配电网双交流电源自动切换装置开发设计

配电网双交流电源自动切换装置开发设计

朱奇

南京蓝园精瑞电气有限公司 江苏南京 210000

摘  要：环网柜作为配电网中重要的电力设备，其电源系统的稳定性和可靠性非常重要，为了保障环网柜的正常运行，需要一种可靠的双交流电源自动切换装置来监控供电电源，防止其他电力设备由于电源故障而停机或损坏。本文就重点探讨了一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置开发设计。

关键词：环网柜 双交流电源切换

一．环网柜双电源切换方案现状分析

在配电网的环网柜中，电源系统有2种外部供电方式：一是外部交流220VAC电源供电；二是电压互感器（PT）供电220VAC，并且需要提供A、B两路独立的外部供电电源。在环网柜中会配置一个外部电源输入切换装置，A、B两路独立外部电源，经过切换装置切换后，变成一路220VAC电源，作为整个环网柜的主电源，该切换装置一般布置在环网柜的DTU（站所终端）柜或者PT（电压互感器）柜中。正常情况下，默认优先切换到A路外部电源，当A路外部电源出现故障时，应自动切换到B路外部电源输出。当A路外部电源恢复供电时，应自动切换回A路外部电源输出。A、B两路外部电源切换期间，切换模块输出电压波动时间不大于20ms。目前一个通用简单的做法，是直接用一个两组转换触点的220VAC交流继电器封装成一个模块，以实现这个功能。还有一些厂家是将这个功能集成到电源模块中，但是核心部件还是220VAC交流继电器。

二、环网柜双电源切换装置存在的风险

以220VAC交流继电器为核心器件的双电源切换装置，虽然可以实现功能，但在实际工程应用中，暴露出了很多问题，继电器烧毁就是一个常见的装置故障现象。首先，电网中的一次电压并不是一个稳定值，该一次电压经过取电电压互感器（PT）变成额定220VAC给环网柜内的设备供电，这个220VAC也会在一定范围内变化，最高到1.2倍UR（UR=220VAC）都是合理的。但是交流继电器的线圈承受最大电压为1.1倍UR，0.8倍UR是可靠动作电压门槛。所以当取电PT的输出电压大于1.1倍UR时，长期工作交流继电器就会因为线圈烧毁而失效。当取电PT的输出电压在0.8倍UR附近时，正好卡在交流继电器动作的门槛值附近，此时继电器会在带载情况下频繁动作和复位，这样的抖动会导致继电器的触点烧毁。其次，这种交流切换装置在A路和B路外部电源进行切换时，触点从常闭到常开带电切换，没有中间过程，也容易出现拉弧的现象，造成潜在的损伤。所以，本文汲取工程实践中的问题，将A路、B路外部电源与切换继电器解耦，实现精确切换、稳定切换，有效避免了继电器烧毁的情况。

三、一种双交流电源自动切换装置的开发设计

1、装置结构

如图1所示。本装置输入为A路、B路外部电源输入，输出为切换后交流电源、输入交流电源异常告警信号和RS232通讯口。装置内部由4个部分构成：电源电路、外部交流输入采集电路、MCU控制电路和交流电源输出切换电路。A路、B路外部电源输入接入装置后，会同时接入电源电路和外部交流输入采集电路。电源电路产生给整个装置供电的5V直流电源和3.3V直流电源，保证装置启动工作。外部交流输入采集电路将两路外部输入交流电压变换成可以供MCU采集的2路模拟电压，接入MCU。MCU对模拟电压进行ADC转换，计算出A路和B路外部电源的原始输入值，跟额定电源220VAC进行比较和逻辑判断，输出控制信号，控制交流电源输出切换电路进行动作或复位，实现双交流输入自动切换的功能。如果A路或者B路电源输入出现电压异常或者频率异常等，装置还会输出告警信号空接点给到上级设备。RS232通讯用来连接上位机，实时显示外部电源的电压、频率，设置装置参数。下面详细说明各部分电路的功能和优点。

图1双交流自动切换装置框图

2、电源电路

如图2所示。U2、U3是2个220VAC转5VDC的隔离电源模块，参数完全一致。输入电压范围85VAC—264VAC，可以长期工作于1.2UR。UL_A、UN_A是A路外部电源输入，UL_B、UN_B是B路外部电源输VCC5_1和VCC5_2经过肖特基二极管选择后，接入电源芯片U5，产生3.3V直流电源。这样只要A路、B路任意一路外部电源有电，就可以通过电源电路输出5V和3.3V直流电源，给整个装置供电。并且85VAC-264VAC的电压输入范围，可以有效保证本文所述自动切换装置在很宽的外部输入电压范围下，就可以正常运行起来。相比于传统的交流继电器方案，其电压工作范围只有80%-110%UR，即176VAC-242VAC。在85VAC-176VAC这个区间，交流继电器方案线圈无法可靠动作；在242VAC-264VAC这个区间，交流继电器方案线圈有烧毁的风险。

