一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置的制作方法

1.本实用新型涉及环网柜，尤其涉及一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置。


背景技术：

2.在配电网的环网柜中，电源系统有2种外部供电方式：一是外部交流220vac电源供电；二是电压互感器（pt）供电220vac，并且需要提供a、b两路独立的外部供电电源。在环网柜中会配置一个外部电源输入切换装置，a、b两路独立外部电源，经过切换装置切换后，变成一路220vac电源，作为整个环网柜的主电源，该切换装置一般布置在环网柜的dtu（站所终端）柜或者pt（电压互感器）柜中。正常情况下，默认优先切换到a路外部电源，当a路外部电源出现故障时，应自动切换到b路外部电源输出。当a路外部电源恢复供电时，应自动切换回a路外部电源输出。a、b两路外部电源切换期间，切换模块输出电压波动时间不大于20ms。目前一个通用简单的做法，是直接用一个两组转换触点的220vac交流继电器封装成一个模块，以实现这个功能。还有一些厂家是将这个功能集成到电源模块中，但是核心部件还是220vac交流继电器。
3.以220vac交流继电器为核心器件的双电源切换装置，虽然可以实现功能，但在实际工程应用中，暴露出了很多问题，继电器烧毁就是一个常见的装置故障现象。首先，电网中的一次电压并不是一个稳定值，该一次电压经过取电电压互感器（pt）变成额定220vac给环网柜内的设备供电，这个220vac也会在一定范围内变化，最高到1.2倍ur（ur=220vac）都是合理的。但是交流继电器的线圈承受最大电压为1.1倍ur，0.8倍ur是可靠动作电压门槛。所以当取电pt的输出电压大于1.1倍ur时，长期工作交流继电器就会因为线圈烧毁而失效。当取电pt的输出电压在0.8倍ur附近时，正好卡在交流继电器动作的门槛值附近，此时继电器会在带载情况下频繁动作和复位，这样的抖动会导致继电器的触点烧毁。其次，这种交流切换装置在a路和b路外部电源进行切换时，触点从常闭到常开带电切换，没有中间过程，也容易出现拉弧的现象，造成潜在的损伤。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置。
5.本实用新型提供了一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置，包括电源电路、外部交流输入采集电路、mcu控制电路和交流电源输出切换电路，其中，所述电源电路、外部交流输入采集电路的输出端分别与所述mcu控制电路连接，所述mcu控制电路与所述交流电源输出切换电路的输入端连接。
6.作为本实用新型的进一步改进，所述电源电路包括220vac电源模块a、220vac电源模块b，所述220vac电源模块a的输入端接a路外部电源输入，所述220vac电源模块b的输入端接b路外部电源输入，所述220vac电源模块a、220vac电源模块b的输出端分别与所述mcu控制电路连接。
7.作为本实用新型的进一步改进，所述外部交流输入采集电路包括交流电压测量互感器a和交流电压测量互感器b，所述交流电压测量互感器a的输入端接a路外部电源输入，所述交流电压测量互感器b的输入端接b路外部电源输入，所述交流电压测量互感器a、交流电压测量互感器b的输出端分别与所述mcu控制电路连接，所述交流电压测量互感器a和交流电压测量互感器b分别将a路外部电源输入、b路外部电源输入的交流电压变换成供mcu控制电路采集的两路模拟电压。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述交流电源输出切换电路包括a路电压切换电路和b路电压切换电路，所述a路电压切换电路和b路电压切换电路的输入端分别与所述mcu控制电路的控制信号输出端连接，所述a路电压切换电路和b路电压切换电路的输出端分别接输出装置。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述a路电压切换电路由一个切换l相的线圈电源直流dc5v的继电器和一个切换n相的线圈电源直流dc5v的继电器组成，所述b路电压切换电路由一个切换l相的线圈电源直流dc5v的继电器和一个切换n相的线圈电源直流dc5v的继电器组成。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述mcu控制电路的mcu型号为gd32f130r8t6。
