一種新型雙電源自動(dòng)切換控制器的設(shè)計(jì)

一種新型雙電源自動(dòng)切換控制器的設(shè)計(jì)

吉林省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(吉教科合字[2014]332)

吉林省省級(jí)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專項(xiàng)(2014Y121)

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20150204044SF)

主要研究建筑電氣及其智能化工程。

王迅，賈振國

(長春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長春 130012)

摘要：闡述了我國雙電源自動(dòng)切換裝置的發(fā)展概況以及在功能和技術(shù)方面的局限性，提出了一種以三相電能專用計(jì)量芯片和單片機(jī)為控制核心的新型雙電源自動(dòng)切換控制器的設(shè)計(jì)方案。該控制器采用了獨(dú)特的三相電能計(jì)量芯片ATT7022E作為信號(hào)采集部分的核心，充分利用其高精度和多功能的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)兩路電源的電流、電壓、頻率以及相序等參數(shù)進(jìn)行信號(hào)采集。單片機(jī)與ATT7022E進(jìn)行SPI通訊，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理并發(fā)出控制信號(hào)。

關(guān)鍵詞：控制器；單片機(jī)；ATT7022E；三相電能專用計(jì)量芯片

0引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力用戶對(duì)供電電源的連續(xù)性和可靠性的要求越來越高，尤其是在一些重要的用電場所(如醫(yī)院、機(jī)場、軍事設(shè)施區(qū)等)不允許中斷供電，所以，為保證電氣設(shè)備的正常工作，一般都采用兩路電源獨(dú)立供電，兩路電源切換控制由雙電源切換裝置完成。GB 50052—1995《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定當(dāng)由2個(gè)電源供電的一級(jí)負(fù)荷中一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源應(yīng)該能夠正常工作。在二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng)，亦由兩路電源供電[1]。同時(shí)GB 50045—1995《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定對(duì)于高層建筑的消防設(shè)施及設(shè)備的供電系統(tǒng)最末一級(jí)配電箱處應(yīng)設(shè)置自動(dòng)切換裝置；而對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中的重要負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷，由于其中斷供電可能會(huì)在政治、經(jīng)濟(jì)上造成損失或影響重大，需設(shè)置雙電源自動(dòng)切換裝置以盡快恢復(fù)正常供電[2]。所以，針對(duì)現(xiàn)實(shí)需要，雙電源自動(dòng)切換裝置(Automatic-Transfer Switching Equipment，以下簡稱ATSE)應(yīng)運(yùn)而生。

1ATSE簡介

ATSE由自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)本體和控制器2大部分組成[3]?？刂破魇茿TSE必不可少的組成部分，ATSE能否在重要時(shí)刻發(fā)揮作用，控制器的可靠性是關(guān)鍵，這也是ATSE區(qū)別于其他低壓開關(guān)的最重要之處。制造商往往只關(guān)注ATSE的電氣性能，忽視了控制器的可靠性和功能。實(shí)際上ATSE在使用過程中，絕大部分故障是控制器造成的。目前，市場上ATSE控制器通常采用可編程邏輯控制器(PLC)或單片機(jī)為核心[4]，主要通過對(duì)電壓的檢測來控制電源切換，但隨著電力用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高以及遠(yuǎn)程通訊控制的發(fā)展，傳統(tǒng)的ATSE控制器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電力用戶的需求。為此，本文設(shè)計(jì)了一款新型雙電源自動(dòng)切換控制器，該控制器不僅具有強(qiáng)大的測量和信號(hào)處理能力，還支持全數(shù)字域的增益以及誤差校正，實(shí)現(xiàn)高精度測量，充分滿足電力用戶對(duì)供電質(zhì)量越來越高的要求。

2ATSE控制器總體設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的ATSE控制器由信號(hào)采集部分和MCU控制部分組成。信號(hào)采集部分主要由ATT7022E和互感器組成。MCU控制部分主要由單片機(jī)、LCD液晶顯示、聲光報(bào)警等相關(guān)部分組成。