图2电源电路

3、外部交流输入采集电路

A路、B路外部电源进入装置后，除接入电源电路外，同时接入了交流输入采集电路，如图3所示。UL_A、UN_A和UL_B、UN_B分别接入电流型电压互感器PT1和PT2，变换成以Vref(Vref=1.65VDC)为中间电压的交流电压1V1和1V2，接入MCU控制电路，进行采样，交流幅值控制在0.8V以内。

图3外部交流输入采集电路

4、MCU控制电路

MCU控制电路是本文双交流自动切换装置的控制部分，如图4所示。MCU型号为GD32F130R8T6。该MCU首先对前文采集电路输出的1V1和1V2，进行ADC转换和运算，还原出A路和B路外部电源的输入电压值，根据计算出的A路电源电压值UsA和B路电源电压值UsB，进行逻辑判断，确定装置交流输出电压的切换逻辑；是否需要输出异常告警信号给到对接的设备；输出指示用的点灯信号。RS232通讯可以对接上位机电脑，实时读取UsA和UsB，并通过上位机控制，虚拟点灯、虚拟控制交流电源输出切换电路、虚拟电压异常告警信号。

图4MCU控制电路

5、交流电源输出切换电路

如图5所示，该部分电路主要由4个线圈电源直流DC5V的继电器组成，相比较交流继电器切换方案，实现了交流输入电压与继电器控制电压的解耦，实现了控制电压由交流向直流的变换。A路、B路外部电源的抖动，不再会影响切换电路的工作。只要A路、B路外部电源任一路的电压大于85VAC，切换电路就可以稳定可靠的工作。

如图上，L和N是装置输出的交流电源，UL_A、UN_A和UL_B、UN_B分别接到4个继电器的常开触点。UsA和UsB在80%UR-120%UR范围内时，认为是正常的外部电源输入范围。当A、B任一路外部电源有电（大于85VAC），保证装置可以正常启动后，MCU一直在以每周波20点的采样率，循环计算UsA和UsB。当UsA在正常电压范围内时，首先MCU驱动CJ1和CJ2信号，使得继电器J3、J4动作，将交流电源输出L、N挂接在A路外部电源UL_A和UN_A上。当时UsA不在正常电压范围时，若UsB在正常电压范围内，MCU会输出A路电流电源异常告警信号，同时复位CJ1和CJ2信号，使得继电器J3、J4复位。然后在驱动CJ3和CJ4信号，使得继电器J5、J6动作，将交流电源输出L、N挂接在B路外部电源UL_B和UN_B上。该切换过程在15ms内完成，满足切换模块输出电压波动时间不大于20ms的要求。当UsA恢复到正常电压范围内时，MCU会复位A路电流电源异常告警信号，同时复位CJ3和CJ4信号，使得继电器J5、J6复位。然后在驱动CJ1和CJ2信号，使得继电器J3、J4动作，将交流电源输出L、N挂重新接在A路外部电源UL_A和UN_A上。该切换过程同样在15ms内完成，满足切换模块输出电压波动时间不大于20ms的要求。当A路和B路外部电源都不在正常电压范围内时，MCU会同时输出A路、B路电流电源异常告警信号，复位J3、J4、J5、J6继电器，关闭交流电源输出，以免异常电压损害其他用电设备。直到A路、B路外部电源至少有一路恢复正常后，再将交流输出挂接上去，优先使用A路外部电源。

图5交流电源输出切换电路

四、效益分析

1、本装置通过电源电路，由2个独立的电源模块输出直流为整个装置提供电源，实现了A路、B路交流输入电源与交流切换电路控制电压的完全解耦。同时电源模块的宽范围输入特性，也保证了装置在40%UR-120%UR外部电源范围内都可以正常启动工作。

2、本装置通过交流输入采集电路和MCU控制电路，将A路、B路外部输入电源电压数量化，可以实现切换电路的精准控制，有效避免切换过程抖动的情况。

3、本装置通过由4个继电器组成的交流输出切换电路，不再将A路、B路和输出电源全部接在一个继电器上，而是分接到4个继电器上，在保证满足20ms内完成输出切换的要求下，在切换过程中，存在一个交流输出L、N悬空的状态，既可以有效防止A路与B路外部电源在切换时出现短路，也可以有效防止拉弧现象的出现，保证装置长期可靠运行。