一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换装置的制作方法

本实用新型涉及电力系统安全自动化技术领域，具体地涉及一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换装置。

背景技术：

工业生产及厂用电源供电为提高供电可靠性，一般将工作母线设计为多条线路供电，并配置电源切换装置实现异常供电时的替续控制。保证供电不间断有赖于电力生产、输送的各环节，备用电源自动切换就是一项重要技术措施。对供电可靠性提高的重要前提首先是要有不少于两个供电电源，其次是在工作电源因故障或异常导致供电中断前，要快速且在不损害供、用电设备的前提下投入备用电源，不仅要保证对电力用户电力供应不间断，而且使绝大部分乃至全部负荷不被切除，迅速再受电继续运转。

经过电源切换装置的自动投入，能够实现供电电源在原先的工作电源异常情况下自动切换到备用电源供电。现有的厂用电源快速切换装置能够完成工作电源到备用电源的切换控制。但是，在部分现场并未区分严格的工作电源或备用电源分支，因此需要装置具备两个方向的电源自动切换功能。

技术实现要素：

本实用新型的目的本方案的目的是提供一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换装置，以至少解决传统的切换装置存在的固定单一切换方向控制的问题。

为了实现上述目的，本实用新型第一方面实施例提供了一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换装置，所述装置包括：

总线背板，所述总线背板上设有若干插槽，所述插槽用于提供插件的连接接口，所述连接接口包括电源接口和数据接口；

还包括插接在总线背板的对应插槽上的：

人机操作接口插件，提供输入设备接口和显示接口，用于提供本装置与用户之间进行互交；

模拟量采集插件，提供电压输入接口或标准数据接口，用于采集电源输入端和工作母线上的电压值；

命令及信号输出插件，提供信号输出接口，用于装置对外输出指令或告警；

信号采集插件，提供信号输入接口，用于采集待控设备的状态和接收外部信号；

电源插件，提供外接的电源接口，用于将外部工作电源，转换为装置内部需要的各等级电源；

CPU插件，主要包括型号为ARM9系列的微控制器。

可选的，所述插槽的数目为8。

可选的，所述CPU插件数目为2，构成主备冗余。

可选的，所述电源插件的数目为2，构成主备冗余。

可选的，所述人机操作接口插件包括面板按键、液晶显示和指示灯显示。

可选的，所述人机操作接口插件包括RJ45接口，所述RJ45接口用于连接外部设备。

可选的，所述CPU插件包括存储模块，所述存储模块用于保存装置的运行状态结果、投退参数和装置的运行日志。

可选的，所述总线背板支持CAN总线或RS485总线。

在本实用新型的第二方面，还提供一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换系统，包括前述的装置，以及至少两个断路器。所述断路器的受控端分别串联于一路供电电源进线与工作母线之间，所述断路器的控制端均与命令及信号输出插件相连，所述断路器的状态端均与信号采集插件相连；所述供电电源进线与工作母线均与模拟量采集插件相连。

可选的，所述供电电源进线数目为2，对应的断路器数目也为2。

通过上述技术方案所提供的装置和系统，实现了双电源供电回路的双方向自动切换应用功能，通过装置系统板插件的存储功能，对电源供电时双电源分支断路器的位置状态判断，在供电电源出现异常无法正常供电时，自动切换到电压正常的电源分支供电，解决传统的切换装置存在的固定单一切换方向控制的问题，满足切换装置在工程实际中的灵活应用。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的装置结构图；

图2是本实用新型实施例提供的系统结构图；

图3为本实用新型一个实施例中的电源切换逻辑图。

0—电源切换装置 1—电源1进线断路器1DL

2—电源2进线断路器 2DL3—供电工作母线

4—供电电源1进线 5—供电电源2进线

6—断路器1DL合位状态 7—断路器2DL合位状态

8—断路器1DL分合闸命令 9—断路器2DL分合闸命令

10—工作母线电压信号 11—供电电源1电压信号

12—供电电源2电压信号

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

图1是本实用新型实施例提供的装置结构图。如图1所示，一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换装置，所述装置包括：

