雙電源同期切換與開路轉換兼容控制系統設計

摘 要： 設計了一種雙電源同期切換與開路轉換兼容控制系統，以提高供配電系統的安全性和可靠性。在該系統中，采用同期切換與開路轉換并存的兼容控制電路，以實現對不同配電要求的適應和兼容，從而提高供電系統的靈活性和適用性。試驗結果驗證了兼容控制電路的可靠性和穩定性，為產品的設計實現提供了有力依據。

關鍵詞： 雙電源; 同期切換; 開路轉換; 電氣閉鎖; 單片機; 控制系統

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）05-0026-07

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.05.005

0 引 言

隨著我國各種高端裝備、精密儀器等負荷類型的日益增多，對供電質量要求也越發嚴格，尤其是涉及某些重要的室內、室外等場所的特種供電，這勢必要求對相關重要場所負荷進行分類定級，并開展分級供電工作。雙電源切換技術是提高低壓供電可靠性、保障重要場所末端電能質量、實現重要活動臨電負荷高品質供電的重要手段，也是面向新型電力系統應用場景下常態化重要負荷保供電的重要基礎技術之一。在國內，盧燁等^［1］研究了智能雙電源切換的控制原理和應用，趙國深等^［2］研究了基于PLC技術的雙電源裝置的智能轉換，陸仁等^［3］研究了嵌入式雙電源切換控制器的實現。然而，在實際應用中，存在著同期切換、開路轉換和電氣兼容性方面的技術挑戰。因此，本文對這些問題進行研究，提出相應的設計與實現方案，以提高供配電系統的安全性和可靠性，滿足現代電力工程領域對電源切換和控制的需求。

1 系統總體設計

1.1 設計思路

系統主要圍繞以下4點展開設計。

（1） 系統的主控單元硬件設計。主要實現電源電壓采樣、電流采樣、開關量輸入狀態采集（DI），繼電器控制輸出（DO），RS-485通信，衛星校時，HMI人機交互這幾方面的功能需求。

（2） 控制回路電氣原理設計。主要實現主控單元與開關本體的電氣連接，控制回路工作電源的切換，電氣閉鎖，同期切換與開路轉換的電路控制等功能需求。

（3） 系統的采樣算法設計。主要實現電流、電壓、頻率、相位、電壓差、相位差、頻率差等模擬量數據的計算功能需求。

（4） 系統的控制策略軟件設計。主要實現可編程邏輯的運行，控制策略的執行，與上位機的通信交互，故障事件與操作事件的記錄，參數修改與存儲等功能需求。

1.2 設計方案架構

系統方案架構如圖1所示。主要包括：主控單元（控制器）、連接線束、開關本體。開關本體為常規通用型斷路器，根據配電系統需求，可選擇10 kV系統高壓真空斷路器或400 V系統低壓框架斷路器。主控單元根據配電系統電壓等級，可設置電壓變比，兼容高壓或低壓配電系統的電壓采樣應用。連接線束為主控單元與開關本體之間的電氣連接線纜，承載控制信號的傳輸和工作電源的供應。控制單元發出的控制信號通過連接線纜傳遞給執行機構，指示執行機構進行特定的動作或操作。

2 系統的主控單元硬件設計

2.1 主控單元原理圖

系統主控單元原理如圖2所示。主控單元的MCU采用意法半導體公司的STM32F103VCT6芯片。喻金錢等^［4］介紹了STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用，此芯片為32位ARM Cortex-M3微控制器芯片，CPU最大主頻為72 MHz，內置Flash存儲器，容量為256 KB，用于存儲程序代碼。內置SRAM內存，容量為48 KB，用于存儲數據。具有多個通用IO引腳，用于連接外部器件。支持多種時鐘源和時鐘控制功能，包括內部RC振蕩器和外部晶體振蕩器。支持中斷控制和低功耗模式，可實現節能功能。內置多個定時器和計數器，用于實現定時任務和測量時間間隔。主控單元可采集兩路電源輸入信號，包括兩路三相電壓，兩路3相電流。電壓輸入可直接接入0～400 V電壓信號，經PT轉換模塊輸入至運放電路，經濾波、運算放大后輸入至MCU進行電壓采樣。一次電流經一次CT轉換后將0～5 A電流信號傳輸至電流采樣通道，經二次CT轉換后輸入至運放電路，經濾波、運算放大后輸入至MCU進行電流采樣。開關量的輸入采用自供電方式，外接干接點信號，斷路器狀態信號經光電隔離電路輸入至MCU，用于判別斷路器分合閘位置狀態。HMI人機交互包括按鍵，液晶顯示以及指示燈。RS-485用于與上位機的實時通信，實現遠程監測與控制。MCU通過監測兩路電源電壓、電流以及開關狀態特征，根據電源檢測結果，判定電源是否正常。當監測到某路電源異常時，或接收到手動或通信遙控信號時，按照程序控制策略控制信號輸出，經控制回路電氣連鎖，將電氣驅動信號傳輸至開關本體，開關本體接收到控制動作信號后執行操作，完成電源的切換工作。

