一种新型智能开关的研究与设计

张敏海，吴新开

（湖南科技大学 信息与电气工程学院，湘潭411201）

0 引 言

风力发电作为一种新能源技术，越来越被人们所认识和利用.在当前电力资源紧缺的条件下，一些企业和部门利用风力发电来满足日常供电需求，一方面可以节省电力资源，一方面也可以节约成本，但风力发电也有自身的局限性，不能时刻提供稳定的电能.在风力发电供电不足的情况下，为保证重要电气设备的正常工作，必须要及时、准确地切换到电网供电系统.

伴随各种用户或用电系统对自动化程度的需求和微电子技术等新技术的应用，双电源自动切换装置逐渐得到发展和应用［1，2］.本文利用 TMS320F2812作为主控芯片，通过对电源电压、电流的检测和判断来切换，实现对断路器正确、快速的控制［3，4］.系统软件开发灵活方便，具有良好的实时检测与控制特性，可根据用户的不同需要选择控制模式、设定电压和电流的正常工作范围、显示信号参数等功能.在此基础上，利用小波变换模极大值点检测原理和有效值计算相结合方法实现了对电压跌落的时间点和幅值的检测［5，6］.该方法比传统的Fourier变换、单相dq坐标变换检测方法能更好的刻画瞬态和突发性问题的能力，仿真结果表明该方法简单有效.

1 控制器的硬件设计

利用电压电流互感器将两路电源上的电压、电流信号转换为弱电信号，经过信号调理的模拟量送入DSP内置的12bit A／D转换模块，同时通过校准电路提高采样精度.利用DSP高速数据处理能力对采集数据进行分析、存储和判断.当检测到电源电压、电流信号偏差超出系统设定的正常工作范围，并且备用电源无异常状况时，就发出控制信号，此信号经过光电隔离模块控制接触器动作［7］.当检测到常用电源电压、电流达到正常设定的范围时，则发送备用电源断路器开闸和常用电源断路器合闸命令，自动将负载切换到常用电源，实现控制目的.同时通过RS485串行通信协议，采用中断和查询的方式与上位机实时通信，并且利用HD7279控制芯片，完成显示和键盘输入任务［8］.

按照模块化、数字化、智能化、网络化的设计思想，在设计中将整个硬件电路分为：电压、电流互感器及信号调理，DSP数据采集及处理，外部数据存储，串口通信，键盘和显示，断路器控制等模块.硬件原理结构图如图1所示.

图1 硬件原理结构框图

2 控制器软件设计

软件采用C语言和汇编语言混合编程.算法部分采用汇编语言编程，可提高程序代码效率，节省CPU时间，其他部分由C语言编程，，增强程序可读性，便于调试.全部程序采用模块化结构，包括主程序、AD采集和数据算法处理程序、断路器控制程序、数据存储、通讯及键盘显示等功能子程序.

主程序首先完成上电复位和系统初始化，然后扫描按键，看是否有按键被按下，有则先进行相应的按键中断处理程序，随后启动ADC采集处理模块，得出检测结果并进行判断，确定是否需要切换电源.如果需要切换，就发送控制信号完成相应操作.同时将采集的电压、电流信息保存在数据存储器中，便于分析和计算，并实时与上位机进行数据传递，最后将数据信息传输给显示模块，即时显示相应的数值和状态信息.主程序流程图如图2所示.

图2 主程序流程图

3 信号参数检测原理

采用传统有效值计算和小波变换相结合的算法来进行参数的检测.首先利用小波变换提取信号的基频的成分，然后对基频成分进行有效值计算，当采集到新的信号点时，顺序去掉最早采集的信号点，然后再用半个周期的采样值计算电压信号有效值.将得到的有效值与正常信号的有效值进行比较，就可以检测出电压跌落的大致区间，最后利用小波变换模极大值检测奇异点原理确定电压跌落的起止时刻.

3.1 幅值检测方法

（1）有效值计算法

对连续周期信号x（t）进行数字化后，可得电压、电流有效值离散信号为：

式中，x（n）为电压、电流采样值，N是一周波或半周波的采样点数.有效值的计算常采用滑动平均值法.

（2）峰值电压法

峰值电压是时间t的函数，公式为：

式中，u（t）是采样电压、电流波形，0＜τ＜T，T为半个周期的整数倍.电压峰值法检测到的跌落幅值与实际值相比，多数情况下偏大.

（3）基波分量法

以时间t为自变量的基波电压、电流的计算公式为：

式中ω0＝2π／T；T0为基波周期.电压的基波分量可以用FFT进行计算，其变化特性与整个周期有效值计算结果非常相似.若要快速得到电压的变化，则可利用半个周期的采样值来虚构一个周期的数据序列进行Fourier变换，从而得到基波电压、电流值.此方法要求采样的信号对称，否则将使计算结果产生误差.

