一种新型双电源自动切换控制器的设计

一种新型双电源自动切换控制器的设计

吉林省教育厅科技计划项目(吉教科合字[2014]332)

吉林省省级经济结构战略调整引导资金专项(2014Y121)

吉林省科技发展计划项目(20150204044SF)

主要研究建筑电气及其智能化工程。

王迅，贾振国

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

摘要：阐述了我国双电源自动切换装置的发展概况以及在功能和技术方面的局限性，提出了一种以三相电能专用计量芯片和单片机为控制核心的新型双电源自动切换控制器的设计方案。该控制器采用了独特的三相电能计量芯片ATT7022E作为信号采集部分的核心，充分利用其高精度和多功能的优点，对两路电源的电流、电压、频率以及相序等参数进行信号采集。单片机与ATT7022E进行SPI通讯，对数据分析处理并发出控制信号。

关键词：控制器；单片机；ATT7022E；三相电能专用计量芯片

0引言

随着国民经济的快速发展，电力用户对供电电源的连续性和可靠性的要求越来越高，尤其是在一些重要的用电场所(如医院、机场、军事设施区等)不允许中断供电，所以，为保证电气设备的正常工作，一般都采用两路电源独立供电，两路电源切换控制由双电源切换装置完成。GB 50052—1995《供配电系统设计规范》中规定当由2个电源供电的一级负荷中一个电源发生故障时，另一个电源应该能够正常工作。在二级负荷的供电系统，亦由两路电源供电[1]。同时GB 50045—1995《高层民用建筑设计防火规范》规定对于高层建筑的消防设施及设备的供电系统最末一级配电箱处应设置自动切换装置；而对于一级负荷中的重要负荷及二级负荷，由于其中断供电可能会在政治、经济上造成损失或影响重大，需设置双电源自动切换装置以尽快恢复正常供电[2]。所以，针对现实需要，双电源自动切换装置(Automatic-Transfer Switching Equipment，以下简称ATSE)应运而生。

1ATSE简介

ATSE由自动转换开关本体和控制器2大部分组成[3]。控制器是ATSE必不可少的组成部分，ATSE能否在重要时刻发挥作用，控制器的可靠性是关键，这也是ATSE区别于其他低压开关的最重要之处。制造商往往只关注ATSE的电气性能，忽视了控制器的可靠性和功能。实际上ATSE在使用过程中，绝大部分故障是控制器造成的。目前，市场上ATSE控制器通常采用可编程逻辑控制器(PLC)或单片机为核心[4]，主要通过对电压的检测来控制电源切换，但随着电力用户对电能质量要求的不断提高以及远程通讯控制的发展，传统的ATSE控制器已经无法满足现代电力用户的需求。为此，本文设计了一款新型双电源自动切换控制器，该控制器不仅具有强大的测量和信号处理能力，还支持全数字域的增益以及误差校正，实现高精度测量，充分满足电力用户对供电质量越来越高的要求。

2ATSE控制器总体设计方案

本文所设计的ATSE控制器由信号采集部分和MCU控制部分组成。信号采集部分主要由ATT7022E和互感器组成。MCU控制部分主要由单片机、LCD液晶显示、声光报警等相关部分组成。

硬件原理方框图如图1所示。控制器工作方式采用自投自复模式。常用电源、备用电源经互感器分压后，电压、电流信号分别输入到ATT7022E的电压、电流通道，经ATT7022E处理后，由MCU读取其数据，当MCU检测到常用电源参数异常时，发出常用电源断路器分闸指令，在备用电源参数正常的情况下，发出备用电源断路器合闸指令。如果常用电源参数恢复正常，则首先向备用电源断路器发出分闸指令，然后向常用电源断路器发出合闸指令，自动将负载从备用电源切换回常用电源。

图1　硬件原理方框图

2.1控制器特点

2.1.1多功能

当前，ATSE控制器信号采集多采用整流滤波电路、A/D转换电路、光耦隔离电路等电路。这种信号采集方法，不仅结构复杂、抗干扰性差，而且功能单一，精度较低。而本设计的信号采集部分采用了多功能高精度的三相电能专用计量芯片，具有强大的测量功能和信号处理能力，能够测量各相电流、电压有效值，功率因数，相角，频率等参数，充分满足电力用户对电能质量越来越高的要求，保证用电设备的安全。

