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摘要：针对不间断供电的需求，提出了一种基于DSP的双电源备用电源自动切换控制器设计方案，使用AD模块完成数据采集，使用傅立叶算法进行数据处理，通过CAN总线与监控主站进行通信，完成双电源备自投功能；实验验证了该设计的正确性及有效性，为双电源备自投控制器更新换代开辟了一条高性能低成本途径。
关键词：备用电源自动切换；数据采集；DSP
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）06-0262-03
Design of Intelligent Dual Power Automatic Switching Controller Based on DSP
ZUO Jiang-lin， XIE Xie-feng， HUANG Li-juan
（Department of Electrical Engineering， Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic， Nanning 530023， China）
Abstract： Aiming at the demand of uninterrupted power supply，a novel design method of intelligent dual power automatic switching controller based on DSP is presented，The system can sample the signal in the same time with the an analog to digital converter module，and process power quality’s data in real time with FFT algorithm，It can also communicate the data to monitoring host with CAN Bus and Ethernet，and finish the order from monitoring host；the experiments verify the feasibility and reliability of the design proposed，the design is an effective way for traditional BZT to upgrade.
Key words： BZT； data acquisition； DSP
随着社会的不断发展， 人们越来越重视电能质量，很多精密设备仪器对供电可靠性要求非常高，在很多场合（比如：机场、医院、大型生产线等），为了确保供电的可靠性，需设置双电源，当主电源发生故障时，能切换到备用电源供电，这种切换功能通常是由备用电源自动投入装置（BZT）完成。传统的BZT装置是电磁型备自投，其由若干继电器根据不同的运行方式构成相应的备自投回路，这种BZT存在功能单一、不易改变运行方式、继电器容易损坏和逻辑控制回路复杂等问题。针对传统BZT装置存在的上述问题，设计并开发了以高性能工业级微控制器DSP为核心的备用电源自动投入装置，通过对两路进线三相电压的实时检测，对供电线路出现的电压异常（120%以上过压、75%以下欠压、缺相）做出准确的判断，并经过预定延时后进行控制切换。该设计充分发挥了DSP的智能化优势，功能强，使用灵活，维护方便，动作定值采用全部数字化给定，进一步提高了BZT装置的适用性和可靠性。
1 硬件设计
BZT采用模块化设计方法，设计满足转换系统功能要求的硬件电路，主要是由交流插件板、CPU板、继电器输出板、电源板和人机对话板（MMI板）组成，其中，交流插件完成将模拟输入量准确的转换为所需要的数字量的任务，其主要由CT/PT互感器、运放、AD等组成，其采用高精度霍尔电流传感器采集电流信号，采用隔离电压传感器采集直流母线电压信号，AD采样芯片主要负责模数转换，基本原理为逐次逼近法，AD芯片采样位数使用12位，转换后的值即为AD采样值，用来进行计算，也可通过录波文件来查看此采样值；CPU板采用嵌入式数字信号处理器（DSP），完成数据采集和运算处理，为了提高系统的抗干扰能力和运行可靠性，在硬件设计和PCB制板上采用表面贴安装工艺；继电器输出板采用高成本、高可靠性的智能功率模块IPM的Driver