CN103699004B - 基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法。系统由第一执行开关、第二执行开关、第三执行开关以及控制器组成；第一执行开关上口与第一电源连接，下口与第一负载连接；第二执行开关上口与第二电源连接，下口与第二负载连接；第三执行开关两端分别与第一执行开关和第二执行开关下口相连接；控制器分别与第一电源和第二电源及第一执行开关、第二执行开关和第三执行开关的二次控制回路相连接。本发明对于两路电源并联操作使用条件是基于直接测量得到的，并经过处理器计算，具有较高精度和响应时间，并不需要外加电流互感器，与外接电流互感器方案相比，能使执行开关长时间处于并联状态，更安全。

Description

基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于自动开关控制技术领域，特别是涉及一种基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法。

背景技术

随着现有技术的发展，自动转换开关电器的应用范围越来越广泛。很多的自动转换开关电器被使用在石油化工、油田、冶金、电力等大型连续性生产工业企业。一般来说，自动转换开关电器均采用分列运行或“一主一备”供电，以确保一路电源故障断电时，另一路电源立即投入。

如图1所示，目前使用桥式母线结构的配电场合。为了能够满足在第一执行开关K1进行检修的时候第一负载能够不断电工作，往往会先将三路执行开关进行合闸，再将第一执行开关K1打开。当三路执行开关进行合闸的时候，第一电源、第二电源相当于并联对下游负载供电。由交流电的性质可以得知，此时两路电源如果不满足电压、频率、相位、相序都一致的条件，轻则发生相间短路导致变压器炸毁，重则发生大面积停电事故，所以需要在极短时间之内对所有的回路进行电气检测，同时需要使监测值具有相当高的精度要求，并对响应情况做出及时反映，保障整个供电系统的安全。

目前市场上出售的绝大多数自动转换开关电器中的控制器是无法做到在极短时间之内对两路电源的电压、电流、频率、相位差参数同时检测和转换的。即使部分厂家宣称能够实现两路电源并联操作，也会在第三执行开关K3的部位加上电流互感器，以检测电路电流，依靠短路电流的大小来判断并联动作是否能够成功，并且这种方案的并联时间往往只能够持续极短的时间，实际上这种自动转换开关电器只能够算是一种保护型的并联装置方案，并不能在合闸命令发出之前判断出并联操作能否成功。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统由第一执行开关K1、第二执行开关K2、第三执行开关K3以及控制器组成；其中第一执行开关K1的上口与第一电源连接，下口与第一负载连接；第二执行开关K2的上口与第二电源连接，下口与第二负载连接；第三执行开关K3的两端分别与第一执行开关K1和第二执行开关K2的下口相连接；控制器分别与第一电源和第二电源，以及第一执行开关K1、第二执行开关K2和第三执行开关K3的二次控制回路相连接。

所述的控制器包括：第一三相电压信号采集模块、第二三相电压信号采集模块、第一频率信号采集模块、第二频率信号采集模块、第一执行开关位置反馈模块、第二执行开关位置反馈模块、第三执行开关位置反馈模块、三相电能计量芯片、处理器、第一执行开关控制模块、第二执行开关控制模块、第三执行开关控制模块、485通讯模块、发电机启动信号模块、显示模块、按键模块和存储模块；其中：三相电能计量芯片通过第一三相电压信号采集模块和第二三相电压信号采集模块分别与第一电源和第二电源相连接；处理器通过第一频率信号采集模块和第二频率信号采集模块分别与第一电源和第二电源相连接；处理器分别与三相电能计量芯片、第一执行开关控制模块、第二执行开关控制模块、第三执行开关控制模块、485通讯模块、发电机启动信号模块、显示模块、按键模块和存储模块相连接；

三相电能计量芯片与处理器之间通过SPI总线相连接，进行数据与命令的传输；

第一三相电压信号采集模块和第二三相电压信号采集模块为电源电压信号采集电路，用于分别将第一电源和第二电源输入的电源电压信号进行整形变换，然后传递到三相电能计量芯片的输入接口上；

第一频率信号采集模块、第二频率信号采集模块用于将第一电源、第二电源输入口的电源的频率信号由标准的正弦波信号经过变换变成处理器能够接受的标准的方波信号并送到处理器中；