2.1.2高精度

ATT7022E在输入动态工作范围3 000∶1内，非线性测量误差小于0.1%，支持全数字域的增益、相位校正，电压通道、电流通道有效值在0.2～500 mV(放大后的电压值)之间。见表1所示为MCU读取的ATT7022E计量寄存器的电压有效值、电压峰值以及频率数据。

表1　ATT7022E部分计量寄存器数据

以A相为例，本设计中，常用电源信号经电压互感器分压后得到260.50 mV的电压信号，输入到ATT7022E的电压通道后，ATT7022E计量寄存器数据采取补码形式给出，MCU通过SPI接口读取数据，得到长度为3个字节的数据0x2097F7。

根据ATT7022E计量寄存器说明，有效值寄存器机最高位为符号位，Ua=Urms/2^13，计算得出Ua=260.75 mV。根据峰值寄存器说明，峰值电压寄存器为20位补码数据，bit19位符号位，bit20~23无效，PeakUa=PeakU/2^9，计算得出PeakUa=368.78 mV。根据电压线频率寄存器，最高位为符号位，f=Freq/2^13，计算得出f=49.96 Hz。以此类推，根据ATT7022E计量参数寄存器说明，就可以准确地得出测量数据。

2.2信号采集部分

ATT7022E信号采集部分主要是对常、备用电源的电流、电压、频率等信号进行瞬时采样。ATT7022E内部集成了7路二阶sigma-delta ADC和多种数字信号处理电路，同时,ATT7022E还具有ADC采样数据缓冲功能和同步采样数据缓冲功能，并通过其SPI通讯接口与外部MCU之间进行计量参数及校表参数的传递。

2.3MCU控制部分

MCU控制部分读取ATT7022E计量参数寄存器数据，通过与标准值进行比较，判断电源是否需要进行切换。此外，MCU控制部分还可通过LCD液晶显示屏和声光报警部分，达到显示和报警的目的。此外，由于本设计采用了高精度的三相电能专用计量芯片ATT7022E，MCU不仅能读取电流、电压有效值等基本参数，还能得到过电流、电压闪变、相序、功率因数等参数，尤其在电能质量要求较高的场所更加凸显优势。

3系统硬件设计方案

3.1信号采集部分结构

信号采集部分如图2所示，ATT7022E内部含3个电压通道和4个电流通道，输入电压范围为±710 mV。

电压互感器采用YHDC TV16E电流型电压互感器。常、备用电源经限流电阻输入，经二次侧取样电阻得到电压信号，输入电流为0～2.5 mA，线性度优于0.2%，可实现电压信号高精度转换。

电流互感器采用ACREL AKH-0.66 Z系列三相一体式电流互感器，额定电流比为100 A/20 mA，经二次侧采样电阻得到电压信号，具有良好的线性度，可实现电流信号的高精度转换。

ATT7022E外围电路如图3所示，ATT7022E是一颗精度高且功能强的多功能防窃电三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样。电流通道有效值在0.1～500 mV的范围内线性误差小于0.1%，电压通道有效值在0.2 mV至500 mV的范围内线性误差小于0.1%，外围硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及SPI通讯接口等电路。

图2　信号采集部分结构

图3　ATT7022E外围电路

3.2MCU控制部分结构

MCU通过SPI接口与ATT7022E之间进行计量参数以及校表参数的传递。MCU与ATT7022E一般有8条连线，其中4条是SPI接口线CS、SCLK、DIN、DOUT，一条ATT7022E的复位控制线RST，一条握手信号线IRQ，一条是接线方式选择SEL，一条是功率正负判断逻辑输出线REVP。ATT7022E还提供有功、无功、视在及基波有功电能脉冲输出端口CF1、CF2、CF3、CF4，可以直接接到校准表，进行误差校正。同时，MCU还可通过RS485接口与上位机进行通讯，并可通过计算机修改ATSE的运行参数。此外，常、备用三相电源电压、频率等计量参数的显示通过LCD液晶显示屏实现，更加适合ATSE的应用现场，方便操作人员观察、操作。EEPROM存储部分主要存储电压、频率等主要计量参数的标准值，MCU利用从ATT7022E读取的计量参数与标准值进行比较，发出相应的控制信号，实现常、备用电源的自主切换。