Card，用于对开关进行跳合闸的出口继电器和用户发信号的告警继电器，为了确保输出板正常上电，系统采用软启动上电设计；电源板供电直接来自主/备用电源，在设计电源模块时，需要考虑各种输出电压在带负载情况下的输出电流，即带负载能力，电源模块可以接受输入直流220V或交流220V，经变压器变压后由整流桥输出直流电，其输出四种不同电压电源： 24V、 12V、-12V、 5V，其中24V用于开入和开出继电器、12V用于A/D采集模块、 5V用于DSP系统；人机对话板（MMI板）为提供人机接口窗口，具有键盘输入和LCD晶显示功能，通过串行通信与CPU板相连。
BZT通过采集主备两回线路的电压、故障电流、开关位置、备自投开入、开入闭锁等信号量，根据一定的设置、状态和相关算法生成控制信号，利用控制器内部的固有逻辑自动对开关进行合、分闸操作，实现线路的切换，从而实现线路的不间断供电，同时，同时CPU还负责实现MMI界面和上位机CAN通信，并由通信电路与其他设备相连。根据功能需求，设计的BZT控制板硬件框架如图1所示：
图1中，CPU控制器是备自投装置的核心检测及控制部件，其采用32位浮点DSPTMS320F28335，工作频率150MHZ，片内共有34K×16 位单周期单次访问随机存储器的SRAM，片内8K×16-bit Boot ROM、1K×16-bit OTP ROM和34K×16-bit SRAM，DSP片外扩展 256K×16-bit SRAM，片内置A/D（2×8通道，12-bit分辩率，80ns转换时间、0～3V量程），外扩串行64k容量EEPROM（AT24LC64）、1路RS232标准的SCI接口和2路CAN2.0B收发转换电路，非常方便应用到电力设备控制，电机控制及工业控制等领域，在BZT中，主要是完成数据采集和运算处理；AD转换模块采用12位11通道模拟到数字芯片TLC2543，速度可以达到250K/S（25万次/秒），采集电压范围0～5V直流电压，其内置跟踪保持电路，利用3个硬件地址引脚寻址，由I2C总线速率决定采样率，11路模拟输入可编程为单端型或差分输入，通过I2C总线串行输入/输出；系统中有强电和弱电共存且相互影响的情况为了提高系统抗干扰能力，开关量输入模块采用采用了防雷电路、光耦隔离和超限保护设计，隔离电压为2500V，0.01秒快速采集所有通道，其中用1路作为高速脉冲PI输入，实现PI脉冲输入计数；开关量输出模块采用光电隔离和继电器隔離设计，使用继电器输出，响应事件小于10毫秒，继电器控制最大负载220V30A（4000W），主备用电源切换继电器可直接用于驱动开关转换，正转反转由两个继电器分别控制；MMI板采用7寸USART HMI 组态屏，该HMI 组态屏分辨率800*480，可以灵活自定义任意Windows字库，支持多种组态控件、基本的GUI指令（画矩形、画线、画点等）和多种图片格式（PNG、JPEG 、JPG、BMP等），其通过串口RS232与CPU板通信。 2 软件设计
软件设计采用模块化结构，包括系统初始化、系统参数整定与存储、开关状态检测、A/D采集、频率测量、输出驱动、显示报警等。
装置上电后首先进行系统初始化（对一些变量和保护进行初始处理），与远方监控机通过CAN总线建立通信连接，然后循环进行AD采样，采用异步采样（所有通道不是同时采集，而是顺序采集，采用多路开关进行切换），每周波采样32点，AD采样数据一般均存储在环形队列中，以方便傅里叶等算法的计算，设置定时器，采样两路电源，保护CT采样保护电流Iap、Ibp、Icp，测量CT采样进线电流ITL1、ITL2，运用傅里叶算法进行交流量计算（公式如公式1所示），并判断是否有缺相中断，对缺相中断次数进行计数， 采样出线电压Uab2、Ubc2及进线电压Uabl1、Uabl2，检测电压，判断是否过压、欠压、失压，累计采样次数，若循环采样定时没到，则再重新进行数据采样；若循环采样定时到，若缺相判断周期没到，则根据中断次数判断是否缺陷，若缺相判断周期到，检测辅导开关位置并显示当前电源位置，并完成与监控进行数据通信（监控端用公式2计算电压或电流值），然后判断当前BZT是手动或自动切换，若是自动切换，则只有在一端电源正常，另一端电源失压情况下，备自投才向正常端切换；若是自动切换，则只有在一端电源正常，另一端电源失压情况下，备自投才向正常端切换。
