電源外，快速、可靠的電源切換裝置對于保證這些用戶的供電連續性、可靠性至關重要。一般而言，這個實現兩路電源之間切換的裝置就是轉換開關[2-4]。

轉換開關根據其動作的可控性可以分成兩類：一類是人工手動切換的轉換開關，另一類是自動切換的轉換開關。顯然，人工手動切換的轉換開關不可能對于上面所提到的電力用戶的供電連續性有任何作用。而自動切換的轉換開關也并不是都可以滿足上述電力用戶的供電連續性要求。

自動切換的轉換開關按其主要組成部件的不同可以分成3類：第1類是純機械式轉換開關，這種開關就是將兩個機械式開關進行聯動控制，優點是開關損耗很小，缺點是切換時間比較長，一般都在幾個工頻電源周期以上（數十乃至數百毫秒）；第2類是純電力電子元件組成的轉換開關，稱為固態轉換開關，這種開關是將晶閘管、IGBT、GTO等大功率高壓電力電子元件按照合適的拓撲結構連接來構成的，優點是切換時間比較短（數十到數百微秒），缺點是開關損耗大，工作時發熱嚴重，需要加裝散熱措施；第3類是綜合了前兩類的優點、克服了前兩類的缺點而形成的所謂混合式轉換開關（或稱作復合式轉換開關），簡單的理解，就是將前兩類轉換開關并聯使用，讓固態轉換開關實現電源的快速切換的功能，而讓機械式轉換開關實現降低整個轉換開關損耗的功能[5-8]。

轉換開關測控系統是決定轉換開關可靠工作的核心。它的主要作用是實現對兩路電源狀態的連續監測，并根據監測結果，按照事先設定的流程對轉換開關進行切換控制，使之實現要求的電源切換動作[9-11]。

通過對雙電源供電系統中轉換裝置的市場調研發現，由于測控系統的故障導致雙電源供電系統不能正常供電的事故常有發生，這也是目前市場上該類產品質量良莠不齊、故障率高的原因之一。因此，對雙電源供電系統中轉換裝置的測控技術進行研究，并開發出高性能、可靠性高的轉換開關測控系統是非常有意義的[11-15]。