4系统软件设计方案

4.1软件设计方案

软件设计方案主要包括拟定程序的总体方案、绘制主程序流程图、程序设计语言编制以及调试程序。所以，结合本设计的硬件特点和控制器要求，采用C语言编程。

由于控制器的功能强大，信息量也比较大，故在本设计中，采用模块化设计的思想，即将程序划分成若干相对独立的程序模块，各模块单独设计、编程、调试，然后再将若干模块通过连接程序连在一起进行调试工作。

本设计包括1个主模块和7个子模块(电源参数监测模块、断路器状态监测模块、断路器控制模块、显示模块、通讯模块、声光报警模块、存储模块)。

4.2主程序流程图

主程序流程图如图4所示，主程序是ATSE控制器的核心，主要任务是根据电源状态监测模块对电源的电压、电流、频率等各项参数和断路器状态监测模块提供的断路器状态信息进行分析判断，以确定是否需要向断路器发出控制信号，并发出声光报警，完成电源切换。

4.3子模块程序设计

1)电源状态监测模块。主要任务是在定时器T0中断控制下，通过SPI通讯接口，对ATT7022E计量寄存器内部参数进行读取，将读取的数据按照ATT7022E芯片手册给出的计算方式，得出各项参数的实际值，把实际值与各项参数正常工作时的上、下限进行比较，并向主程序模块发送电源是否符合用户要求的状态信息，同时向显示模块和RS485通讯模块发送各项参数。

2)断路器状态监测模块。通过MCU的并行接口读取断路器辅助触点所对应的开关量，确定每一路断路器的分合闸状态，这些数据一方面向主程序模块发送以配合电源状态监测模块，保证主程序模块做出正确的切换判断，确保2个断路器不能同时合闸，另一方面传送给显示模块和RS485通讯模块。

3)断路器控制模块。根据电源状态信息、断路器状态信息以及预先设定的延时，若满足上述条件，则发出断路器合闸、分闸指令，完成电源自主切换。

4)显示模块。利用LCD液晶显示屏显示电源和断路器状态信息。

5)声光报警模块。主程序向断路器发出分闸、合闸控制信号的同时，向声光报警模块发出控制信号，启动声光报警。

6)存储模块。采用EEPROM AT24C16，对用户设定的参数标准值和工作数据进行掉电保护。

7)通讯模块。包括SPI通讯和RS485通讯，MCU通过SPI接口与ATT7022E实现计量参数和校表参数的传递，通过RS485接收上位机发送的设置参数，并上传电源和断路器状态信息。

图4　主程序流程图

5结语

本文设计的新型ATSE控制器具有传统ATSE控制器不可比拟的诸多优点，充分发挥了ATT7022E强大的测量功能和信号处理能力，利用单片机丰富的片内资源，具有良好的人机交互界面和通讯功能，实现高精度测量和智能化控制，真正做到了集数字化、智能化、网络化于一体，符合当今ATSE的主流趋势，更有利于推动今后ATSE机电一体化的发展。同时，也有利于我国智能电网的发展，推动了国产ATSE向智能化和高可靠性方向发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.GB 50052—2009 供配电系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2] 中华人民共和国公安部.GB 50016—2006 高层民用建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2005.

[3] 王琳琳，杨勇伟.双电源自动转换开关(ATSE)在电气设计中的选择及应用[J].河南建材，2014(4):204-205.

[4] 刘用峰，王克英，李长青.基于ATmega16的双电源自动切换控制器[J].继电器，2006，23:54-57.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.011

收稿日期：2015-01-28

基金项目：住房和城乡建设部2014年科学技术项目计划(2014-K8-064;2014-K1-067)

作者简介：王迅(1990-)，男(汉)，长春，硕士

中图分类号：TP23

文献标志码：A

文章编号：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