[x（t）=λ=0∞[aλsin（λw1t） bλcos（λw1t）]aλ=2T0Tx（t）sin（λw1t）dtbλ=2T0Tx（t）cos（λw1t）dt] （1）
[I=DI2047×2InU=DU2047×2Un f=Df2047×2 50] （2）
其中，λ：各次諧波（包括基波）0、1、2、……，aλ：各次谐波（包括基波）正弦项，bλ：各次谐波（包括基波）余弦项，N：一个工频周期采样点数，x（k）：x（t）在tk时刻的采样值，In 为电流额定值， Un 为电压额定值，DI为发送的电流二进制值， DU为发送的电压二进制值。软件处理中，采用梯形法来求取积分值。
3 实践应用
某备自投基本主接线图：
图3中，1DL、2DL、3DL是开关位置，Uab2、Ubc2是2#变低压侧母线电压，Uab1、Ubc1是1#变低压侧母线电压， Ux1和Ux2分别是1#和变高压侧母线电压（相间电压），Ix1和Ix2是1#和2#变低压侧电流；其中，Uab1、Ubc1、Uab2、Ubc2用作有压及无压判断，作为充电条件和动作条件的判据，Ux1和Ux2用于进线检有压判断，Ix1和Ix2用于对三相PT断线可能造成的误动的闭锁。
4 结束语
设计的双电源备自投控制器集智能化、数字化、网络化于一体，通过信号采集和处理电路对常用和备用电源的状态进行实时检测，能对双电源的缺陷、过压、欠压及失压进行检测，并能在主备电源之间进行可靠的切换，在硬件上采用 DSP 微处理器技术，具有运算速度快、处理能力强、体积小、成本低等优点，采用模块化的软件设计方法，缩短了设计周期， 设计中用 了软件滤波和看门狗等技术以增强系统的可靠性；实际运行表明，该BZT功能完善，工作可靠，能监控显示电源的工作状态及远程通信控制。
参考文献：
[1] 胡莹. 双电源转换控制器研制[J]. 低压电器， 2006（11）.
[2] 舒双宝. 基于DSP和ARM便携式电能质量监测系统的设计与实现[J]. 电力系统保护与控制， 2010（12）： 187：
[3] 杨黄华. 基于DSP的电能质量监测系统的设计[J]. 水电能源科学， 2010（11）： 155-159.
[4] 王少龙. 基于PLC实现的变电站站用电源备自投系统设计[J].电气自动化， 2014（1）.
关键词：备用电源自动切换；数据采集；DSP
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）06-0262-03
Design of Intelligent Dual Power Automatic Switching Controller Based on DSP
ZUO Jiang-lin， XIE Xie-feng， HUANG Li-juan
（Department of Electrical Engineering， Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic， Nanning 530023， China）
Abstract： Aiming at the demand of uninterrupted power supply，a novel design method of intelligent dual power automatic switching controller based on DSP is presented，The system can sample the signal in the same time with the an analog to digital converter module，and process power quality’s data in real time with FFT algorithm，It can also communicate the data to monitoring host with CAN Bus and Ethernet，and finish the order from monitoring host；the experiments verify the feasibility and reliability of the design proposed，the design is an effective way for traditional BZT to upgrade.