第一执行开关位置反馈模块、第二执行开关位置反馈模块和第三执行开关位置反馈模块，用于将各执行开关的当前状态参数进行变换，并反馈到处理器中；

第一执行开关控制模块、第二执行开关控制模块和第三执行开关控制模块用于将处理器发出的控制信号发送给执行开关，控制执行开关完成指定的动作；

485通讯模块用于实现用户远距离与控制器之间发送数据，将自动转换开关电器系统的状态实时反馈给用户；

发电机启动信号模块用于通过无源节点的方式发送备用发电机启动信号，当用户事先植入处理器的情景发生时，向用户反馈特殊信息；

显示模块、按键模块：HMI接口，用来将处理器中的数据用直观化的形式展现给用户，并且将用户的需求反馈给处理器；

存储模块用于储存自动转换开关装置系统中比较重要的数据。

本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的控制方法分为自动工作模式和手动工作模式：

所述的自动工作模式时的控制流程包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、设备初始化的S101阶段：系统首先对硬件进行上电初始化和相关硬件自检，将一些器件设置为需要的状态；

步骤二、计算当前电源频率的S102阶段：处理器将经由第一频率信号采集模块、第二频率信号采集模块的输出信号中，计算出第一电源和第二电源的电源频率分量；

步骤三、判断频率是否正常的S103阶段：判断电源频率分量是否超出了预期设置的范围，如果判断结果为“是”，则进入下一步S104阶段，否则下一步进入S111阶段；

步骤四、读执行开关位置信息的S104阶段：处理器通过第一执行开关位置反馈模块、第二执行开关位置反馈模块和第三执行开关位置反馈模块读取当前所有的执行开关状态信息；

步骤五、读电能芯片电压值的S105阶段：通过SPI总线，在三相电能计量芯片的寄存器中读取已经计算好的正弦电压有效值，从而确定当前电源状态；

步骤六、判断电压是否正常的S106阶段：判断电压值是否超出了正常电压的范围，如果判断结果为“是”，则进入下一步S107阶段，否则下一步进入S111阶段；

步骤七、判断开关位置是否对应的S107阶段：根据当前所得的信息与程序中已有的逻辑相印证，来判断当前设备状态是否正确，如果判断结果为“是”，则本次操作流程结束，否则下一步进入S108阶段；

步骤八、执行开关强制动作的S108阶段：处理器通过执行开关控制模块，发出改变执行开关状态命令；

步骤九、判断次数是否大于1的S109阶段：判断连续强制动作的次数是否大于1，以防止当执行开关损坏的情况下，程序陷入死循环，如果判断结果为“是”，则下一步重新进入S102阶段，否则下一步进入S110阶段；

步骤十、报警的S110阶段：进入报警模式，显示输出报警信息，等待人工干预；

步骤十一、报警的S111阶段：进入报警模式，显示输出报警信息，等待人工干预。

本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的控制方法分为自动工作模式和手动工作模式：

所述的手动工作模式时的控制流程包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、接到并联命令的S201阶段：控制器接收到要求执行开关并联的指令，进入并联处理阶段，下一步同时进入S202阶段和S203阶段；

步骤二、读取计量芯片数据的S202阶段：处理器采用DMA(直接内存存取)的方法读取三相电能计量芯片参数：然后下一步进入S205阶段；

步骤三、采集电源频率信号的S203阶段：处理器将通过频率信号采集模块采集电源的频率信息；

步骤四、计算频率信号的S204阶段：处理器将采集到的电源频率信息进行分析处理，计算出来当前的电源频率值；然后进入下一步S205阶段；

步骤五、判断是否满足并联条件的S205阶段：处理器判断当前的电源特征是否满足并联条件，如果判断结果为“是”，则进入下一步S207阶段，否则下一步进入S206阶段；

步骤六、发送显示信息的S206阶段：发送此次并联失败原因到显示模块，显示并联失败的原因，然后下一步返回到并联处理阶段的入口处，重新进入S202阶段和S203阶段；

步骤七、控制执行开关操作的S207阶段：一旦并联条件符合，处理器就会按照预定的逻辑，向三台执行开关发出合闸动作命令，本流程至此结束。

本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法，克服了现有市场上产品中的技术不足，实现了一种能够实时响应的，处理精度高的，满足两路电源并联操作使用要求的自动转换开关电器系统架构；这种架构对于两路电源并联操作使用的条件是基于直接测量得到的，并经过处理器的计算，具有较高的精度和响应时间，并不需要外加电流互感器，与外接电流互感器的方案相比，能够使执行开关长时间处于并联状态，也更为安全。

附图说明

图1为已有技术的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的外部电源接线图。

图2为本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的外部电源接线图。

图3为本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统中控制器硬件原理框图。

图4为本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统在自动工作模式时的控制方法流程图。

图5为本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统在手动工作模式时的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统及控制方法进行详细说明。