总线背板，所述总线背板上设有若干插槽，所述插槽用于提供插件的连接接口，所述连接接口包括电源接口和数据接口；

所述装置还包括插接在总线背板的对应插槽上的：

人机操作接口插件，用于提供本装置与用户之间进行互交的媒介；主要是人机对话的窗口，包括面板按键、液晶及指示灯显示；

模拟量采集插件，用于采集母线及各路进线的电压信号，该信号一般经不同等级的电压互感器转换后输出；

命令及信号输出插件，用于装置对外部的断路器输出分合闸控制命令，也包括电压异常、工作异常等告警信号；

信号采集插件，用于采集外部的断路器分合位状态，也包括外部提供的启动、闭锁或其他条件开入状态；

电源插件，用于将外部工作电源，转换为装置内部需要的各等级电源；

CPU插件，主要包括型号为STM32系列的微控制器。

如此，经过本电源切换装置的自动投入，能够实现供电电源在原先的工作电源异常情况下自动切换到备用电源供电。而且，本装置通过自动存储断路器运行状态结果，能够从备用电源供电切换到原供电电源，实现双方向切换功能的电源切换功能。

具体的，以下详细介绍各个插件的功能和选型。

人机操作接口插件，简称为HMI，该人机接口通常安装在电气设备的柜门上，以实现在电气设备外部与电气设备通信。HMI通常在外表面上包括按钮和显示屏，或者包括触摸屏，以显示电气设备的工作参数等，同时可以借助于按钮或触摸屏来输入操作者的指令。目前市面上常用的HMI设备均提供丰富的接口，通常均包括COM口、USB口、RS485、CAN、RJ45网线接口，HMI产品主要分为三类：触摸屏、文本终端、平板电脑，其中以触摸屏为代表产品。以下列举市面上常用的HMI设备供本领域技术人员在实施时任选。

爱德克：主要提供4.6寸到12.1寸触摸屏，具备大型、中型、小型触摸屏、手提式以及具有卓越的操作感的CC开关型机种和一体化HMI，可实现最理想的HMI环境。主要产品有：可编程显示器HG4G、HG3G、HG2G、HG1F；小型手提式人机界面HG1U型、HG1T型、HG1H型。

西门子：包括文本终端(TD系列)、按钮面板(PP系列)、触摸屏(TP系列)、操作员面板(OP系列)和多功能面板(MP系列)，包含5.7寸-15.1寸的触摸屏和文本终端产品。

模拟量采集插件，此处可以选用市面上已有的单向电量数据采集模块或者三向电量数据采集模块，此类采集模块提供了标准的数字通信接口、模拟量输出接口和开关量输出接口，能够直接插入使用，具有集成性好，测量精度高等优点。也可以通过具体的电路来实现，此处的电路包括电压互感器、分压电阻和电压测量芯片，所述电压互感器、分压电阻和电压测量芯片依次相连，所述电压测量芯片的测量结果输出至CPU插件。所述电压互感器的作用为将待测电压降压较低的电压范围，其输入端与待测电源相连，此处的待测电源为电源输入端和工作母线；分压电阻用于将电压互感器输出电压进一步分压至电压测量芯片的测量范围；电压测量芯用于精准的测量电压值，并更根据分压比例，计算电压互感器的输入电压，并传送至CPU插件。此处的电压测量芯片可选用市面上的已有芯片，比如：ME2802，LTC2943等。

命令及信号输出插件主要包括功率驱动电路，所述功率驱动电路用于将CPU插件输出的小功率的控制信号，转化为驱动断路器的大功率信号。所述功率驱动电路主要包括三级管驱动电路，也可以采用多路输出开关芯片进行控制，常用型号比如MC33996芯片。

