一種UPS快速切換判別方法

房緒鵬，　李輝，　莊見偉 ，　陳志巧

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島　266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地， 山東 青島　266590)

?

一種UPS快速切換判別方法

房緒鵬1,2，李輝1,2，莊見偉1,2，陳志巧1,2

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地， 山東 青島266590)

摘要：針對現有的UPS切換判別方法會導致誤動作的問題，采用DSP技術設計了一種UPS快速切換判別方法。該方法采用軟件鎖相方式，根據DSP采集并處理得到的交流電壓幅值和相位進行掉電檢測和電壓跌落檢測，當檢測值超過設定范圍時進行UPS切換。實驗結果表明，該方法能夠快速、準確地判斷出交流掉電和電壓跌落，在1 ms左右時間內實現UPS切換。

關鍵詞：UPS切換； 交流掉電； 電壓跌落

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1007.016.html

0　引言

UPS(Uninterruptible Power Supply，不間斷電源)發展初期只是作為一種備用電源。隨著計算機及其他通信設備的發展，電能質量及供電中斷易引起設備受干擾甚至無法正常工作，從而造成巨大經濟損失。根據中國煤礦相關規定，井下監控及通信等設備在電網停電后必須繼續工作2 h。這使得UPS在煤礦的應用日益受到重視，并發展成為一種具有改善電能質量功能的電力保護設備。UPS系統在電能質量不滿足要求或交流供電中斷時能否準確、及時地切換，是衡量UPS系統的一個重要性能指標。目前UPS正朝著數字化與智能化方向發展，DSP(Digital Signal Processor，數字信號處理器)在UPS系統中得到大量使用。參考文獻[1]提出了基于模擬和數字混合瞬時值的交流掉電檢測方法，但該方法在電壓相位發生突變時會誤動作。參考文獻[2]提出了一種以DSP為核心的基于電壓瞬時值的數字檢測方法，但未對電壓的計算做出詳細闡述。本文采用DSP技術，設計了一種UPS快速切換判別方法，減少了外圍電路，提高了UPS系統的可靠性。

1　軟件鎖相方法

為同步采集電網電壓，需要使用硬件鎖相環或軟件鎖相環。硬件鎖相環使得電路過分依賴硬件，增加系統成本。一般的軟件鎖相環需要大量數據計算，占用大量的系統資源，還需要不斷地調整采樣頻率，以進行同步采樣。參考文獻[3]提出了一種計算量小、采樣頻率恒定、適用性強的電壓采樣方法，如圖1所示。

圖1　電壓采樣方法

圖1中，A′，A，C，C′，D′，D，F，F′為電壓采樣點，但不是電壓過零點；B，E為電壓過零點。假設B點到C點的時間間隔為t1，D點到E點的時間間隔為t2，在A，C，D，F點的采樣電壓分別為u(A)，u(C)，u(D)，u(F)。在電壓過零點附近，曲線AC，DF可近似視為直線，則有

(1)

(2)

式中ts為采樣時間間隔。

在采樣頻率較高時，為減小干擾的影響，t1，t2可根據式(3)、式(4)計算：

(3)

(4)

式中:u(A′),u(C′),u(D′),u(F′)分別為A′,C′,D′,F′點的采樣電壓。

如果在1個周期內采樣N個點，則電壓周期為

(5)

由此得采樣頻率為

(6)

相應的采樣角頻率為

(7)

第k個采樣點對應相位為

(8)

該方法在不改變采樣頻率的前提下，無需硬件鎖相環鎖相，只通過少量的運算即可實現電壓采集。

2　掉電及電壓跌落檢測

2.1掉電檢測

交流掉電使輸入交流電壓值變為0。常用的交流掉電數字判別方法是檢測當前時刻的電壓值，如果檢測值接近0，則認為發生了交流掉電。但在電壓過零點附近出現掉電時，上述方法因采樣電路所受的隨機性干擾及鎖相的截尾誤差，不能夠正確判別。

在交流電壓過零點附近，電壓變化率在整個周期內最大，可采用斜率判別方法。在電壓過零點附近，若采集到的一組電壓值u(k-9)，u(k-8)，…，u(k)(u(k)為第k個采樣點電壓)近似為0，按照u(k-9)與u(k-4)、u(k-8)與u(k-3)、u(k-7)與u(k-2)、u(k-6)與u(k-1)、u(k-5)與u(k)組合，計算出5個電壓隨時間變化的斜率。為排除外界干擾影響，計算的5個斜率中如果有3個及以上在對應時刻預定的電壓斜率變化范圍內，則認為供電未中斷，否則認為交流掉電，UPS系統應切換。

