王玉国，田 宇

（国家能源集团 河北国华沧东发电有限责任公司，河北 沧州 061113）

目前，发电厂热工控制系统与设备双路交流220V电源供电采用较多的方案是全厂UPS和保安电源，两路电源实现自动切换。由于发生多起机组一路交流电源电压下降切换时，因自动切换时间无法满足现场设备和计算机主系统的供电要求，导致控制系统或设备工作异常而引发事故。为此，国华沧东发电有限公司组织相关人员对交流双电源进行诊断分析，对不满足要求的设备通过立项整改，消除了隐患，为热控系统和机组的稳定运行提供了保障。

1 电源引起的故障

案例1：广东某电厂#1机组，由于电气事故引起发电机跳机，厂用电失去，循环水为公用系统，主工作电源取自#1机组，循环水电源切换装置采用机械式切换开关，动作时间约为1s。因切换时间太长，造成水压不足引发#2发电机跳闸，造成全厂两台1000MW机组全部停电的恶性事故。

图1 炉侧控制电源Fig.1 Furnace side control power

案例2：河南某发电厂，由于UPS异常，造成输出电源低至148V，DEH电源采用的是交流接触器切换，没有切换到第二路电源，造成DEH控制电源失电，引起机组跳闸，而其他单元采用的是具有电压判据的切换模式，可以正常切换到备用电源。

由于电源异常引起的案例远远不止这些，据权威部门统计电源引起的故障几乎占到热控总故障的10%以上。

2 原有设备电源切换测试

上述电源故障，表明了电源可靠性对机组安全运行的重要性。为了防止类似故障在国华沧东发电有限公司机组运行中发生，利用机组检修机会，以3号机组为对象，对热控DCS、DEH、MEH、ETS、TSI、旁路、火检、外围PLC等控制系统、环保表计等电源，进行交流切换测试，以获得现有交流双电源切换设备的性能指标作为依据，为定量评估双电源切换的整体现状提供基础准备。

测试前应做好准备工作，核对电源开关与进线开关对应关系正确；盘柜内相关电源连线和柜内各开关标识无误，并准备好试验设备，可采用：

1）智能电源监测仪ZR-PM-201记录切换波形，该监测仪具有高速瞬态记录模式，高刷新率、高采样率，完全自动记录，无需人工干预等特点。

2）可编程交流变频电源，型号为APS5001A，用于改变输入电源的频率、电压等，模拟发生频率异常和电压异常，观察电源切换情况。

上述准备工作完成后，对测试系统与装置电源逐一送电，核对对应关系是否正确。

根据先前核查，热控系统与设备交流双电源，主要采用接触器、机械式开关类切换，下面分别进行测试。

图2 DCS监控系统电源Fig.2 DCS monitoring system power supply

2.1 接触器类切换

1）接触器类切换现场

测试时，选择炉侧控制电源柜、机侧控制电源柜、DCS监控系统电源的双电源切换开关，其中炉侧电源两个接触器现场如图1所示，DCS监控系统电源两个接触器现场如图2所示。

2）接触器类切换原理

切换电气原理图如图3所示，其切换是利用接触器线圈的电压，低于其释放电压时进行切换。采用的是1Q接触器的常闭触点串在2Q接触器的线圈，同样2Q接触器的常闭触点串在1Q接触器的线圈，这样可以在主工作的1Q接触器释放常闭触点闭合，接通2Q接触器线圈，输出电源切换到电源2。

3）切换时间——波形分析

正常工作在输入1电源，测试记录如图4所示。根据切换波形分析，可以看出输入1电源的幅值已经比较低的情况下，输出电源也跟随输入1电源保持在较低的电压，而此时输入2是正常电源，幅值远远高于输入1电源，但接触器的工作特性造成线圈并未释放，所以整个输出一直维持在电压低的输入1电源，在第一路电源电压继续下降到额定电压的60%时，第一路接触器线圈释放输出断电，经过约30ms，第二路接触器动作输出电源才切换到第二路。

4）接触器切换优缺点分析

接触器接线简单，只需要两个接触器利用其线圈联锁实现双路电源自动切换。缺点是没有切换判据，只能依靠接触器线圈的释放切换，容易造成主电源低电压情况下不能切换到电压正常的第二路电源，线圈长时间带电，消耗能量，也容易引起接触器线圈发热。

图3 切换电气原理图Fig.3 Switching electrical schematic

图5 机械开关切换原理图Fig.5 Schematic diagram of mechanical switch switching

图4 测试记录Fig.4 Test record

2.2 机械开关类切换

1）机械开关类切换原理，如图5所示

机械式ATS开关是由控制器和开关本体两部分构成，控制器是负责判断的总指挥，开关本体是执行机构，具有电磁（电机或线圈）驱动，机械保持的特点。

从图5中看出，控制器是采用单片机控制的核心单元，执行机构是双线圈的弹簧操作机构，正常工作状态是靠弹簧将输出锁定在某一路，当控制器监测到工作电源电压、频率异常时，就会发出切换指令给备用电源的合闸线圈，将输出电源由主电切换到备用电源，切换完成后由开关控制器撤回切换指令，同时利用开关的辅助触点断开备用工作线圈，达到线圈不带电的工作状态。

2）机械开关类切换现场及现场试验波形图

图6是ETS电源柜的安装现场，是机械式双电源切换开关。图7是现场试验波形图，图7中U1a为备用电源，U2a为工作电源，U3a为输出电源。当工作电源U2a失电，输出U3a也断电，大约断电280ms左右，整个切换时间完成，输出电源切换到备用电源。

