STS断电快速检测方法的研究

张艳军，杨晟飞，张 荣

· （中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

STS断电快速检测方法的研究

张艳军，杨晟飞，张 荣

· （中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

介绍了STS的拓扑结构和工作原理，详细阐述了滑动窗口模型有效值法、三相绝对值之和法和dq变换法三种断电快速检测方法的工作原理，并用计算机仿真对比分析了以上三种断电快速检测方法的优缺点。研制了一台120kVA容量的 STS实验样机并进行了验证实验，实验结果验证了理论分析的正确性。

静态转换开关；断电检测；滑动窗口模型；dq变换

0 引言

随着科学技术的进步，越来越多的敏感负荷对电能质量要求越来越高，尤其对供电可靠性的要求更为苛刻。机房电源、精密仪器生产线等重要敏感负荷供电不能中断10ms以上，否则会造成计算机数据丢失，废品率大增，损失难以估量。自动转换开关(automatic transfer switch，ATS)保证了对重要负荷供电的连续性，但ATS是机械装置，转换时间长，需要100ms以上，难以满足敏感负荷的要求[1]。静态转换开关采用电子开关器件，转换时间短(约为5～10ms)，越来越得到广泛的应用，有取代ATS的趋势[2-5]。

断电检测的时间决定了STS转换的快速性，断电快速检测方法是STS研究的重点。本文详细介绍了滑动窗口模型有效值法、三相绝对值之和法和dq变换法三种断电快速检测方法的工作原理和优缺点，并在研制的120kVA三相三线制实验样机上进行了实验验证。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

1 主电路结构及工作原理

1.1 主电路结构

STS是一个两输入一输出的设备，两个输入分别与主用电源和备用电源相连，输出端接用电设备，STS结构示意图见图1。STS由双向晶闸管、机械开关和检测控制驱动电路组成。双向晶闸管是 STS重要的组成部分，负责主/备电源之间的快速切换。机械开关在晶闸管维护时旁路导通，保证对负载不间断供电。检测控制驱动电路完成对供电状态的检测、控制分析和驱动晶闸管的功能。

图1 主电路结构示意图

1.2 工作原理

STS采用主/备用两路交流供电输入，当它处于“自动”工作方式下，正常时接通主用支路，对交流重要负载进行供电。一旦主用支路失电，STS控制晶闸管自动切换到备用支路供电。当备用支供电时，一旦主用支路得电，STS通过控制晶闸管能自动切换到主用支路供电。当晶闸管支路发生故障时，可以通过并联的接触器来完成主/备电切换功能，并可以断开晶闸管两端的断路器，更换晶闸管模块。

STS的所有的转换都是快速的先断后合，主/备电源之间不会产生冲击电流，所有的转换都在小于10ms的时间内完成。

2 断电快速检测的方法

STS是当主电断电或者故障后，快速切换到备用电源，保证重要负载不间断供电。快速检测断电是保证快速切换的前提，检测断电时间越短，切换时间就越短，对负载的影响就越小，因此突破断电快速检测技术势在必行。下面对滑动窗口模型有效值法、三相绝对值之和法和dq变换法三种常用的断电快速检测方法进行详细介绍。

2.1 滑动窗口模型有效值法

通常采用有效值计算法判断是否断电，常用的交流有效值计算是在一个工频周期内完成的，至少有20ms延时，不能满足断电判断的要求。利用滑动窗口模型计算瞬时有效值，运算速度快，对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，是比较理想的瞬时断电检测方案。滑动窗口模型见图2。任一时刻，滑动窗口向右滑动一个元素，有一个新的元素进入滑动窗口，同时有一个最先进来的元素滑出窗口。滑动窗口数N越大，处理的结果越精确，N很大时，会造成系统存储资源的浪费，需要根据实际应用合理取值。

图2 滑动窗口模型

数字系统的交流采样信号的有效值计算公式为：

式中：VRMS是交流信号的有效值；ν(i)是经过A/D转换的离散化采样数据；N是采样周期点数。

因DSP计算平方根运算时间长，为简化运算，这里按式(2)进行计算。

式中：V*RMS是交流信号有效值的等效值；ν(i)是经过A/D转换的离散化采样数据；N是采样周期点数；α是为防止计算值溢出而添加的调节系数。

正弦信号对称性较好，每个正弦半波的有效值是相同的，周期采样点可以减小到半个工频周期(10ms)。采样频率为10kHz，那么采样周期点数只需要100个点，滑动窗口大小设置为N=100。

本系统连续取100个采样值看成一个队列，队列的长度固定为100，这100个数使用式(2)进行处理，得到的结果称为交流信号的瞬时有效值。每次采样到的一个新数据就放入队列的队尾，并扔掉原来队首的数据(先进先出原则)，重新对新的队列数据进行计算得到新的瞬时有效值，以此递推。每个DSP中断周期都会得到一次计算结果，若持续n次计算的瞬时有效值小于设定的阀值，就认为断电发生。断电检测的时间取决于n的值，n越小检测速度越快，但易受干扰，因此该值要根据实际调整。