11.本实用新型的有益效果是：将a路、b路外部电源与切换继电器解耦，实现精确切换、稳定切换，有效避免了继电器烧毁的情况。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的方案。
13.图1是本实用新型一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置的原理框图。
14.图2是本实用新型一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置的电源电路图。
15.图3是本实用新型一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置的外部交流输入采集电路图。
16.图4是本实用新型一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置的交流电源输出切换电路图。
17.图5是本实用新型一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置的mcu控制电路图。
具体实施方式
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
19.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理
解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
20.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
21.下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
22.如图1至图5所示，一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置，包括电源电路101、外部交流输入采集电路102、mcu控制电路103和交流电源输出切换电路104，其中，所述电源电路101、外部交流输入采集电路102的输出端分别与所述mcu控制电路103连接，所述mcu控制电路103与所述交流电源输出切换电路104的输入端连接。
23.如图1所示。本装置输入为a路、b路外部电源输入，输出为切换后交流电源、输入交流电源异常告警信号和rs232通讯口，a路、b路外部电源输入接入装置后，会同时接入电源电路101和外部交流输入采集电路102。电源电路101产生给整个装置供电的5v直流电源和3.3v直流电源，保证装置启动工作。外部交流输入采集电路102将两路外部输入交流电压变换成可以供mcu控制电路103采集的2路模拟电压，接入mcu控制电路103。mcu控制电路103对模拟电压进行adc转换，计算出a路和b路外部电源的原始输入值，跟额定电源220vac进行比较和逻辑判断，输出控制信号，控制交流电源输出切换电路104进行动作或复位，实现双交流输入自动切换的功能。如果a路或者b路电源输入出现电压异常或者频率异常等，装置还会输出告警信号空接点给到上级设备。rs232通讯用来连接上位机，实时显示外部电源的电压、频率，设置装置参数。下面详细说明各部分电路的功能和优点。
24.电源电路如图2所示，图2中的（a）为220vac电源模块a，（b）为220vac电源模块b，（c）为5vdc转3.3vdc电源电路，u2、u3对应图1中的220vac电源模块a和220vac电源模块b，实现220vac隔离输出5vdc的功能，参数完全一致。输入电压范围85vac—264vac，可以长期工作于1.2ur。ul_a、un_a是a路外部电源输入，ul_b、un_b是b路外部电源输入，两路外部输入，分别接入2个独立的电源模块，分别输出5v直流电源，vcc5_a和vcc5_b。
25.vcc5_a和vcc5_b经过肖特基二极管选择后，接入电源芯片u5，产生3.3v直流电源。这样只要a路、b路任意一路外部电源有电，就可以通过电源电路输出5v和3.3v直流电源，给整个装置供电。并且85vac-264vac的电压输入范围，可以有效保证本文所述自动切换装置在很宽的外部输入电压范围下，就可以正常运行起来。相比于传统的交流继电器方案，其电压工作范围只有80%-110%ur，即176vac-242vac。在85vac-176vac这个区间，交流继电器方案线圈无法可靠动作；在242vac-264vac这个区间，交流继电器方案线圈有烧毁的风险。