图6 ETS电源柜的安装现场Fig.6 Installation site of EPS power cabinet

图7 现场试验波形图Fig.7 Field test waveform

图8 双电源切换时间分析Fig.8 Analysis of dual power supply switching time

图9 STS静态开关原理图Fig.9 STS Static switch schematic

图10 通用精简指令集内核Fig.10 General reduced instruction set kernel

3）机械开关类切换优缺点分析

由于这个产品原来的设计主要应用场合属于市电和柴油机的切换，所以控制器的设计原理并不是专门为自动化行业不停电的快速切换而设计，控制器的判断时间大多数比较长，目前已经发生多起由于切换时间不满足，造成机组非停的案例。

根据上述切换试验，可知机组电源开关存在不安全隐患。当工作电源下降时，存在备用电源切换供电不及时的可能，从而导致控制系统或设备发生工作异常，甚至导致机组误跳闸。

3 交流静态切换开关（STS）关键技术

交流静态切换开关（Static Transfer Switch）是用于两路交流输入之间快速转换的设备，主要应用于高可靠设备供电场合[1]。当一路电源异常时，能在很短时间内（一般为1/4周波5ms）切换至另外一路，保证负载设备不断电，不发生异常工况。

3.1 STS关键技术

STS静态开关一般由输入电压/电流检测回路、逻辑控制回路、输出驱动回路以及功率切换部分组成，其他辅助部分还有显示控制电路、通讯单元等。图9是STS静态开关切换原理图。其切换的关键点是要快速、准确识别出电源异常，并使异常回路的功率开关元件关断；在确保关断后，才能开通另外一路功率器件，避免双路电源之间的短路（合环）。

3.2 高速模数转换处理技术

对交流电源进行实时监测，需要对波形进行瞬时采样记录，并进行实时分析处理，对于处理器的计算能力要求比较高。

Cortex内核是ARM公司为嵌入式设备/移动设备开发的通用精简指令集内核，如图10所示，它具有指令集简单，执行效率高，超低功耗等特点。通过对电源监测仪的软硬件功能分析，确认使用该系列处理器完全可以满足设备需求。同时，大量经验证过的通用例程可以节约很多开发/验证时间，降低开发风险以及时间成本。

ADC采样电路使用目前国内大量使用的8通道16位ADC，采样率可达250KHz，同时内部集成了可配置的低通滤波器以及过采样数字滤波器，支持16bit并行接口以及高速串行接口，方便数据传输。

实际硬件方案中，为了能够最大限度发挥高速ADC高采样率的特点，减少CPU对数据的预处理时间，将ADC采样的数据分为两个通道，其中一路由CPU读取，片内的DSP处理单元实现启动事件判别，有效值计算等功能[2]；另一路由FPGA芯片直接读取原始数据流，缓存在双口RAM中，一旦需要有存储波形的事件发生，CPU可以直接将双口RAM中缓存的页面转移到FLASH中作为录波文件存储[2]。高速数据接口示意图如图11所示。

图11 高速数据接口示意图Fig.11 Schematic diagram of high-speed data interface

图12 交流静态切换电路Fig.12 AC Static switching circuit

3.3 快速电压跌落检测算法

本技术难点在于快速识别输入电源暂降/跌落的发生，同时又不容易被工频交流信号中的高次谐波、相位突变等非周期分量干扰，产生误切换。检测单相电压暂降的方法有很多，常见的有缺损电压法、有效值判别法、d-q变换等。

通过对各种算法的分析比较，结合现有硬件DSP内核的数据处理能力，采用两种算法互补的策略。采用缺损电压法先进行粗略判别，识别出电压跌落的可能性，同时启动放电加速回路[3]；再由d-q变换算法精确判断出系统扰动的性质，决定是否进行切换。

3.4 大功率晶闸管切换回路控制以及过压防护技术

交流静态切换电路如图12所示，工作在工业现场等恶劣环境下，必须保证切换逻辑准确无误，因此可控硅的触发电路设计尤为重要；同时在满载切换过程中会产生很大的浪涌电压以及浪涌电流，尤其是负载特性为大的容性或感性负载时更为严重。因此，需要设计可靠的防护电路，避免对功率器件造成损害。

采用低延迟、低阻抗的脉冲变压器，使门极触发脉冲窄而稳定，在不增加驱动电路功耗的前提下，晶闸管可以可靠导通并维持稳定状态[4]。关断状态时，低阻抗回路能有效降低电磁干扰对门极的影响，避免晶闸管误触发导通。

晶闸管主回路中并联的RC回路瞬间呈现低阻抗，将尖峰能量吸收，避免晶闸管收到扰动而误导通。切换装置的输入端与输出端，都设计有MOV过电压吸收回路[5]，防止系统以及负载产生的瞬时过压对装置产生影响。

4 总结

综上所述，现场使用的双路电源切换开关（装置）较多，不同厂家配置差异较大，没有充分考虑切换的原理和使用的局限性。各厂家产品资料对于技术性能只是强调了优点，比如ATS开关标注触头转换时间，而没有标注控制器判断时间和电机（线圈励磁）时间，多数ATS切换开关（PC级和CB级）带有控制器的切换开关，切换时间往往都在100多毫秒至1秒之间，而发生电源切换的时间往往是事故情况下，对电压下降且负载电源的要求尤为重要，所以应了解重要负荷使用的切换装置的特点以及负载特性，应在事故发生前，消除其潜在的隐患。

因此，通过试验，对有隐患存在的电源切换回路，建议在有条件的情况下，使用新型静态切换开关（STS），以实现更高速度的切换速度，做到任何情况下都能实现无扰动双路交流切换，使DCS系统重要电气设备更加可靠地运行。