如图2所示，本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统由第一执行开关K1、第二执行开关K2、第三执行开关K3以及控制器组成；其中第一执行开关K1的上口与第一电源连接，下口与第一负载连接；第一执行开关K1的功能：第一电源的接通路径，通过第一执行开关K1合闸动作，将第一电源的电能引导至第一负载；

第二执行开关K2的上口与第二电源连接，下口与第二负载连接；第二执行开关K2的功能：第二电源的接通路径，通过第二执行开关K2合闸动作，将第二电源的电能引导至第二负载；

第三执行开关K3的两端分别与第一执行开关K1和第二执行开关K2的下口相连接；第三执行开关K3的功能：作为第一执行开关K1与第二执行开关K2的电源输出口互联线，当第一负载、第二负载需要用同一路电源供电的时候，执行开关闭合。

控制器分别与第一电源和第二电源，以及第一执行开关K1、第二执行开关K2和第三执行开关K3的二次控制回路相连接。

如图3所示，所述的控制器包括：第一三相电压信号采集模块1、第二三相电压信号采集模块2、第一频率信号采集模块3、第二频率信号采集模块4、第一执行开关位置反馈模块5、第二执行开关位置反馈模块6、第三执行开关位置反馈模块7、三相电能计量芯片8、处理器9、第一执行开关控制模块10、第二执行开关控制模块11、第三执行开关控制模块12、485通讯模块13、发电机启动信号模块14、显示模块15、按键模块16和存储模块17；其中：三相电能计量芯片8通过第一三相电压信号采集模块1和第二三相电压信号采集模块2分别与第一电源和第二电源相连接；处理器9通过第一频率信号采集模块3和第二频率信号采集模块4分别与第一电源和第二电源相连接；处理器9分别与三相电能计量芯片8、第一执行开关控制模块10、第二执行开关控制模块11、第三执行开关控制模块12、485通讯模块13、发电机启动信号模块14、显示模块15、按键模块16和存储模块17相连接；

处理器9用于与三相电能计量芯片8之间通过总线进行通信，传输数据；读取第一执行开关位置反馈模块5、第二执行开关位置反馈模块6和第三执行开关位置反馈模块7的反馈数据，通过自带的判断逻辑，使执行开关对电源变化做出正确的判断，并且对通过第一频率信号采集模块3和第二频率信号采集模块4所采集的第一电源和第二电源的频率信号进行测量，通过与485通讯模块13、发电机启动信号模块14、显示模块15、按键模块16、存储模块17的连接以控制上述模块的工作；

三相电能计量芯片8具有电压电流两路输入，同时具有计算功率因数的功能；利用内部集成正弦波有效值计算DSP的功能；本装置将第一三相电压信号采集模块1输出的第一电源电压信号连接至电流输入端口，第二三相电压信号采集模块2输出的第二电源电源信号连接至电压输入端口；通过这种连接方式，可以将三相电能计量芯片8原有的电流有效值计算功能变为第二路电源电压的测量，同时利用三相电能计量芯片8可以计算出三相电流端口输入的第一电源的A、B、C三相电压和三相电压端口输入的第二电源的A、B、C三相电压输入信号之间的相位角之间的差值，进而变换成测量第一执行开关K1的三相电源信号与第二执行开关K2的三相电源信号之间的相位的差值；三相电能计量芯片与处理器9之间通过SPI总线相连接，进行数据与命令的传输；

第一三相电压信号采集模块1和第二三相电压信号采集模块2为电源电压信号采集电路，用于分别将第一电源和第二电源输入的电源电压信号进行整形变换，然后传递到三相电能计量芯片8的输入接口上；

第一频率信号采集模块3、第二频率信号采集模块4用于将第一电源、第二电源输入口的电源的频率信号由标准的正弦波信号经过变换变成处理器9能够接受的标准的方波信号并送到处理器9中；

第一执行开关位置反馈模块5、第二执行开关位置反馈模块6和第三执行开关位置反馈模块7用于将各执行开关的当前状态参数进行变换，并反馈到处理器9中；

第一执行开关控制模块10、第二执行开关控制模块11和第三执行开关控制模块12用于将处理器9发出的控制信号发送给执行开关，控制执行开关完成指定的动作；

485通讯模块13用于实现用户远距离与控制器之间发送数据，可以将自动转换开关电器系统的状态实时反馈给用户；

发电机启动信号模块14用于通过无源节点的方式，发送备用发电机启动信号，当用户事先植入处理器的情景发生时，向用户反馈特殊信息；

显示模块15、按键模块16：HMI接口，用来将处理器9中的数据用直观化的形式展现给用户，并且将用户的需求反馈给处理器9；

存储模块17用于储存自动转换开关装置系统中比较重要的数据，防止系统出现问题的时候所有数据都被修改，保留第二份数据。

本发明提供的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的控制方法分为自动工作模式和手动工作模式；在手动工作模式下的时候，本系统会成为一个能够实现并联功能的自动转换开关装置；在自动工作模式下，本系统实际上相当于一个普通的自动转换开关电器。

