高壓雙電源智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 全文

　　引言

　　隨著電力事業(yè)的發(fā)展，電力質(zhì)量日益受到人們的重視。供電的連續(xù)性是電力質(zhì)量的一個(gè)重要方面，對(duì)于某些用電部門(mén)，如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、大型生產(chǎn)線等尤為重要。保證供電連續(xù)性的辦法是給供電對(duì)象提供主、備兩路獨(dú)立的電源，對(duì)兩路電源都進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)一側(cè)電源發(fā)生故障時(shí)，能根據(jù)設(shè)定的切換程序準(zhǔn)確完成向另一側(cè)電源的切換，以最大限度地保證供電的連續(xù)性?，F(xiàn)在的新式高壓雙電源切換裝置有兩個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，有明顯的隔離斷口．較好地保證了檢修的安全，但需兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，故產(chǎn)品的工作可靠性受到極大的制約。本文開(kāi)發(fā)研制的控制系統(tǒng)可用一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主、備兩路電源，兩側(cè)都實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。且當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能安全、可靠地實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，并且具備通信功能，可在無(wú)人職守情況下實(shí)現(xiàn)雙電源自動(dòng)切換，切換時(shí)間精確到0.3s，并有自投自復(fù)、自投不自復(fù)、手動(dòng)等多種工作方式，可廣泛用于冶金、消防、化工、煤礦、高層建筑和住宅小區(qū)等場(chǎng)所。

　　1 主體結(jié)構(gòu)

　　高壓雙電源自動(dòng)切換系統(tǒng)是由裝置本體和控制器兩大部分組成。裝置本體見(jiàn)圖1，由兩臺(tái)帶有電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器及附件（輔助報(bào)警觸頭等）、機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)、電器聯(lián)鎖、熔斷器、接線端子等組成。

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　　圖1 裝置本體

　　2 雙電源轉(zhuǎn)換控制器

　　2.1 組成

　　控制器由ARM及輸入輸出、顯示、電源和485通信等模塊組成，見(jiàn)圖2。CPU采用S3C44BOX作為微處理器，ARM在基本RISC結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)的特性使ARM處理器在高性能、低代碼規(guī)模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。輸入/輸出采用串行接口芯片74LS164/165，液晶模塊采用LCM122×32，RS232/RS485接口部分采用Maxim系列芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，控制器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘用DS1302實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)lash Memory選用SSTT的39VF020存儲(chǔ)器，選用ISSI的62LV1024SRAM芯片作為外擴(kuò)數(shù)據(jù)交換區(qū)，兩路三相電壓電流的采樣采用隔離變壓器完成，采樣精度為1%?？刂破麟娫措妷簽?20V（50Hz/60Hz）或12V/24V直流電源。

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　　圖2 控制器的結(jié)構(gòu)

　　2.2 功能

　　雙電源轉(zhuǎn)換控制器監(jiān)測(cè)主、備兩路電源，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

　?。?）測(cè)量與顯示：能夠測(cè)量?jī)陕啡嘞嚯妷?、電流、頻率、功率因數(shù)，檢測(cè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的狀態(tài)是合閘、分閘或者脫扣等。若兩電源存在過(guò)壓、欠壓，則采樣整流得到的直流電壓信號(hào)與設(shè)定的所要求的電壓相比較，會(huì)偏大或者偏小；若存在缺相情況，則經(jīng)整流后得到的直流電壓較三相電整流后得到的直流電壓會(huì)低，且會(huì)出現(xiàn)過(guò)零現(xiàn)象，將系統(tǒng)的狀態(tài)在面板上用LCD和發(fā)光二極管顯示出來(lái)。

　　（2）判斷與控制：控制器對(duì)兩路電的供電質(zhì)量進(jìn)行延時(shí)判斷后，具有0min～1.5min可調(diào)的自動(dòng)切換時(shí)間來(lái)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可以是兩個(gè)機(jī)械聯(lián)鎖的接觸器。

　?。?）編程與設(shè)置：允許用戶(hù)對(duì)工作狀態(tài)“自動(dòng)／手動(dòng)”、“一路優(yōu)先供電、二路優(yōu)先供電和無(wú)優(yōu)先供電”通信參數(shù)、轉(zhuǎn)換需要的各種延時(shí)等參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)定。

　?。?）直流電源：控制器的供電電源可以外接直流供電（12V～24V）也可以不接；不接時(shí)，當(dāng)兩路A相電壓都沒(méi)有時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。

