張艷軍，楊晟飛，張 榮

· （中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

STS斷電快速檢測方法的研究

張艷軍，楊晟飛，張 榮

· （中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

介紹了STS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)闡述了滑動窗口模型有效值法、三相絕對值之和法和dq變換法三種斷電快速檢測方法的工作原理，并用計算機仿真對比分析了以上三種斷電快速檢測方法的優(yōu)缺點。研制了一臺120kVA容量的 STS實驗樣機并進行了驗證實驗，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)；斷電檢測；滑動窗口模型；dq變換

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，越來越多的敏感負(fù)荷對電能質(zhì)量要求越來越高，尤其對供電可靠性的要求更為苛刻。機房電源、精密儀器生產(chǎn)線等重要敏感負(fù)荷供電不能中斷10ms以上，否則會造成計算機數(shù)據(jù)丟失，廢品率大增，損失難以估量。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(automatic transfer switch，ATS)保證了對重要負(fù)荷供電的連續(xù)性，但ATS是機械裝置，轉(zhuǎn)換時間長，需要100ms以上，難以滿足敏感負(fù)荷的要求[1]。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)采用電子開關(guān)器件，轉(zhuǎn)換時間短(約為5～10ms)，越來越得到廣泛的應(yīng)用，有取代ATS的趨勢[2-5]。

斷電檢測的時間決定了STS轉(zhuǎn)換的快速性，斷電快速檢測方法是STS研究的重點。本文詳細(xì)介紹了滑動窗口模型有效值法、三相絕對值之和法和dq變換法三種斷電快速檢測方法的工作原理和優(yōu)缺點，并在研制的120kVA三相三線制實驗樣機上進行了實驗驗證。仿真和實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主電路結(jié)構(gòu)

STS是一個兩輸入一輸出的設(shè)備，兩個輸入分別與主用電源和備用電源相連，輸出端接用電設(shè)備，STS結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。STS由雙向晶閘管、機械開關(guān)和檢測控制驅(qū)動電路組成。雙向晶閘管是 STS重要的組成部分，負(fù)責(zé)主/備電源之間的快速切換。機械開關(guān)在晶閘管維護時旁路導(dǎo)通，保證對負(fù)載不間斷供電。檢測控制驅(qū)動電路完成對供電狀態(tài)的檢測、控制分析和驅(qū)動晶閘管的功能。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

STS采用主/備用兩路交流供電輸入，當(dāng)它處于“自動”工作方式下，正常時接通主用支路，對交流重要負(fù)載進行供電。一旦主用支路失電，STS控制晶閘管自動切換到備用支路供電。當(dāng)備用支供電時，一旦主用支路得電，STS通過控制晶閘管能自動切換到主用支路供電。當(dāng)晶閘管支路發(fā)生故障時，可以通過并聯(lián)的接觸器來完成主/備電切換功能，并可以斷開晶閘管兩端的斷路器，更換晶閘管模塊。

STS的所有的轉(zhuǎn)換都是快速的先斷后合，主/備電源之間不會產(chǎn)生沖擊電流，所有的轉(zhuǎn)換都在小于10ms的時間內(nèi)完成。

2 斷電快速檢測的方法

STS是當(dāng)主電斷電或者故障后，快速切換到備用電源，保證重要負(fù)載不間斷供電?？焖贆z測斷電是保證快速切換的前提，檢測斷電時間越短，切換時間就越短，對負(fù)載的影響就越小，因此突破斷電快速檢測技術(shù)勢在必行。下面對滑動窗口模型有效值法、三相絕對值之和法和dq變換法三種常用的斷電快速檢測方法進行詳細(xì)介紹。

2.1 滑動窗口模型有效值法

通常采用有效值計算法判斷是否斷電，常用的交流有效值計算是在一個工頻周期內(nèi)完成的，至少有20ms延時，不能滿足斷電判斷的要求。利用滑動窗口模型計算瞬時有效值，運算速度快，對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，是比較理想的瞬時斷電檢測方案。滑動窗口模型見圖2。任一時刻，滑動窗口向右滑動一個元素，有一個新的元素進入滑動窗口，同時有一個最先進來的元素滑出窗口。滑動窗口數(shù)N越大，處理的結(jié)果越精確，N很大時，會造成系統(tǒng)存儲資源的浪費，需要根據(jù)實際應(yīng)用合理取值。

圖2 滑動窗口模型

數(shù)字系統(tǒng)的交流采樣信號的有效值計算公式為：

式中：VRMS是交流信號的有效值；ν(i)是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的離散化采樣數(shù)據(jù)；N是采樣周期點數(shù)。