如图4所示，自动工作模式时的控制流程包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、设备初始化的S101阶段：系统首先对硬件进行上电初始化和相关硬件自检，将一些器件设置为需要的状态；

步骤二、计算当前电源频率的S102阶段：处理器9读取第一频率信号采集模块3、第二频率信号采集模块4输出的方波信号，并从中计算出第一电源和第二电源的电源频率分量；

步骤三、判断频率是否正常的S103阶段：判断电源频率分量是否超出了预期设置的范围，如果判断结果为“是”，则进入下一步S104阶段，否则下一步进入S111阶段；

步骤四、读执行开关位置信息的S104阶段：处理器9通过第一执行开关位置反馈模块5、第二执行开关位置反馈模块6和第三执行开关位置反馈模块7读取当前所有的执行开关状态信息；

步骤五、读电能芯片电压值的S105阶段：通过SPI总线，在三相电能计量芯片8的寄存器中读取已经计算好的正弦电压有效值，从而确定当前电源状态；

步骤六、判断电压是否正常的S106阶段：判断电压值是否超出了正常电压的范围，如果判断结果为“是”，则进入下一步S107阶段，否则下一步进入S111阶段；

步骤七、判断开关位置是否对应的S107阶段：根据当前所得的信息与程序中已有的逻辑相印证，来判断当前设备状态是否正确，如果判断结果为“是”，则本次操作流程结束，否则下一步进入S108阶段；

步骤八、执行开关强制动作的S108阶段：处理器9通过执行开关控制模块10、11、12发出改变执行开关状态命令；

步骤九、判断次数是否大于1的S109阶段：判断连续强制动作的次数是否大于1，以防止当执行开关损坏的情况下程序陷入死循环，如果判断结果为“是”，则下一步重新进入S102阶段，否则下一步进入S110阶段；

步骤十、报警的S110阶段：进入报警模式，显示输出报警信息，等待人工干预；

步骤十一、报警的S111阶段：进入报警模式，显示输出报警信息，等待人工干预。

如图5所示，手动工作模式时的控制流程包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、接到并联命令的S201阶段：控制器接收到要求执行开关并联的指令，进入并联处理阶段，下一步同时进入S202阶段和S203阶段；

步骤二、读取计量芯片数据的S202阶段：处理器9采用DMA(直接内存存取)的方法读取三相电能计量芯片8参数：在这一时刻，处理器需要同时工作在读取三相电能计量芯片和计算电源频率两种任务之下，但是目前没有任何的处理器能够具有真正意义上的多进程处理机制，因此使用了DMA技术，可以使总线通信模块在脱离了内核控制的时候一样能够按照预定的机制去发送指令接收数据并将相关的数据存放在指令的存储位置；然后下一步进入S205阶段；

步骤三、采集电源频率信号的S203阶段：处理器9将通过频率信号采集模块3、4采集电源的频率信息；

步骤四、计算频率信号的S204阶段：处理器9将采集到的电源频率信息进行分析处理，计算出来当前的电源频率值；然后进入下一步S205阶段；

步骤五、判断是否满足并联条件的S205阶段：处理器9判断当前的电源特征是否满足并联条件，如果判断结果为“是”，则进入下一步S207阶段，否则下一步进入S206阶段；

步骤六、发送显示信息的S206阶段：发送此次并联失败原因到显示模块15，显示并联失败的原因，然后下一步返回到并联处理阶段的入口处，重新进入S202阶段和S203阶段；

步骤七、控制执行开关操作的S207阶段：一旦并联条件符合，处理器9就会按照预定的逻辑向三台执行开关发出合闸动作命令，本流程至此结束。

本发明具有以下技术特点：

1、本发明提供的自动转换开关电器系统架构的信号采集能力强，能够满足瞬时6路电压信号的采集需求。

2、本发明提供的自动转换开关电器系统架构的信号计算能力强，能够在20ms之内进行128点的均方根数值计算。

3、本发明提供的自动转换开关电器系统架构的实时分析能力强，能够同时对两路电源的电压瞬时矢量值进行对比。

4、本发明提供的自动转换开关电器架构的数据处理能力强，能够在同一时刻处理电压、频率、相位等参数。

5、本发明提供的自动转换开关电器系统架构具有两路电源并联功能，可以将并联误差降低到130us，达到IEC(国际电工委员会)认证标准。

Claims (2)