　　（5）參數(shù)整定：控制器的所有參數(shù)均采用數(shù)字化調(diào)整，每個(gè)參數(shù)均可以單獨(dú)調(diào)整，因此不會(huì)對(duì)其它參數(shù)造成影響，提高了整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。在兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，為了使供電電路穩(wěn)定，保證切換過(guò)程的準(zhǔn)確性和安全性，避免由于短時(shí)電壓變化導(dǎo)致的誤動(dòng)作需要人為延時(shí)，延時(shí)時(shí)間由用戶(hù)通過(guò)分檔開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，由開(kāi)關(guān)量輸入系統(tǒng)。

　?。?）雙電源供電雙分狀態(tài)：系統(tǒng)負(fù)載于雙分狀態(tài)時(shí)，不論兩組電源是否正常以及系統(tǒng)處于“手動(dòng)”和“自動(dòng)”的預(yù)置狀態(tài)，系統(tǒng)都仍然保持雙分狀態(tài)。

　　（7）產(chǎn)品保護(hù)功能：具有過(guò)負(fù)荷和短路保護(hù)，斷相和斷路保護(hù)，失壓和欠壓保護(hù)。

　　（8）高性能ARM程序控制：采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，適合在強(qiáng)電磁干擾的復(fù)雜環(huán)境中使用，無(wú)噪聲運(yùn)行。采用嵌入式安裝方式，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能降耗，符合國(guó)家綠色電氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)具有RS232、RS485串行通信接口，借助于PC或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件，能提供一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的對(duì)工業(yè)和民用建筑物的雙電源切換管理方案。

　　2.3 軟件系統(tǒng)

　　在高壓環(huán)境中，不可避免地會(huì)遇到電源波動(dòng)、電磁波輻射等干擾。當(dāng)遇到強(qiáng)干擾時(shí)，運(yùn)行的程序會(huì)產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛，甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。因此，除了在電路上增加抗干擾的措施外，單片機(jī)型號(hào)的選取和一些軟件措施也是必要的。在軟件中設(shè)置了看門(mén)狗程序，以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　控制器的軟件功能以檢測(cè)和控制為主，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。外部硬件電路已經(jīng)完成了電壓故障的判定，程序只需讀取相應(yīng)的故障狀態(tài)位輸入，經(jīng)位判斷后轉(zhuǎn)入相應(yīng)故障處理程序即可。其切換過(guò)程的控制是雙電源轉(zhuǎn)換控制器的核心功能之一，雙電源轉(zhuǎn)換控制器的軟件流程見(jiàn)圖3。

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　　圖3 雙電源轉(zhuǎn)換控制器的軟件流程

　　2.4 抗干擾措施

　　干擾會(huì)影響控制器的穩(wěn)定運(yùn)行，所以在電路設(shè)計(jì)方面采取了多種抗干擾措施：

　　（1）通過(guò)隔離器件傳輸信息，在電氣上將單片機(jī)與各種傳感器、開(kāi)關(guān)等隔離開(kāi)來(lái)，可以較好地防止串模干擾。

　?。?）合理布置地線，將系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地分開(kāi)，最后在一點(diǎn)相連，避免了數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

　　（3）電源進(jìn)線端加去耦電容，在削弱各類(lèi)高頻干擾。

　　3? 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控包括設(shè)備狀態(tài)及電力參數(shù)采集、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心3大部分。電力設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)采集設(shè)備狀態(tài)及電力參數(shù)；GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備問(wèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)能夠定時(shí)傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)：監(jiān)控中心一方面通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器進(jìn)行雙向通信，另一方面為用戶(hù)提供一個(gè)可視化界面，讓用戶(hù)足不出戶(hù)即可了解遠(yuǎn)方設(shè)備相對(duì)實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

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　　圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊圖

　　4 試驗(yàn)測(cè)試

　　根據(jù)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本研究對(duì)研制成功的樣品進(jìn)行了性能指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，控制器能在不同的設(shè)定故障情況進(jìn)行識(shí)別，并按照用戶(hù)的要求準(zhǔn)確動(dòng)作，所測(cè)結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求與實(shí)際使用需要。

　　5 總 結(jié)

　　本文研制的雙電源轉(zhuǎn)換控制器能夠?qū)﹄p路電源的過(guò)壓、欠壓和缺相等故障進(jìn)行檢測(cè)，不僅能實(shí)現(xiàn)自投自復(fù)、只常、只備、自投不自復(fù)、自動(dòng)脫扣檢測(cè)、斷電再扣等工作模式，且能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)兩路電源間的可靠切換。其主要有以下幾點(diǎn)：①設(shè)有3工位自動(dòng)隔離開(kāi)頭，有3個(gè)投切位置；②為了防選源向全離閘必須先解保險(xiǎn)鎖；③操作機(jī)構(gòu)除自動(dòng)切換系統(tǒng)外還保留了手動(dòng)切換方式，提供了備用的操作方法。

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