Key words： BZT； data acquisition； DSP
随着社会的不断发展， 人们越来越重视电能质量，很多精密设备仪器对供电可靠性要求非常高，在很多场合（比如：机场、医院、大型生产线等），为了确保供电的可靠性，需设置双电源，当主电源发生故障时，能切换到备用电源供电，这种切换功能通常是由备用电源自动投入装置（BZT）完成。传统的BZT装置是电磁型备自投，其由若干继电器根据不同的运行方式构成相应的备自投回路，这种BZT存在功能单一、不易改变运行方式、继电器容易损坏和逻辑控制回路复杂等问题。针对传统BZT装置存在的上述问题，设计并开发了以高性能工业级微控制器DSP为核心的备用电源自动投入装置，通过对两路进线三相电压的实时检测，对供电线路出现的电压异常（120%以上过压、75%以下欠压、缺相）做出准确的判断，并经过预定延时后进行控制切换。该设计充分发挥了DSP的智能化优势，功能强，使用灵活，维护方便，动作定值采用全部数字化给定，进一步提高了BZT装置的适用性和可靠性。
1 硬件设计
BZT采用模块化设计方法，设计满足转换系统功能要求的硬件电路，主要是由交流插件板、CPU板、继电器输出板、电源板和人机对话板（MMI板）组成，其中，交流插件完成将模拟输入量准确的转换为所需要的数字量的任务，其主要由CT/PT互感器、运放、AD等组成，其采用高精度霍尔电流传感器采集电流信号，采用隔离电压传感器采集直流母线电压信号，AD采样芯片主要负责模数转换，基本原理为逐次逼近法，AD芯片采样位数使用12位，转换后的值即为AD采样值，用来进行计算，也可通过录波文件来查看此采样值；CPU板采用嵌入式数字信号处理器（DSP），完成数据采集和运算处理，为了提高系统的抗干扰能力和运行可靠性，在硬件设计和PCB制板上采用表面贴安装工艺；继电器输出板采用高成本、高可靠性的智能功率模块IPM的Driver Card，用于对开关进行跳合闸的出口继电器和用户发信号的告警继电器，为了确保输出板正常上电，系统采用软启动上电设计；电源板供电直接来自主/备用电源，在设计电源模块时，需要考虑各种输出电压在带负载情况下的输出电流，即带负载能力，电源模块可以接受输入直流220V或交流220V，经变压器变压后由整流桥输出直流电，其输出四种不同电压电源： 24V、 12V、-12V、 5V，其中24V用于开入和开出继电器、12V用于A/D采集模块、 5V用于DSP系统；人机对话板（MMI板）为提供人机接口窗口，具有键盘输入和LCD晶显示功能，通过串行通信与CPU板相连。
BZT通过采集主备两回线路的电压、故障电流、开关位置、备自投开入、开入闭锁等信号量，根据一定的设置、状态和相关算法生成控制信号，利用控制器内部的固有逻辑自动对开关进行合、分闸操作，实现线路的切换，从而实现线路的不间断供电，同时，同时CPU还负责实现MMI界面和上位机CAN通信，并由通信电路与其他设备相连。根据功能需求，设计的BZT控制板硬件框架如图1所示：
图1中，CPU控制器是备自投装置的核心检测及控制部件，其采用32位浮点DSPTMS320F28335，工作频率150MHZ，片内共有34K×16 位单周期单次访问随机存储器的SRAM，片内8K×16-bit Boot ROM、1K×16-bit OTP ROM和34K×16-bit SRAM，DSP片外扩展 256K×16-bit SRAM，片内置A/D（2×8通道，12-bit分辩率，80ns转换时间、0～3V量程），外扩串行64k容量EEPROM（AT24LC64）、1路RS232标准的SCI接口和2路CAN2.0B收发转换电路，非常方便应用到电力设备控制，电机控制及工业控制等领域，在BZT中，主要是完成数据采集和运算处理；AD转换模块采用12位11通道模拟到数字芯片TLC2543，速度可以达到250K/S（25万次/秒），采集电压范围0～5V直流电压，其内置跟踪保持电路，利用3个硬件地址引脚寻址，由I2C总线速率决定采样率，11路模拟输入可编程为单端型或差分输入，通过I2C总线串行输入/输出；系统中有强电和弱电共存且相互影响的情况为了提高系统抗干扰能力，开关量输入模块采用采用了防雷电路、光耦隔离和超限保护设计，隔离电压为2500V，0.01秒快速采集所有通道，其中用1路作为高速脉冲PI输入，实现PI脉冲输入计数；开关量输出模块采用光电隔离和继电器隔離设计，使用继电器输出，响应事件小于10毫秒，继电器控制最大负载220V30A（4000W），主备用电源切换继电器可直接用于驱动开关转换，正转反转由两个继电器分别控制；MMI板采用7寸USART HMI 组态屏，该HMI 组态屏分辨率800*480，可以灵活自定义任意Windows字库，支持多种组态控件、基本的GUI指令（画矩形、画线、画点等）和多种图片格式（PNG、JPEG 、JPG、BMP等），其通过串口RS232与CPU板通信。 2 软件设计