2.2 電壓采樣電路設計

電壓采樣電路采用ZMPT107-1電壓互感器作為電壓采樣的主要器件，提高抗干擾能力。分壓電阻采用低溫漂直插電阻，減少高溫與低溫環境下對測量精度帶來的影響。一次電壓信號經電阻與電壓互感器轉換成二次電壓信號，再經過濾波送至運算放大器，運放采用TI公司LMV344IDR芯片，經運放處理后的信號送至MCU進行電壓采樣計算。

2.3 電流采樣電路設計

電流采樣電路采用ZMCT103C-A類電流互感器作為電流采樣的主要器件。電流互感器變比為5 A/2.5 mA，用于測量6 A以下的電流。電流信號經電流互感器與取樣電阻轉換成電壓信號，再經過濾波送至運算放大器，運放采用TI公司LMV344IDR芯片，經運放處理后的信號送至MCU進行電流采樣計算。

2.4 頻率采樣電路設計

頻率采樣電路以A相電壓作為頻率采樣基準，電壓采樣信號經LMV344IDR運放芯片，輸出周期性方波送至MCU進行頻率采樣計算。

2.5 RS-485電路設計

RS-485通信電路設計以德州儀器公司的SN65LBC184D芯片為通信主要器件，該芯片工作電壓范圍為4.5～5.5 V，具有4個獨立驅動通道，每個通道都能驅動1個平衡傳輸線，有助于減少公模噪聲影響，提高信號完整性。內置熱關斷功能，可保護芯片免受過熱影響。

2.6 開關量采集電路設計

開關量采集電路通過跳線選擇自供電或外供電的開關量輸入信號，DI的采集經K30102D光電耦合器進行電氣隔離，防止輸入和輸出之間的信號干擾和噪聲傳播，提高系統開關量采集的可靠性和穩定性。

2.7 MCU電路設計

MCU電路為系統主控單元的核心元件，選用意法半導體公司STM32F103VCT6芯片，具有高性能和高速運算能力。該微控制芯片繼承了豐富的外設接口，包括多個通道IO引腳，通信接口和定時器，提供了靈活的功能擴展和連接性選項。本方案設計了13個按鈕，16路DI的接入，16路DO的控制輸出，9路電壓采樣通道，3路電流采樣通道，5個LED指示燈控制，1路串口屏通信，1路RS-485通信，1路校時接口，以及其他備用接口通道。

3 控制回路電氣原理設計

3.1 控制回路電氣原理圖設計

控制回路電氣原理如圖3所示。主要用于主控單元與斷路器之間的電氣連接。+KM與-KM為控制回路的工作電源。非同期合閘QF2時，DO5與DO6處于斷開狀態，當主控單元發出合閘QF2指令后，DO4繼電器閉合，控制回路經過QF1的44和45號端子（QF1分閘位置輔助觸點），再到QF2的33號端子，合閘線圈XF得電驅動QF2開關合閘。同理，當主控單元發出合閘QF1指令后，DO1繼電器閉合，控制回路經過QF2的44和45號端子（QF2分閘位置輔助觸點），再到QF1的33號端子，合閘線圈XF得電驅動QF1開關合閘。同期切換動作時，例如S1電源同期切換至S2電源，系統主控單元監測到兩路電源正常，且頻差、相位差、電壓差等條件滿足后，發出同期切換指令，繼電器DO6與DO4同時閉合，控制電源從主控單元的48號端子直接到QF2的33號端子，QF2的XF合閘線圈得電開關合閘。此時QF1與QF2都處于合閘狀態，同時為負載供電。然后DO2閉合，分閘信號經主控單元14號端子到QF1的31號端子，QF1分閘SHT得電執行分閘操作。此過程先同期合閘QF2，再斷開QF1，以實現負載不斷電的同期并列運行切換功能。斷路器的46、47號端子為合閘位置信號反饋，50、51號端子為分閘位置信號反饋，3、5號端子為保護脫扣信號反饋。主控單元的DI1～DI6為開關量輸入采集信號，用于采集開關的分合閘位置以及開關的故障脫扣信號。