1.一种基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的控制方法，其特征在于：所述的系统由第一执行开关K1、第二执行开关K2、第三执行开关K3以及控制器组成；其中第一执行开关K1的上口与第一电源连接，下口与第一负载连接；第二执行开关K2的上口与第二电源连接，下口与第二负载连接；第三执行开关K3的两端分别与第一执行开关K1和第二执行开关K2的下口相连接；控制器分别与第一电源和第二电源，以及第一执行开关K1、第二执行开关K2和第三执行开关K3的二次控制回路相连接；

其特征在于：所述的控制方法分为自动工作模式和手动工作模式：

所述的自动工作模式时的控制流程包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、设备初始化的S101阶段：系统首先对硬件进行上电初始化和相关硬件自检，将一些器件设置为需要的状态；

步骤二、计算当前电源频率的S102阶段：处理器(9)将经由第一频率信号采集模块(3)、第二频率信号采集模块(4)的输出信号中，计算出第一电源和第二电源的电源频率分量；

步骤三、判断频率是否正常的S103阶段：判断电源频率分量是否超出了预期设置的范围，如果判断结果为“是”，则进入下一步S104阶段，否则下一步进入S111阶段；

步骤四、读执行开关位置信息的S104阶段：处理器(9)通过第一执行开关位置反馈模块(5)、第二执行开关位置反馈模块(6)和第三执行开关位置反馈模块(7)读取当前所有的执行开关状态信息；

步骤五、读电能芯片电压值的S105阶段：通过SPI总线，在三相电能计量芯片(8)的寄存器中读取已经计算好的正弦电压有效值，从而确定当前电源状态；

步骤六、判断电压是否正常的S106阶段：判断电压值是否超出了正常电压的范围，如果判断结果为“是”，则进入下一步S107阶段，否则下一步进入S111阶段；

步骤七、判断开关位置是否对应的S107阶段：根据当前所得的信息与程序中已有的逻辑相印证，来判断当前设备状态是否正确，如果判断结果为“是”，则本次操作流程结束，否则下一步进入S108阶段；

步骤八、执行开关强制动作的S108阶段：处理器(9)通过执行开关控制模块(10、11、12)，发出改变执行开关状态命令；

步骤九、判断次数是否大于1的S109阶段：判断连续强制动作的次数是否大于1，以防止当执行开关损坏的情况下，程序陷入死循环，如果判断结果为“是”，则下一步重新进入S102阶段，否则下一步进入S110阶段；

步骤十、报警的S110阶段：进入报警模式，显示输出报警信息，等待人工干预；

步骤十一、报警的S111阶段：进入报警模式，显示输出报警信息，等待人工干预。

2.一种如权利要求1所述的基于并联功能的自动转换开关电器控制系统的控制方法，其特征在于：所述的控制方法分为自动工作模式和手动工作模式：

所述的手动工作模式时的控制流程包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、接到并联命令的S201阶段：控制器接收到要求执行开关并联的指令，进入并联处理阶段，下一步同时进入S202阶段和S203阶段；

步骤二、读取计量芯片数据的S202阶段：处理器(9)采用DMA的方法读取三相电能计量芯片(8)参数；然后下一步进入S205阶段；

步骤三、采集电源频率信号的S203阶段：处理器(9)将通过频率信号采集模块(3、4)采集电源的频率信息；

步骤四、计算频率信号的S204阶段：处理器(9)将采集到的电源频率信息进行分析处理，计算出来当前的电源频率值；然后进入下一步S205阶段；

步骤五、判断是否满足并联条件的S205阶段：处理器(9)判断当前的电源特征是否满足并联条件，如果判断结果为“是”，则进入下一步S207阶段，否则下一步进入S206阶段；

步骤六、发送显示信息的S206阶段：发送此次并联失败原因到显示模块(15)，显示并联失败的原因，然后下一步返回到并联处理阶段的入口处，重新进入S202阶段和S203阶段；

步骤七、控制执行开关操作的S207阶段：一旦并联条件符合，处理器(9)就会按照预定的逻辑，向三台执行开关发出合闸动作命令，本流程至此结束。