硬件原理方框圖如圖1所示?？刂破鞴ぷ鞣绞讲捎米酝蹲詮?fù)模式。常用電源、備用電源經(jīng)互感器分壓后，電壓、電流信號(hào)分別輸入到ATT7022E的電壓、電流通道，經(jīng)ATT7022E處理后，由MCU讀取其數(shù)據(jù)，當(dāng)MCU檢測到常用電源參數(shù)異常時(shí)，發(fā)出常用電源斷路器分閘指令，在備用電源參數(shù)正常的情況下，發(fā)出備用電源斷路器合閘指令。如果常用電源參數(shù)恢復(fù)正常，則首先向備用電源斷路器發(fā)出分閘指令，然后向常用電源斷路器發(fā)出合閘指令，自動(dòng)將負(fù)載從備用電源切換回常用電源。

圖1　硬件原理方框圖

2.1控制器特點(diǎn)

2.1.1多功能

當(dāng)前，ATSE控制器信號(hào)采集多采用整流濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路等電路。這種信號(hào)采集方法，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗干擾性差，而且功能單一，精度較低。而本設(shè)計(jì)的信號(hào)采集部分采用了多功能高精度的三相電能專用計(jì)量芯片，具有強(qiáng)大的測量功能和信號(hào)處理能力，能夠測量各相電流、電壓有效值，功率因數(shù)，相角，頻率等參數(shù)，充分滿足電力用戶對(duì)電能質(zhì)量越來越高的要求，保證用電設(shè)備的安全。

2.1.2高精度

ATT7022E在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍3 000∶1內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%，支持全數(shù)字域的增益、相位校正，電壓通道、電流通道有效值在0.2～500 mV(放大后的電壓值)之間。見表1所示為MCU讀取的ATT7022E計(jì)量寄存器的電壓有效值、電壓峰值以及頻率數(shù)據(jù)。

表1　ATT7022E部分計(jì)量寄存器數(shù)據(jù)

以A相為例，本設(shè)計(jì)中，常用電源信號(hào)經(jīng)電壓互感器分壓后得到260.50 mV的電壓信號(hào)，輸入到ATT7022E的電壓通道后，ATT7022E計(jì)量寄存器數(shù)據(jù)采取補(bǔ)碼形式給出，MCU通過SPI接口讀取數(shù)據(jù)，得到長度為3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)0x2097F7。

根據(jù)ATT7022E計(jì)量寄存器說明，有效值寄存器機(jī)最高位為符號(hào)位，Ua=Urms/2^13，計(jì)算得出Ua=260.75 mV。根據(jù)峰值寄存器說明，峰值電壓寄存器為20位補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，bit19位符號(hào)位，bit20~23無效，PeakUa=PeakU/2^9，計(jì)算得出PeakUa=368.78 mV。根據(jù)電壓線頻率寄存器，最高位為符號(hào)位，f=Freq/2^13，計(jì)算得出f=49.96 Hz。以此類推，根據(jù)ATT7022E計(jì)量參數(shù)寄存器說明，就可以準(zhǔn)確地得出測量數(shù)據(jù)。

2.2信號(hào)采集部分

ATT7022E信號(hào)采集部分主要是對(duì)常、備用電源的電流、電壓、頻率等信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)采樣。ATT7022E內(nèi)部集成了7路二階sigma-delta ADC和多種數(shù)字信號(hào)處理電路，同時(shí),ATT7022E還具有ADC采樣數(shù)據(jù)緩沖功能和同步采樣數(shù)據(jù)緩沖功能，并通過其SPI通訊接口與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)的傳遞。

2.3MCU控制部分

MCU控制部分讀取ATT7022E計(jì)量參數(shù)寄存器數(shù)據(jù)，通過與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷電源是否需要進(jìn)行切換。此外，MCU控制部分還可通過LCD液晶顯示屏和聲光報(bào)警部分，達(dá)到顯示和報(bào)警的目的。此外，由于本設(shè)計(jì)采用了高精度的三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022E，MCU不僅能讀取電流、電壓有效值等基本參數(shù)，還能得到過電流、電壓閃變、相序、功率因數(shù)等參數(shù)，尤其在電能質(zhì)量要求較高的場所更加凸顯優(yōu)勢。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