3.2 系統工作電源電氣設計

系統工作電源電氣原理如圖4所示。主要元器件為交流接觸器KA1，本設計采用施耐德CAN22型號2常開2常閉規格的交流接觸器。常開點接入S1電源，常閉點接入S2電源，接觸器線圈工作電源接入S1電源，輸出側接至主控單元與控制回路，為主控單元和控制回路提供工作電源。當S1電源有電時，接觸器動作，常開點閉合，常閉點斷開，此時由S1電源供電。當S1失電S2正常時，接觸器線圈釋放，常開點斷開，常閉點閉合，此時由S2電源供電，實現了兩路電源以及一路有電時控制回路與主控電源都能正常工作的功能。

4 系統的采樣算法設計

4.1 電流電壓幅值算法

真正準確的有效值測量方法應以熱效應原理為基礎。在電子測量技術和自動控制系統中，通常要對非正弦波信號進行檢測，真有效值代表著信號的能量，是衡量信號的一個通用的重要指標。由單片機完成采樣控制，依據真有效值計算處理，得出被測信號的真有效值。此設計以軟件代替了A/D轉換硬件，降低了硬件成本。

假設采樣電流I1，I2，I3，…流過電阻R，其熱效應如下式所示：

W=I2R

（1）

1個周期時間內（n個采樣值）的平均熱效應（即功率）如下式所示：

W=I21R+I22R+I23R…+I2nRn

（2）

該平均熱效應的等效電流I為

I2R=I21R+I22R+I23R…+I2nRn

（3）

即，電流的真有效值為

Irms=I21+I22+I23…+I2nn

（4）

本設計電壓每周波采樣點數為32個點，同理電壓的真有效值如下所示：

Urms=132∑32n=1u2n

（5）

4.2 同期元件算法

系統在進行同期切換控制時需要用到同期元件，同期元件關鍵點在于檢測兩路電源的電壓差、頻率差、相位差。黃純等^［5］研究了一種新的自動準同期并列算法，本設計采用S1電源A相電壓通道與S2電源A相電壓通道作為頻率采樣的模擬量信號輸入，f（t）經過運放采樣，以M個采樣數據為1組，構成1個時間窗，進行傅里葉變換（DFT）處理。基于加窗離散傅里葉變換，利用相位進行頻率校正的準同期并列新算法，該算法對電壓信號的兩個采樣序列進行DFT，并根據兩次DFT結果及差值確定電壓參數，計算量較小，實現簡單。

時間窗的寬度TN決定頻率分辨率如下：

fc，1=1TN

（6）

窗口寬度TN必須為基波周期T1的整數倍N。50 Hz系統，N=10。

TN=N×T1

（7）

時間窗TN內的采樣點數為M，采樣率為

fs=MN×T1

（8）

傅里葉級數的余弦項和正弦項系數計算式為ak、bk，離散傅里葉變換DFT，即完成系數ak、bk的計算。由系數ak、bk得出頻譜分量k的幅值Yc，k與相位角φk。

由此計算出頻率差Δf為

Δf=|f1-f2|

（9）

其中，f1和f2分別表示S1電源的頻率和S2電源的頻率。

相位差Δφ為

Δφ=φ1-φ2

（10）

其中，φ1和φ1分別表示兩路電源的相角。

電壓差ΔV為

ΔV=|V1-V2|

（11）

其中，V1和V2分別表示兩路電壓信號的電壓值。

斷路器執行機構在動作切換時，從合閘電磁鐵接收到電氣信號開始，到開關觸頭完成合閘操作，會有一個開關固有動作時間t1，為解決開關固有動作時間帶來的相位偏移，本設計在同期元件算法中特意引入合閘導前時間Td，即在同期元件的壓差、頻差滿足設定條件后，通過監測相位差Δφ單位時間內的變化率算出兩路電源同相位的預同期時間，并提前Td時間發出動作指令，確保斷路器觸頭合閘時刻為兩路電源電壓、頻率、相位一致，實現無縫切換。