因DSP計算平方根運算時間長，為簡化運算，這里按式(2)進行計算。

式中：V*RMS是交流信號有效值的等效值；ν(i)是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的離散化采樣數(shù)據(jù)；N是采樣周期點數(shù)；α是為防止計算值溢出而添加的調(diào)節(jié)系數(shù)。

正弦信號對稱性較好，每個正弦半波的有效值是相同的，周期采樣點可以減小到半個工頻周期(10ms)。采樣頻率為10kHz，那么采樣周期點數(shù)只需要100個點，滑動窗口大小設(shè)置為N=100。

本系統(tǒng)連續(xù)取100個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為100，這100個數(shù)使用式(2)進行處理，得到的結(jié)果稱為交流信號的瞬時有效值。每次采樣到的一個新數(shù)據(jù)就放入隊列的隊尾，并扔掉原來隊首的數(shù)據(jù)(先進先出原則)，重新對新的隊列數(shù)據(jù)進行計算得到新的瞬時有效值，以此遞推。每個DSP中斷周期都會得到一次計算結(jié)果，若持續(xù)n次計算的瞬時有效值小于設(shè)定的閥值，就認(rèn)為斷電發(fā)生。斷電檢測的時間取決于n的值，n越小檢測速度越快，但易受干擾，因此該值要根據(jù)實際調(diào)整。

滑動窗口模型有效值法采用滑動窗口模型計算有效值，有效縮短了計算有效值的時間，對三相電壓進行有效值檢測，可以檢測出一相、兩相和三相斷電情況。

2.2 三相絕對值之和法

三相對稱的工頻交變電源，每一相都是周期的正弦波，相電壓瞬時值是正弦交變的，難以根據(jù)單相的瞬時電壓值判斷是否斷電。三相瞬時電壓的絕對值之和波動比較小，可以作為斷電檢測的方法。下面詳細(xì)介紹三相絕對值之和法判斷斷電的原理：

三相對稱的電壓為：

式中：Vm電壓峰值。三相電壓絕對值之和為：

三相絕對值之和法檢測迅速，計算量小，但由于計算的是三相電壓的信息，沒有對各相進行分別檢測判斷，因此不能快速檢測一相或二相斷電；兩相或一相斷電后，檢測時間會延長，且當(dāng)閥值設(shè)置比較大的情況下，可能不能檢測出斷電的狀態(tài)。

2.3 dq變換法

三相abc靜止對稱坐標(biāo)系經(jīng)過坐標(biāo)變換可以變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系即為dq變換，dq變換的突出優(yōu)點是將abc坐標(biāo)系中的基波正弦變量變換成dq坐標(biāo)系的直流分量，直流分量便于計算與比較，為快速斷電檢測提供方便。dq變換法檢測斷電原理如下：

abc-αβ變換：

αβ-dq變換：

abc-dq變換為：

式中：νd和νq為直流電壓，當(dāng)斷電發(fā)生時，Vdq瞬時值會馬上下降，與設(shè)定的閥值進行比較，迅速檢測出斷電狀態(tài)的發(fā)生。閥值可以根據(jù)實際需要設(shè)定，閥值越大越靈敏，但容易誤判斷；閥值越小越可靠，但檢測時間較長，需要折中選取。

可以看出三相絕對值之和法和dq變換法是同一種檢測方法的不同坐標(biāo)系下表現(xiàn)形式。dq變換法檢測迅速、靈敏，但也由于將三相電壓進行綜合檢測判斷，因此不能區(qū)分出其中一相或兩相斷電，當(dāng)其中一相或兩相斷電時，檢測時間會延長。

3 斷電快速檢測方法對比分析

滑動窗口模型有效值法、三相絕對值之和法和dq變換法都能較快地檢測出斷電的發(fā)生，但各有優(yōu)缺點。以下仿真分析此三種斷電快速檢測方法的優(yōu)缺點：

仿真1：三相電源電壓突然同時斷電，仿真中閥值都設(shè)為0.5p.u.，三種檢測方法檢測結(jié)果如圖3所示，其中上欄為三相電網(wǎng)電壓波形，下欄為斷電檢測信號，低電平表示斷電，以下仿真波形中不再贅述?；瑒哟翱谀Ｐ陀行е捣〝嚯姍z測時間為5.6ms，三相絕對值之和法和dq變換法為瞬時檢測，檢測時間約為零。