此外还有基于瞬时无功功率理论的Park变换法、单相电压变换法、缺损电压法、单相d－q坐标变换法等用于幅值检测的方法.

3.2 小波变换模极大值原理

由于小波变换所得小波系数数值的大小取决于信号在奇异点附近的特性以及小波变换所选取的尺度，因而在较小的尺度上，它能够提供信号的局部化性质.因此，信号在突变点的奇异性可通过小波变换模的局部极大值来描述［9］.

设θ（t）为一低通光滑函数，其导数为Ψ（t），将Ψ（t）作为一个基本小波或母小波，伸缩后得到尺度函数Ψα（t），信号X（t）在尺度a上对Ψ（t）的小波变换为：

其中θα（t）＝a－1θ（a－1t），x（t）为待分析的信号，θα（t）为与Ψα（t）相对应的光滑函数.

由（4）式可知，小波变换Wa（x（t））是信号x（t）在尺度a下由光滑函数θa（t）平滑后的一阶导数.而函数一阶导数的绝对值（模）为极大值时所对应的点即为函数的突变点.也就是，当小波基函数取为平滑函数θa（t）的一阶导数时，其变换在各尺度下系数的模极大值对应于信号突变点的位置，即通过检测小波变换模极大值点就可以找到突变点，从而为利用小波变换确定电压跌落时刻点提供了理论依据.一般突变点的定位是在多分辨率分析的第一层和第二层高频系数中进行判断的.

4 实验结果及分析

利用db5小波对电压跌落信号进行两个尺度的分解，通过实验结果来观察小波变换对跌落信号的检测和定位效果［10］.取信号基频50Hz，，每周期采样200个点，信号中还含有各次谐波和白噪声.信号在第4000采样点到8000采样点之间发生电压跌落现象，且跌落幅值为80%.图3～图7给出了采用有效值和小波变换方法检测跌落参数的结果.

图3中为含有谐波的原始信号，图4为利用db5小波对原始信号分解提取的基频信号.图5为对应于图4信号的有效值曲线，从图5中可以看出直接用有效值检测得到的电压跌落时刻点与实际存在1／2的周期误差.图6则是对原始信号进行小波变换一次分解得到的高频系数（d1），图7则是对原始信号进行小波变换二次分解得到的高频系数（d2），从图6中可精确的得出电压跌落的起止时刻点，且与正常值相对应.最后，计算基频部分的电压跌落区域的有效值，并与额定电压值相除可以得出电压跌落的幅度.这样可以实现对电压、电流的实时监测和判断，提高整个系统的准确度.

5 结束语

智能开关控制器以TMS320F2812作为核心，充分利用其丰富片内资源及高速数据处理性能极大地提高了对原始采集数据的预处理和计算速度，实现了电压、电流实时监测与计算、断路器控制、键盘显示及通讯等功能，具有良好的人机交互界面.用户可以根据常用电源及负荷的实际情况设定工作模式、采样频率等参数.系统采取光耦隔离、看门狗、屏蔽及数字滤波等软硬件措施，提高了系统的抗干扰能力.同时对常用电源出现电压跌落的情况进行研究和分析，并对数据信息进行相应的算法处理和判断，能比较准确地得出电压跌落幅度，检测出电压跌落的起止时刻.保证控制系统快速、准确的动作，提高了系统的可靠性、灵活性和稳定性.

［1］ 李 雨，丁鸿杰，齐从谦.双供电系统实时监控和自动切换装置的研制［J］.工业仪表与自动化装置，2003，（5）：58－61.

［2］ 王 飞，吴 茂.智能型双电源自动切换控制器的设计［J］.工业控制计算机，2009，22（8）：91－92.

［3］ 张 燕.基于DSP2812的双电源供电系统智能控制器的研究［D］.曲阜师范大学硕士学位论文，2010，4.

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［5］ 杨亚飞，颜湘武，娄尧林.一种新的电压骤降特征量检测方法［J］.电力系统自动化，2004，28（2）：41－44.

［6］ 谭 平.基于小波变换的电能质量扰动检测与定位［J］.电工电气，2010，（6）：54－57.

［7］ 孙德刚，孙 光.光耦线性化与线性光耦器件的应用［J］.现代电子技术，2004，（1）：28－30.

［8］ 朱海君，刘彩虹，敬 岚.智能控制芯片 HD7279A及其应用设计［J］.中国仪器仪表，2004，（3）.

［9］ 刘 锐.基于小波变换的电能质量扰动的研究［D］.厦门大学硕士学位论文，2006，4.

［10］诸 珺，马建伟.基于小波变换的电能质量扰动信号的检测［J］.电力系统保护与控制，2009，37（5）：34－36.