5 系統的軟件設計

系統軟件流程如圖5所示。首先進行STM32F103VCT6芯片程序初始化，包括液晶顯示初始化，指示燈初始化，開關量信號初始化，通訊初始化，再進行系統各項參數及定值的初始化，以及采樣通道的初始化。然后進入主程序，循環執行各功能塊，包括液晶顯示輸出、通信解析、LED指示等。程序如接收到外圍按鍵指令，或通信遙控指令，例如手動操作分合閘開關、通信遙控分合閘開關的指令，程序進入中斷處理，再通過采樣數據處理，根據模擬量通道采樣、計算出S1電源與S2電源的電壓、電流實時值，以及開關量狀態位置信號等信息，進行邏輯運算處理，再與所設定的參數定值進行比較判定。根據邏輯運算流程，當判定為同期切換時，執行同期切換邏輯。同期切換邏輯如圖6所示。條件滿足后發出判定指令，控制輸出同期切換驅動電路，并記錄SOE，同時輸出指示燈及液晶顯示。當判定為開路轉換時，執行開路轉換S1轉S2控制邏輯，或開路轉換S2轉S1控制邏輯。開路轉換S1轉S2控制邏輯如圖7所示。開路轉換S2轉S1控制邏輯如圖8所示。條件滿足后發出判定指令，控制輸出開路轉換驅動電路，并記錄SOE，同時輸出指示燈及液晶顯示。執行完各環節步驟后，再回到主程序循環執行。

6 樣機實現與測試驗證

試驗樣機與系統搭建如圖9所示。斷路器選用諾雅克Ex9A25-Q型斷路器，分合閘線圈工作電壓選用AC 220 V。將主控單元與斷路器根據電氣原理圖用電纜連接，主控單元電壓采樣端的S1端子排接入市電電源的Ua1、Ub1、Uc1、Un1，S2端子的Ua2、Ub2、Uc2、Un2接信號發生源輸出的電壓信號。示波器連接高壓差分探頭，用來監測S1電源與S2電源。測試同期切換時，以示波器監測到兩路電源的電壓、頻率、角度為試驗的判定依據。同期條件不滿足時，主控單元不發切換指令，開關不動作。當同期條件滿足后，主控單元發出同期切換指令，示波器觀察截取的兩路電源電壓、頻率、相位角之差與主控單元設定的Δf、Δφ、ΔV相吻合，且在誤差范圍之內，實現了同期切換的功能。

開路轉換時，用于同期切換的DO6與DO3處于斷開狀態，當S2斷路器合閘時，控制回路合閘S2信號經過S1斷路器的分位輔助觸點方能得電動作，同理當S1斷路器合閘時，控制回路合閘S1信號經過S2斷路器分位輔助觸點方能得電動作，從而實現任何情況兩路電源非同期狀態禁止并列運行的功能，達到電氣連鎖的目的。

通過控制DO6與DO3繼電器來控制同期切換與開路轉換的電氣控制回路，實現了兩種模式下控制回路的電氣兼容功能。

7 結 語

本文設計了一種雙電源同期切換與開路轉換的兼容控制系統。該系統通過同期切換和開路轉換控制策略，實現了兩路電源之間的平穩切換和轉換。兼容控制電路的應用使系統能夠適應不同類型的供配電系統，并提高供電系統的靈活性和適用性。同期并列運行實現了負載要求電源不斷電的切換，保障了系統供電的連續性。開路轉換控制通過防止非同期合閘的電氣閉鎖措施，能夠在一路電源故障或失效時迅速切換到備用電源，并保持電路的穩定性和連續供電。在要求同期切換與非同期開路轉換的功能應用上，可進行兩種模式的電氣控制回路自動切換，實現同期切換與開路轉換的兼容控制。綜上所述，該設計與實現的雙電源同期切換與開路轉換兼容控制系統具有較高的安全性和可靠性，可廣泛應用于電力系統雙電源切換控制領域。

［1］ 盧燁.淺析智能雙電源切換的控制原理和應用［J］.科技風，2015（7）：15.

［2］ 趙國深，王小斌.智能雙電源切換的控制原理和應用［J］.科技創新導報，2011（11）：122-123.

［3］ 陸仁.嵌入式雙電源切換控制器的實現［J］.黑龍江科技信息，2017，（16）：157.

［4］ 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［5］ 黃純，何怡剛，江亞群.一種新的自動準同期并列算法的研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（3）：62-66.

收稿日期： 20240415

Design and Implementation of a Dual Power Supply Synchronous Switching

and Open Circuit Conversion Compatible Control System

CHEN Youyin

（Shanghai ELECON Intelligent Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200040， China）

Abstract：

This paper aims at design and implement a dual power supply synchronous switching and open circuit conversion compatible control system to improve the safety and reliability of power supply and distribution systems.In this system，a compatible control circuit that coexists with synchronous and open circuit conversion is adopted to achieve adaptation and compatibility to different distribution requirements，thereby improving the flexibility and applicability of the power supply system.The reliability and stability of the compatible control circuit have been verified through experimental results，providing a strong basis for the design and implementation of the product.

Key words：

automatic transfer switching equipment; simultaneous switching; open circuit conversion; electrical locking; singlechip; control system