3.1信號(hào)采集部分結(jié)構(gòu)

信號(hào)采集部分如圖2所示，ATT7022E內(nèi)部含3個(gè)電壓通道和4個(gè)電流通道，輸入電壓范圍為±710 mV。

電壓互感器采用YHDC TV16E電流型電壓互感器。常、備用電源經(jīng)限流電阻輸入，經(jīng)二次側(cè)取樣電阻得到電壓信號(hào)，輸入電流為0～2.5 mA，線性度優(yōu)于0.2%，可實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)高精度轉(zhuǎn)換。

電流互感器采用ACREL AKH-0.66 Z系列三相一體式電流互感器，額定電流比為100 A/20 mA，經(jīng)二次側(cè)采樣電阻得到電壓信號(hào)，具有良好的線性度，可實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換。

ATT7022E外圍電路如圖3所示，ATT7022E是一顆精度高且功能強(qiáng)的多功能防竊電三相電能專用計(jì)量芯片，它集成了七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣。電流通道有效值在0.1～500 mV的范圍內(nèi)線性誤差小于0.1%，電壓通道有效值在0.2 mV至500 mV的范圍內(nèi)線性誤差小于0.1%，外圍硬件電路主要包括電源、電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出及SPI通訊接口等電路。

圖2　信號(hào)采集部分結(jié)構(gòu)

圖3　ATT7022E外圍電路

3.2MCU控制部分結(jié)構(gòu)

MCU通過SPI接口與ATT7022E之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。MCU與ATT7022E一般有8條連線，其中4條是SPI接口線CS、SCLK、DIN、DOUT，一條ATT7022E的復(fù)位控制線RST，一條握手信號(hào)線IRQ，一條是接線方式選擇SEL，一條是功率正負(fù)判斷邏輯輸出線REVP。ATT7022E還提供有功、無功、視在及基波有功電能脈沖輸出端口CF1、CF2、CF3、CF4，可以直接接到校準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。同時(shí)，MCU還可通過RS485接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，并可通過計(jì)算機(jī)修改ATSE的運(yùn)行參數(shù)。此外，常、備用三相電源電壓、頻率等計(jì)量參數(shù)的顯示通過LCD液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)，更加適合ATSE的應(yīng)用現(xiàn)場，方便操作人員觀察、操作。EEPROM存儲(chǔ)部分主要存儲(chǔ)電壓、頻率等主要計(jì)量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，MCU利用從ATT7022E讀取的計(jì)量參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)常、備用電源的自主切換。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

4.1軟件設(shè)計(jì)方案

軟件設(shè)計(jì)方案主要包括擬定程序的總體方案、繪制主程序流程圖、程序設(shè)計(jì)語言編制以及調(diào)試程序。所以，結(jié)合本設(shè)計(jì)的硬件特點(diǎn)和控制器要求，采用C語言編程。

由于控制器的功能強(qiáng)大，信息量也比較大，故在本設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，即將程序劃分成若干相對(duì)獨(dú)立的程序模塊，各模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后再將若干模塊通過連接程序連在一起進(jìn)行調(diào)試工作。

本設(shè)計(jì)包括1個(gè)主模塊和7個(gè)子模塊(電源參數(shù)監(jiān)測模塊、斷路器狀態(tài)監(jiān)測模塊、斷路器控制模塊、顯示模塊、通訊模塊、聲光報(bào)警模塊、存儲(chǔ)模塊)。