在電網電壓非過零點附近出現交流掉電時，因干擾造成的影響較小，若采集的電壓值u(k-9)，u(k-8)，…，u(k)近似為0，按u(k-9)與u(k-4)、u(k-8)與u(k-3)、u(k-7)與u(k-2)、u(k-6)與u(k-1)、u(k-5)與u(k)進行組合，計算出5個電壓隨時間變化的斜率(目的是排除因電壓相位突變對掉電判斷造成的干擾)。如果電壓非過零點附近連續采集的10個點中，有8個及以上點的電壓近似為0，且計算的5個斜率中有3個及以上不在電壓過零點處預定的斜率范圍內，則認為此時發生交流掉電并進行UPS系統切換。

2.2電壓跌落檢測

電網電壓在運行過程中，大功率負荷的投入會造成一定的電壓跌落，此時UPS系統不應切換。但若因供電系統故障導致電網的電壓降為原來的60%以下，某些UPS系統為保證供電質量，需根據設定的電能指標參數判斷是否應進行切換動作[4-5]。電網電壓未發生跌落時，設第k個采樣點電壓為

(9)

式中U為電壓跌落前的電壓幅值。

假設電網電壓在第k+1個采樣點發生跌落，此時電壓幅值為

(10)

常用的電壓跌落判別方法：判斷根據連續采樣點計算出的電壓幅值是否超出設定范圍，如在連續采集的10個點中，有6個點的電壓不在合理范圍內，即認為電壓發生了異常，需要進行UPS系統切換。該方法適用于電網電壓發生跌落、相位未發生突變的情況。

圖2為相位突變時發生電壓跌落的波形。

(a)U'=80%U,瞬時不連續(b)U'=50%U,瞬時連續

圖2相位突變時發生電壓跌落波形跌落前的電網電壓為

(11)

跌落后電網電壓為

(12)

式中φ為電壓相位突變角。

電網電壓跌落后，電壓的相位角是否發生突變是無法預知的，電壓幅值變化量為

(13)

即

(14)

進一步化簡得

(15)

對式(15)求導，得

(16)

式(15)、式(16)表明，若電網電壓發生相位突變，由式(13)得到的|ΔU|會不斷增大，在接近nπ(n∈Z)時，|ΔU|近似于無窮。此時對于圖2(a)所示的不應切換的電壓跌落，采用該方法會造成誤動作。而對于圖2(b)所示情況，在電網電壓突變后，因突變前后的電壓瞬時值恰好相等，UPS系統會等待ΔU超過某一值后再進行切換動作，存在一段時間延遲，而不能夠迅速切換。

本文采用的電網電壓跌落判別方法如下。首先令

(17)

(18)

式中：Uα,Uβ分別為U在α-β坐標系下α軸、β軸上的分量。

假設第k個采樣點的電壓值為u(k)，第k+1個采樣點的電壓值為u(k+1)，令

(19)

由于三角關系：

(20)

對式(20)進行離散化，得

(21)

則有

(22)

(23)

式中θ為電壓相位角。

當采樣頻率很高時，為進一步減小計算誤差，可將式(21)變為

Uβ=csc(nωts)u(k+n)-cot(nωts)u(k)

(24)

假設在采樣點u(k)與u(k+1)之間發生電壓跌落，如圖3所示。令n=2，在發生電壓跌落前，采用u(k)之前的采樣點計算得到的電壓幅值相等且相位連續；在發生電壓跌落后，采用u(k+1)之后采樣點計算得到的電壓幅值相等且相位連續。

圖3　采樣點組合

采樣過程中干擾時刻存在，通常采樣時的高頻干擾為μs級。假設采樣點u(k+4)受到干擾，此時使用u(k+2)，u(k+4)和u(k+4)，u(k+6)計算得到的電壓幅值與由其鄰近點計算得到的電壓幅值不相等且相位不連續，由此可初步判斷u(k+4)為受干擾的采樣點。但若u(k+2)與u(k+6)為受干擾點，u(k+4)未受干擾，此時使用u(k+2)，u(k+4)和u(k+4)，u(k+6)計算得到的電壓幅值與由其鄰近點計算得到的電壓幅值也不相等且相位不連續。為提高抗干擾性，改變n取值，若不同n值下采用某點計算出的電壓幅值與采用其鄰近點計算得到的電壓幅值均不相等且相位不連續，則可判斷該點為受干擾的采樣點，并得到更多的采樣點電壓幅值與相位計算結果。剔除受干擾的采樣點計算結果，其余計算結果中若電壓幅值基本相等，相位基本連續，則將計算得到的電壓幅值與設定值相比較，若超出設定值，則認為發生了電壓跌落，需要迅速切換。