滑动窗口模型有效值法采用滑动窗口模型计算有效值，有效缩短了计算有效值的时间，对三相电压进行有效值检测，可以检测出一相、两相和三相断电情况。

2.2 三相绝对值之和法

三相对称的工频交变电源，每一相都是周期的正弦波，相电压瞬时值是正弦交变的，难以根据单相的瞬时电压值判断是否断电。三相瞬时电压的绝对值之和波动比较小，可以作为断电检测的方法。下面详细介绍三相绝对值之和法判断断电的原理：

三相对称的电压为：

式中：Vm电压峰值。三相电压绝对值之和为：

三相绝对值之和法检测迅速，计算量小，但由于计算的是三相电压的信息，没有对各相进行分别检测判断，因此不能快速检测一相或二相断电；两相或一相断电后，检测时间会延长，且当阀值设置比较大的情况下，可能不能检测出断电的状态。

2.3 dq变换法

三相abc静止对称坐标系经过坐标变换可以变换到两相同步旋转dq坐标系即为dq变换，dq变换的突出优点是将abc坐标系中的基波正弦变量变换成dq坐标系的直流分量，直流分量便于计算与比较，为快速断电检测提供方便。dq变换法检测断电原理如下：

abc-αβ变换：

αβ-dq变换：

abc-dq变换为：

式中：νd和νq为直流电压，当断电发生时，Vdq瞬时值会马上下降，与设定的阀值进行比较，迅速检测出断电状态的发生。阀值可以根据实际需要设定，阀值越大越灵敏，但容易误判断；阀值越小越可靠，但检测时间较长，需要折中选取。

可以看出三相绝对值之和法和dq变换法是同一种检测方法的不同坐标系下表现形式。dq变换法检测迅速、灵敏，但也由于将三相电压进行综合检测判断，因此不能区分出其中一相或两相断电，当其中一相或两相断电时，检测时间会延长。

3 断电快速检测方法对比分析

滑动窗口模型有效值法、三相绝对值之和法和dq变换法都能较快地检测出断电的发生，但各有优缺点。以下仿真分析此三种断电快速检测方法的优缺点：

仿真1：三相电源电压突然同时断电，仿真中阀值都设为0.5p.u.，三种检测方法检测结果如图3所示，其中上栏为三相电网电压波形，下栏为断电检测信号，低电平表示断电，以下仿真波形中不再赘述。滑动窗口模型有效值法断电检测时间为5.6ms，三相绝对值之和法和dq变换法为瞬时检测，检测时间约为零。

仿真2：a相突然断电，阀值都设为0.5p.u.,三种检测方法检测结果见图4。滑动窗口模型有效值法断电检测时间为6.2ms；三相绝对值之和法由于阀值设置过大，未能检测出a相断电；dq变换法检测时间为6.2ms。

仿真3：ab相同时断电，阀值都设为0.5p.u.，三种检测方法检测结果见图5。滑动窗口模型有效值法断电检测时间为5.6ms；三相绝对值之和法和dq变换法检测时间都为1.7ms。

以上仿真实验说明，滑动窗口模型有效值法对三相电压进行有效值检测，可以检测出一相、两相和三相断电情况，但较dq变换法的检测时间长；三相绝对值之和法检测时间短，但存在不能检测一相断电的情况；dq变换法能瞬时检测三相同时断电，但检测一相或两相断电检测延时大。

图3 三种断电快速检测方法检测结果(三相电源同时断电)

图4 三种断电快速检测方法检测结果(a相电源断电)

图5 三种断电快速检测方法检测结果(ab相电源断电)

4 实验与结果分析

4.1 实验平台介绍

为了验证以上理论分析，研制了一台120kVA的STS实验样机，搭建了实验平台，实验平台如图6所示。实验平台由电网电源，两路输入断路器，STS和电阻负载柜构成。两路断路器开通和关断模拟主用电或备用电的断电情形，当主用电支路的断路器断开，则认为主用电断电，备用电亦然。

图6 STS实验平台

实验条件如下：

电网电压：380V；电网频率：50Hz；负载：1Ω功率电阻；测量仪器：TDS 2024C示波器；驱动方式：全脉冲驱动。

4.2 实验结果

额定状态下，主线路断电后负载电流波形见图7。由图可以看出，在主电断电后，STS能迅速检测到主电断电并切换到备用电供电，切换时间约为3ms，满足切换时间不大于10ms的要求。

图7 负载电流切换波形

5 结论

本文详细介绍了滑动窗口模型有效值法、三相绝对值之和法和dq变换法三种断电快速检测方法，它们各有优缺点。滑动窗口模型有效值法对三相电压进行有效值检测，可以检测出一相、两相和三相断电情况，较三相绝对值之和法和dq变换法的检测时间长；三相绝对值之和法检测时间短，但存在不能检测一相断电的情况；dq变换法能瞬时检测三相同时断电，但检测一相或两相断电检测延时大。本文研究为STS新型断电快速检测打下了理论基础，提供了新的思路，具有一定的实际意义。

[1]叶智俊,吴建德,何湘宁.UPS并联系统静态转换开关的设计与实现[J].电源技术学报,2007,5(2):137-142.

[2]袁义生,邹 娟,程良涛.一种无环流数字控制 STS模块的研制[J].华东交通大学学报,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]张皆喜.一种新型的双电源静态转换开关的研制[J].通信电源技术,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

张艳军（1988-），男，河南柘城人，硕士研究生，主要研究电力电子及电能质量治理。