4.2主程序流程圖

主程序流程圖如圖4所示，主程序是ATSE控制器的核心，主要任務(wù)是根據(jù)電源狀態(tài)監(jiān)測模塊對(duì)電源的電壓、電流、頻率等各項(xiàng)參數(shù)和斷路器狀態(tài)監(jiān)測模塊提供的斷路器狀態(tài)信息進(jìn)行分析判斷，以確定是否需要向斷路器發(fā)出控制信號(hào)，并發(fā)出聲光報(bào)警，完成電源切換。

4.3子模塊程序設(shè)計(jì)

1)電源狀態(tài)監(jiān)測模塊。主要任務(wù)是在定時(shí)器T0中斷控制下，通過SPI通訊接口，對(duì)ATT7022E計(jì)量寄存器內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行讀取，將讀取的數(shù)據(jù)按照ATT7022E芯片手冊(cè)給出的計(jì)算方式，得出各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際值，把實(shí)際值與各項(xiàng)參數(shù)正常工作時(shí)的上、下限進(jìn)行比較，并向主程序模塊發(fā)送電源是否符合用戶要求的狀態(tài)信息，同時(shí)向顯示模塊和RS485通訊模塊發(fā)送各項(xiàng)參數(shù)。

2)斷路器狀態(tài)監(jiān)測模塊。通過MCU的并行接口讀取斷路器輔助觸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)量，確定每一路斷路器的分合閘狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)一方面向主程序模塊發(fā)送以配合電源狀態(tài)監(jiān)測模塊，保證主程序模塊做出正確的切換判斷，確保2個(gè)斷路器不能同時(shí)合閘，另一方面?zhèn)魉徒o顯示模塊和RS485通訊模塊。

3)斷路器控制模塊。根據(jù)電源狀態(tài)信息、斷路器狀態(tài)信息以及預(yù)先設(shè)定的延時(shí)，若滿足上述條件，則發(fā)出斷路器合閘、分閘指令，完成電源自主切換。

4)顯示模塊。利用LCD液晶顯示屏顯示電源和斷路器狀態(tài)信息。

5)聲光報(bào)警模塊。主程序向斷路器發(fā)出分閘、合閘控制信號(hào)的同時(shí)，向聲光報(bào)警模塊發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)聲光報(bào)警。

6)存儲(chǔ)模塊。采用EEPROM AT24C16，對(duì)用戶設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和工作數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù)。

7)通訊模塊。包括SPI通訊和RS485通訊，MCU通過SPI接口與ATT7022E實(shí)現(xiàn)計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)的傳遞，通過RS485接收上位機(jī)發(fā)送的設(shè)置參數(shù)，并上傳電源和斷路器狀態(tài)信息。

圖4　主程序流程圖

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的新型ATSE控制器具有傳統(tǒng)ATSE控制器不可比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了ATT7022E強(qiáng)大的測量功能和信號(hào)處理能力，利用單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源，具有良好的人機(jī)交互界面和通訊功能，實(shí)現(xiàn)高精度測量和智能化控制，真正做到了集數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化于一體，符合當(dāng)今ATSE的主流趨勢，更有利于推動(dòng)今后ATSE機(jī)電一體化的發(fā)展。同時(shí)，也有利于我國智能電網(wǎng)的發(fā)展，推動(dòng)了國產(chǎn)ATSE向智能化和高可靠性方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.011

收稿日期：2015-01-28

基金項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃(2014-K8-064;2014-K1-067)

作者簡介：王迅(1990-)，男(漢)，長春，碩士

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2015)02-0039-04

The design to a new type of dual-power automatic controller

WANG Xun，et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering,

ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：This thesis expounds the general development situation of the intelligent dual-power automatic transfer device in China and its limitations in function and technology.The design scheme to a new type of intelligent dual-power automatic transfer device by using three phase energy IC and MCU as the core has been presented.The device adopts a unique three phase energy IC as the core of signal acquisition part,making full use of the advantages of its high precision and multi-function,to make real time signal acquisition to electricity current,voltage,frequency,phase sequence,and other parameters on both power supplies.MCU can make SPI communication with ATT7022E,to analyze and process the data,and to send control signal.

Key words：controller;MCU;ATT7022E;three phase energy IC