需要注意的是，由于相位發生突變會導致電壓周期T發生改變，在接下來1個周期的軟件鎖相過程中應只判斷過零點，不更新頻率。

為快速準確地進行UPS系統切換，應注意以下3點：① 根據系統采樣點，利用軟件鎖相環進行相位同步；② 每采樣1點，首先進行掉電檢測，若檢測到電網電壓掉電，馬上切換，不必進行電壓跌落檢測；③ 采樣點在未檢測到掉電時，應進行電壓跌落檢測，如果電網電壓跌落超出預定范圍，則應立即進行切換。

3　軟件設計

UPS快速切換判別方法的軟件主要包括上電初始化程序、A/D轉換程序、電能質量檢測程序、頻率與相位快速判別程序、電壓突變與掉電判別程序、繼電器輸出程序等，程序流程如圖4所示。通過定時器設定采樣頻率。電能質量檢測程序不需要在每個周期都調用，可1 s調用1次。頻率與相位快速判別程序需要每個周期調用1次。電壓突變與掉電判別程序需要每個采樣點調用1次，以便快速準確地完成UPS系統切換。

(a)主程序流程(b)中斷程序流程

圖4UPS快速切換判別方法程序流程

4　實驗及結果分析

以TMS28335浮點型DSP為核心搭建實驗平臺，設采樣頻率為12.8 kHz。測試信號由12位高精度數模轉換芯片組成的可編程信號發生器模擬產生。因TMS28335引腳驅動能力不足以驅動繼電器，外擴74LVC4245電平轉換芯片來提高其驅動能力。通過示波器的單次觸發功能觀察實驗波形，如圖5所示。

(a) 過零點掉電

(b) 非過零點掉電

(c) U′=60U,φ=0°

(d) U′=50%U,φ≠0°

圖5(a)為電壓過零點附近的掉電與切換輸出波形，切換時間略大于1 ms；圖5(b)為電壓非過零點處的掉電與切換輸出波形，切換時間略小于1 ms；圖5(c)為電壓非過零點處的電壓幅值跌落為正常幅值的60%且相位未突變時的切換輸出波形，切換時間略小于1 ms；圖5(d)為電壓非過零點處電壓幅值跌落為正常值的50%且相位發生突變時的切換輸出波形，切換時間略大于1 ms。從圖5可看出，系統可在1 ms左右準確做出UPS系統是否需要切換的判斷并完成切換動作。

5　結語

UPS快速切換判別方法采用軟件鎖相，避免了對硬件鎖相環的依賴，增強了軟件移植性；采用幅值與相位結合的方法進行掉電檢測，根據電壓跌落程度判別是否進行UPS切換。實驗結果表明，該方法能夠快速、準確地判斷出交流掉電和電壓跌落，從而實現UPS切換。

參考文獻：

[1]吳鴻霞,皮大能.基于DSP在線互動式UPS掉電檢測電路的設計[J].黃石理工學院學報,2007,23(4):9-12.

[2]王俊偉,俞冬冬,吳秋軒.基于DSP的新型掉電快速檢測系統[J].杭州電子科技大學學報,2011,31(4):188-191.

[3]賀博林.一種頻率變化時電氣信號參數的測量方法及其裝置的研究[D].長沙:長沙理工大學,2013.

[4]王歸新,段善許,康勇,等.一種新型軟硬件結合的UPS切換技術[J].電力電子技術,2003,37(6):39-41.

[5]曹立志,王小君,和敬涵,等.基于DSP的電壓暫降檢測方法研究[J].電力系統保護與控制,2012,40(13):78-83.

文章編號：1671-251X(2016)08-0065-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.016

收稿日期：2016-03-11；修回日期：2016-07-11；責任編輯：李明。

基金項目：中國博士后科學基金資助項目(20090461254);山東科技大學研究生教育創新計劃資助項目(2014BK023)。

作者簡介：房緒鵬(1971-)，男，山東汶上人，副教授，博士，主要研究方向為阻抗源變流器及其應用，現代電力電子技術在電力系統、電氣傳動、新能源方面的應用等，E-mail：xpfang69@163.com。

中圖分類號：TD61

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-08-03 10:07

An identification method for UPS rapid switching

FANG Xupeng1,2,LI Hui1,2,ZHUANG Jianwei1,2,CHEN Zhiqiao1,2

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China; 2.State Key Laboratory Breeding Base for Mining Disaster Prevention and Control, Shandong Province and Ministry of Education, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract:For incorrect operation of existing identification methods for UPS switching, an identification method for UPS rapid switching was designed by use of DSP technology. The method uses software lock mode, and adopts AC voltage amplitude and phase signals colleted and processed by DSP to measure power fail and voltage drop. When the measured value exceeds the setting one, USP would be switched. The experimental result shows the method can determine AC power fail and voltage drop, and achieve UPS switching in about 1 ms.

Key words:UPS switching; AC power fail; voltage drop

房緒鵬，李輝，莊見偉，等.一種UPS快速切換判別方法[J].工礦自動化，2016,42(8)：65-69.