信号采集插件，主要是就是根据断路器的辅助触点判定断路器是断开还是闭合的状态。在简单场合，此处的信号采集插件可以连接至断路器的辅助触点，即可以得到断路器的当前状态。也可以采用复杂的器件作为前置采集器，在实际工程中，可采用DTI-801综合智能接口装置，该装置是一个采集器+合并器+智能单元的功能集为一体的产品，具有功能丰富、测量可靠的优点。

电源插件主要是用于向本装置供电，无论是将交流电转换为直流电，还是转化为所需的额定电压，均是比较成熟的技术。本领域技术人员可以根据本装置实际的电力需求进行适应性选择。

CPU插件为切换装置的控制核心，主要包括型号为ARM9系列的微控制器，该ARM9微控制器通过总线背板供电，其输出输入引脚通过总线背板与模拟量采集插件、命令及信号输出插件、信号采集插件相连，以完成AD插件、DI插件输入数据的采集，监视母线电压和进线电压的情况，缓存DI插件采集的断路器状态结果，也包括切换方向软压板功能的投退设置保存。在满足电源切换条件时，根据保存的运行断路器状态结果自动选择电源切换方向。此处，但本实用新型实施例仅保护CPU插件于其他插件之间的连接关系，CPU插件的功能描述仅便于本领域技术人员理解。

在本实用新型的另一个可选实施例中，所述插槽的数目为8；在最小的使用场景下，以上插件各需一块，即插槽数目至少应为6。考虑到插件冗余，插槽数目需要有适当的增加。在更加复杂的场合下，插槽数目还能进行进一步的扩展。

进一步的，所述CPU插件数目为2，构成主备冗余。两块CPU同时在线运行，一块处于主控制模式，另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU具有输出控制权，而热备CPU同时采集数据和保持通讯连接，但输出被禁止。两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，一旦发现对方故障，立即发出报警。如果是主控CPU插件故障，热备CPU插件自动获得主控制权。该方法能够提升装置的运行稳定性。

进一步的，所述电源插件的数目为2，构成主备冗余。本装置的双电源冗余功能，能够在一路电源失电的情况下，由另一路电源供电，不会造成装置的掉电，提升装置的运行稳定性。

在本实用新型的另一个可选实施例中，所述人机操作接口插件包括面板按键、液晶显示和指示灯显示。前面已经描述了人机操作接口插件的可选型号，为了使显示功能的多样化，还需要提供指示灯显示，以使故障告警更加直观。有时为了成本方面的考虑和可靠性，并不采用触摸屏的输入，而需要采用面板按键。

进一步的，所述人机操作接口插件包括RJ45接口，所述RJ45接口用于连接外部设备。此处的RJ45接口不仅能够提供外部的调试连接，还能将本装置连接入网络，提供非本地的状态查看、告警传输和远程控制，实现设备管理和监控的信息化。

在本实用新型的另一个可选实施例中，所述CPU插件包括存储模块，主要用于保存装置运行的参数设定和运行状态数据。所述存储模块用于保存装置的运行状态结果、投退参数和装置的运行日志。

在本实用新型的另一个可选实施例中，所述总线背板支持CAN总线或RS485总线。实际上，总线背板提供的是一种通信上的数据传输通道。

在本实用新型的第二方面，还提供一种具备双方向自动切换功能的厂用电源快速切换系统。如图2所示，图2是本实用新型实施例提供的系统结构图。该系统包括前述的装置，即切换装置0，以及至少两个断路器1DL1和2DL2，所述断路器受控端分别串联于供电电源进线4和5与工作母线3之间，所述断路器1DL1和2DL2的控制端均与切换装置0的命令及信号输出插件相连，所述断路器1DL1和2DL2的状态端均与切换装置0信号采集插件相连；所述供电电源进线与工作母线均与切换装置0模拟量采集插件相连，即工作母线3的电压信号10、供电电源进线4的电压信号11和供电电源进线5的电压信号12均输入切换装置0。