软件设计采用模块化结构，包括系统初始化、系统参数整定与存储、开关状态检测、A/D采集、频率测量、输出驱动、显示报警等。
装置上电后首先进行系统初始化（对一些变量和保护进行初始处理），与远方监控机通过CAN总线建立通信连接，然后循环进行AD采样，采用异步采样（所有通道不是同时采集，而是顺序采集，采用多路开关进行切换），每周波采样32点，AD采样数据一般均存储在环形队列中，以方便傅里叶等算法的计算，设置定时器，采样两路电源，保护CT采样保护电流Iap、Ibp、Icp，测量CT采样进线电流ITL1、ITL2，运用傅里叶算法进行交流量计算（公式如公式1所示），并判断是否有缺相中断，对缺相中断次数进行计数， 采样出线电压Uab2、Ubc2及进线电压Uabl1、Uabl2，检测电压，判断是否过压、欠压、失压，累计采样次数，若循环采样定时没到，则再重新进行数据采样；若循环采样定时到，若缺相判断周期没到，则根据中断次数判断是否缺陷，若缺相判断周期到，检测辅导开关位置并显示当前电源位置，并完成与监控进行数据通信（监控端用公式2计算电压或电流值），然后判断当前BZT是手动或自动切换，若是自动切换，则只有在一端电源正常，另一端电源失压情况下，备自投才向正常端切换；若是自动切换，则只有在一端电源正常，另一端电源失压情况下，备自投才向正常端切换。
[x（t）=λ=0∞[aλsin（λw1t） bλcos（λw1t）]aλ=2T0Tx（t）sin（λw1t）dtbλ=2T0Tx（t）cos（λw1t）dt] （1）
[I=DI2047×2InU=DU2047×2Un f=Df2047×2 50] （2）
其中，λ：各次諧波（包括基波）0、1、2、……，aλ：各次谐波（包括基波）正弦项，bλ：各次谐波（包括基波）余弦项，N：一个工频周期采样点数，x（k）：x（t）在tk时刻的采样值，In 为电流额定值， Un 为电压额定值，DI为发送的电流二进制值， DU为发送的电压二进制值。软件处理中，采用梯形法来求取积分值。
3 实践应用
某备自投基本主接线图：
图3中，1DL、2DL、3DL是开关位置，Uab2、Ubc2是2#变低压侧母线电压，Uab1、Ubc1是1#变低压侧母线电压， Ux1和Ux2分别是1#和变高压侧母线电压（相间电压），Ix1和Ix2是1#和2#变低压侧电流；其中，Uab1、Ubc1、Uab2、Ubc2用作有压及无压判断，作为充电条件和动作条件的判据，Ux1和Ux2用于进线检有压判断，Ix1和Ix2用于对三相PT断线可能造成的误动的闭锁。
4 结束语
设计的双电源备自投控制器集智能化、数字化、网络化于一体，通过信号采集和处理电路对常用和备用电源的状态进行实时检测，能对双电源的缺陷、过压、欠压及失压进行检测，并能在主备电源之间进行可靠的切换，在硬件上采用 DSP 微处理器技术，具有运算速度快、处理能力强、体积小、成本低等优点，采用模块化的软件设计方法，缩短了设计周期， 设计中用 了软件滤波和看门狗等技术以增强系统的可靠性；实际运行表明，该BZT功能完善，工作可靠，能监控显示电源的工作状态及远程通信控制。
参考文献：
[1] 胡莹. 双电源转换控制器研制[J]. 低压电器， 2006（11）.
[2] 舒双宝. 基于DSP和ARM便携式电能质量监测系统的设计与实现[J]. 电力系统保护与控制， 2010（12）： 187：
[3] 杨黄华. 基于DSP的电能质量监测系统的设计[J]. 水电能源科学， 2010（11）： 155-159.
[4] 王少龙. 基于PLC实现的变电站站用电源备自投系统设计[J].电气自动化， 2014（1）.