26.外部交流输入采集电路102如图3所示，图3中的（a）为交流电压测量互感器a，（b）为交流电压测量互感器b，a路、b路外部电源进入装置后，除接入电源电路外，同时接入了外部交流输入采集电路102。ul_a、un_a和ul_b、un_b分别接入电流型电压互感器pt1和电流型电压互感器pt2，变换成以vref(vref=1.65vdc)为中间电压的交流电压u_a和u_b，接入mcu控制电路，进行采样，交流幅值控制在0.8v以内。
27.mcu控制电路是本文双交流自动切换装置的控制部分，如图5所示。mcu型号为gd32f130r8t6。该mcu首先对前文采集电路输出的u_a和u_b，进行adc转换和运算，还原出a路和b路外部电源的输入电压值，根据计算出的a路电源电压值usa和b路电源电压值usb，进行逻辑判断，确定装置交流输出电压的切换逻辑；是否需要输出异常告警信号给到对接的设备；输出指示用的点灯信号。rs232通讯可以对接上位机电脑，实时读取usa和usb，并通过上位机控制，虚拟点灯、虚拟控制交流电源输出切换电路、虚拟电压异常告警信号。
28.交流电源输出切换电路104如图4所示，图4中的（a）为a路外部电源切换l相，（b）为a路外部电源切换n相，（c）为b路外部电源切换l相，（d）为b路外部电源切换n相，该部分电路主要由4个线圈电源直流dc5v的继电器组成，相比较交流继电器切换方案，实现了交流输入电压与继电器控制电压的解耦，实现了控制电压由交流向直流的变换。a路、b路外部电源的抖动，不再会影响切换电路的工作。只要a路、b路外部电源任一路的电压大于85vac，切换电路就可以稳定可靠的工作。
29.如图4，l和n是装置输出的交流电源，ul_a、un_a和ul_b、un_b分别接到4个继电器的常开触点。usa和usb在80%ur-120%ur范围内时，认为是正常的外部电源输入范围。当a、b任一路外部电源有电（大于85vac），保证装置可以正常启动后，mcu一直在以每周波20点的采样率，循环计算usa和usb。当usa在正常电压范围内时，首先mcu驱动cj1和cj2信号，使得继电器j3、j4动作，将交流电源输出l、n挂接在a路外部电源ul_a和un_a上。当时usa不在正常电压范围时，若usb在正常电压范围内，mcu会输出a路电流电源异常告警信号，同时复位cj1和cj2信号，使得继电器j3、j4复位。然后在驱动cj3和cj4信号，使得继电器j5、j6动作，将交流电源输出l、n挂接在b路外部电源ul_b和un_b上。该切换过程在15ms内完成，满足切换模块输出电压波动时间不大于20ms的要求。当usa恢复到正常电压范围内时，mcu会复位a路电流电源异常告警信号，同时复位cj3和cj4信号，使得继电器j5、j6复位。然后在驱动cj1和cj2信号，使得继电器j3、j4动作，将交流电源输出l、n挂重新接在a路外部电源ul_a和un_a上。该切换过程同样在15ms内完成，满足切换模块输出电压波动时间不大于20ms的要求。当a路和b路外部电源都不在正常电压范围内时，mcu会同时输出a路、b路电流电源异常告警信号，复位j3、j4、j5、j6继电器，关闭交流电源输出，以免异常电压损害其他用电设备。直到a路、b路外部电源至少有一路恢复正常后，再将交流输出挂接上去，优先使用a路外部电源。
30.本实用新型提供的一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置，具有以下优点：
31.1、本装置通过电源电路，由2个独立的电源模块输出直流为整个装置提供电源，实现了a路、b路交流输入电源与交流切换电路控制电压的完全解耦。同时电源模块的宽范围输入特性，也保证了装置在40%ur-120%ur外部电源范围内都可以正常启动工作。
32.2、本装置通过交流输入采集电路和mcu控制电路，将a路、b路外部输入电源电压数量化，可以实现切换电路的精准控制，有效避免切换过程抖动的情况。
33.3、本装置通过由4个继电器组成的交流输出切换电路，不再将a路、b路和输出电源全部接在一个继电器上，而是分接到4个继电器上，在保证满足20ms内完成输出切换的要求下，在切换过程中，存在一个交流输出l、n悬空的状态，既可以有效防止a路与b路外部电源在切换时出现短路，也可以有效防止拉弧现象的出现，保证装置长期可靠运行。
34.本实用新型提供的一种用于环网柜的双交流电源自动切换装置，可应用于电力行业配电网自动化领域。
35.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。