仿真2：a相突然斷電，閥值都設(shè)為0.5p.u.,三種檢測方法檢測結(jié)果見圖4?；瑒哟翱谀Ｐ陀行е捣〝嚯姍z測時間為6.2ms；三相絕對值之和法由于閥值設(shè)置過大，未能檢測出a相斷電；dq變換法檢測時間為6.2ms。

仿真3：ab相同時斷電，閥值都設(shè)為0.5p.u.，三種檢測方法檢測結(jié)果見圖5?；瑒哟翱谀Ｐ陀行е捣〝嚯姍z測時間為5.6ms；三相絕對值之和法和dq變換法檢測時間都為1.7ms。

以上仿真實驗說明，滑動窗口模型有效值法對三相電壓進行有效值檢測，可以檢測出一相、兩相和三相斷電情況，但較dq變換法的檢測時間長；三相絕對值之和法檢測時間短，但存在不能檢測一相斷電的情況；dq變換法能瞬時檢測三相同時斷電，但檢測一相或兩相斷電檢測延時大。

圖3 三種斷電快速檢測方法檢測結(jié)果(三相電源同時斷電)

圖4 三種斷電快速檢測方法檢測結(jié)果(a相電源斷電)

圖5 三種斷電快速檢測方法檢測結(jié)果(ab相電源斷電)

4 實驗與結(jié)果分析

4.1 實驗平臺介紹

為了驗證以上理論分析，研制了一臺120kVA的STS實驗樣機，搭建了實驗平臺，實驗平臺如圖6所示。實驗平臺由電網(wǎng)電源，兩路輸入斷路器，STS和電阻負(fù)載柜構(gòu)成。兩路斷路器開通和關(guān)斷模擬主用電或備用電的斷電情形，當(dāng)主用電支路的斷路器斷開，則認(rèn)為主用電斷電，備用電亦然。

圖6 STS實驗平臺

實驗條件如下：

電網(wǎng)電壓：380V；電網(wǎng)頻率：50Hz；負(fù)載：1?功率電阻；測量儀器：TDS 2024C示波器；驅(qū)動方式：全脈沖驅(qū)動。

4.2 實驗結(jié)果

額定狀態(tài)下，主線路斷電后負(fù)載電流波形見圖7。由圖可以看出，在主電斷電后，STS能迅速檢測到主電斷電并切換到備用電供電，切換時間約為3ms，滿足切換時間不大于10ms的要求。

圖7 負(fù)載電流切換波形

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了滑動窗口模型有效值法、三相絕對值之和法和dq變換法三種斷電快速檢測方法，它們各有優(yōu)缺點?；瑒哟翱谀Ｐ陀行е捣▽θ嚯妷哼M行有效值檢測，可以檢測出一相、兩相和三相斷電情況，較三相絕對值之和法和dq變換法的檢測時間長；三相絕對值之和法檢測時間短，但存在不能檢測一相斷電的情況；dq變換法能瞬時檢測三相同時斷電，但檢測一相或兩相斷電檢測延時大。本文研究為STS新型斷電快速檢測打下了理論基礎(chǔ)，提供了新的思路，具有一定的實際意義。

[1]葉智俊,吳建德,何湘寧.UPS并聯(lián)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電源技術(shù)學(xué)報,2007,5(2):137-142.

[2]袁義生,鄒 娟,程良濤.一種無環(huán)流數(shù)字控制 STS模塊的研制[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2009,26(6):31-34.

[3]James M Galm.Static switch method and apparatus:US,RE38625E[P].2004-10-19．

[4]Hyun-Chul Jung.Static transfer switch device,power supply apparatus using the switch device and switching method Therrof:US,2010/0264743 A1[P].2010-8-21.

[5]張皆喜.一種新型的雙電源靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的研制[J].通信電源技術(shù),2013,30(1):67-70.

Research on Fast Detection Method of STS Power Cut

ZHANG Yan-jun,YANG Sheng-fei,ZHANG Rong
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

Static transfer switch (STS)topology and working principle are introduced.Three kinds of rapid detection method of power cut (sliding window RMS method,absolute value of the three phase method and dq transform method)are elaborated.Advantages and disadvantages of the above three detection methods are contrasted by computer simulation.STS experimental prototype with 120kVA capacity is developed.And confirmatory experiment is carried out.The experimental results verify the correctness of the theory analysis.

static transfer switch (STS); power cut detection; sliding window model; dq transformation

TM564

A

張艷軍（1988-），男，河南柘城人，碩士研究生，主要研究電力電子及電能質(zhì)量治理。