进一步的，在常用的场景中，只采用两路的自动切换，即所述供电电源进线数目为2，对应的断路器数目也为2。

为了便于本领域技术人员的理解和实施，特结合图1和图2对电源切换装置主接线及结构示意图进行具体实施过程说明

正常供电情况下，供电电源1进线4给工作母线3供电，断路器1DL的合位状态6在合位，断路器2DL的合位状态7在分位，供电电源2进线5作为备用电源(如图1中的上部分状态)；

断路器1DL分合闸命令8、断路器2DL分合闸命令9、断路器1DL的合位状态6、断路器2DL的合位状态7均通过硬接线接入所述的厂用电源快速切换装置的DO(命令及信号输出)插件和DI(信号采集插件)插件；

工作母线电压信号10、供电电源1电压信号11、供电电源2电压信号12均通过硬接线接入所述的厂用电源快速切换装置AD(模拟量采集)插件；

所述的厂用电源快速切换装置实时监视工作母线电压信号10、供电电源2电压信号12、断路器1DL的合位状态6、断路器2DL的合位状态7；

所述的厂用电源快速切换装置根据CPU插件保存的断路器状态结果，在监视到工作母线电压出现异常时自动启动切换控制；

所述的厂用电源快速切换装置在启动电源自动切换时，监视供电电源2电压信号12是否正常，控制断路器1DL分合闸命令8使1DL分闸，通过计算工作母线电压信号10与供电电源2电压信号12在满足切换条件时，控制断路器2DL分合闸命令9使2DL合闸，由此实现电源1切换至电源2供电过程。

所述的厂用电源快速切换装置CPU插件保存的功能软压板投入双方向切换控制时，能够实现电源2切换至电源1供电过程。

反方向供电情况下，供电电源2进线5给工作母线3供电，断路器2DL的合位状态7在合位，断路器1DL的合位状态6在分位，供电电源1进线4作为备用电源(如图1中的下部分状态)；

工作母线电压信号10、供电电源1电压信号11、供电电源2电压信号12均通过硬接线接入所述的厂用电源快速切换装置AD插件；

所述的厂用电源快速切换装置实时监视工作母线电压信号10、供电电源1电压信号11、断路器1DL的合位状态6、断路器2DL的合位状态7；

所述的厂用电源快速切换装置根据CPU插件保存的断路器状态结果，在监视到工作母线电压出现异常时自动启动切换控制；

所述的厂用电源快速切换装置在启动电源自动切换时，监视供电电源1电压信号11是否正常，控制断路器2DL分合闸命令9使2DL分闸，通过计算工作母线电压信号10与供电电源1电压信号11在满足切换条件时，控制断路器1DL分合闸命令8使1DL合闸，由此实现电源2切换至电源1供电过程。

附图3为本实用新型一个实施例中的电源切换逻辑图。其中，CPU插件在判断切换时的逻辑图如附图3所示。即图的上半部分，即执行前述的：

所述的厂用电源快速切换装置在启动电源自动切换时，监视供电电源2电压信号12是否正常，控制断路器1DL分合闸命令8使1DL分闸，通过计算工作母线电压信号10与供电电源2电压信号12在满足切换条件时，控制断路器2DL分合闸命令9使2DL合闸，由此实现电源1切换至电源2供电过程

当反向电源切换时，即图的下半部分即执行前述的：

所述的厂用电源快速切换装置在启动电源自动切换时，监视供电电源1电压信号11是否正常，控制断路器2DL分合闸命令9使2DL分闸，通过计算工作母线电压信号10与供电电源1电压信号11在满足切换条件时，控制断路器1DL分合闸命令8使1DL合闸，由此实现电源2切换至电源1供电过程。

以上结合附图详细描述了本实用新型实施例的可选实施方式，但是，本实用新型实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。