一种用于电力通讯网关机的双路异构电源快切电路及控制方法与流程

本发明涉及电力系统自动化与通信，特别涉及一种用于电力通讯网关机的双路异构电源快切电路及控制方法。

背景技术：

1、电力通讯网关机是变电站自动化系统中实现站内设备与调度主站之间数据通信的关键设备，承担着采集、处理、转发各类遥测、遥信信息以及接收、执行调度控制命令的重要职能，其供电可靠性直接关系到电网调度监视与控制功能的正常运行。当主电源出现电压跌落、波动或中断时，需要迅速切换至备用电源，以保证电力通讯网关机持续工作，避免通信中断、数据丢包甚至与调度主站失联等严重后果。

2、目前，电力通讯网关机的电源切换技术主要存在以下不足：

3、第一，单一的检测方式可靠性不足。现有网关机产品多采用单一检测手段判断主电源状态，如仅依靠adc（analog-to-digital converter，模数转换器）采集进行数字分析，或仅依靠比较器进行硬件阈值判断。电力通讯网关机通常部署于变电站、配电站等强电磁环境中，电磁干扰可能影响检测电路的正常工作。单一检测方式在检测环节存在单点故障风险，一旦检测电路异常，将导致切换失效，可能造成网关机与调度主站通信中断的严重事故。

4、第二，数字检测方式响应速度有限。采用adc采集配合可编程逻辑器件（pld，本实施例中优选采用fpga，即field-programmable gate array，现场可编程门阵列）进行分析的方式，虽然分析能力强、可设置复杂的判断逻辑，但由于adc采样、数据转换、数字运算等环节存在固有延迟，在面对主电源电压骤降等突发情况时，可能来不及响应。而网关机作为数据通信枢纽，对电源切换的无缝性要求极高--任何微小的供电中断都可能导致通信链路断开，需要与调度主站重新建立连接，影响电网实时监控。

5、第三，切换执行机构的响应速度与可靠性难以兼顾。继电器切换可靠性高、导通电阻小、可承受电流大，但机械动作时间较长（通常为数毫秒至数十毫秒）；mos管（即mosfet，metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管）开关速度快（微秒级），但可承受电流相对较小，长时间大电流导通时发热严重、稳定性不足。现有技术中二者多为独立使用，难以同时满足快速响应与大电流承载的需求。尤其是电力通讯网关机通常配置多核处理器、多个通信接口，功耗较传统二次设备更高，mos管长时间导通带来的发热问题更为突出。

6、第四，现有采用mos管与继电器协同切换的方案中，mos管与继电器通常由同一控制信号驱动，导致mos管无法在继电器导通后独立关断。这使得mos管在继电器完成切换后仍持续导通，长时间承受网关机负载电流，产生大量热耗，在网关机高功耗运行场景下可能造成电源模块温升过高，影响系统可靠性和器件寿命，甚至引发设备故障。

7、第五，电源切换缺乏对备用电源状态的预判。现有技术在切换时往往仅关注主电源是否异常，而未充分验证备用电源是否正常可用。电力通讯网关机作为“数据枢纽”，其供电系统必须确保万无一失。若切换至已故障的备用电源，将导致网关机供电彻底中断，造成通信中断的严重后果。

8、第六，现有网关机电源切换方案对强电磁环境适应性不足。iec 61850-3:2013《通信网络和系统在变电站中的要求》第4.1.3条对变电站通信设备的电源性能有明确要求，规定电源切换过程不应导致设备重启或通信中断。电力通讯网关机需满足国家电力行业4级电磁兼容标准，现有采用单一检测或纯软件判断的切换方案在强干扰下存在误判或失效的风险。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于电力通讯网关机的双路异构电源快切电路及控制方法，解决上述现有技术中存在的检测可靠性不足、响应速度有限、切换执行机构性能难以兼顾、缺乏备用电源状态预判以及强电磁环境适应性不足等问题。

2、为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明公开了一种用于电力通讯网关机的双路异构电源快切电路，包括：

4、主电源（u9）和备用电源（u10）；

5、adc采样单元（u4），用于采集主电源（u9）和备用电源（u10）的电压信号并转换为数字信号并通过数据总线传输至pld分析单元（u1）；

6、pld分析单元（u1），连接所述adc采样单元（u4），用于对主电源（u9）和备用电源（u10）的电压数据进行实时监测和分析，并输出备用电源状态信号（io1）、主电源状态信号（io2）和mos管关断控制信号（io3）；

7、硬件比较器检测单元（u6），其一输入端连接主电源分压后的采样电压，另一输入端连接基准电压源（v-ref），用于在主电源电压低于预设底线阈值时输出异常信号；

8、所述硬件比较器检测单元（u6）的预设底线阈值电压低于所述pld分析单元（u1）判定主电源异常的电压阈值，使所述硬件比较器检测单元（u6）作为所述pld分析单元（u1）失效或来不及响应时的兜底保护机制；所述硬件比较器检测单元（u6）的预设底线阈值电压比所述pld分析单元（u1）判定主电源异常的电压阈值低5%~20%；

9、逻辑判决单元（u2），其第一输入端连接所述备用电源状态信号（io1），第二输入端连接所述主电源状态信号（io2），第三输入端连接所述硬件比较器检测单元（u6）的输出端，其输出端经第八电阻（r8）连接至nmos驱动芯片（u5）的输入端，用于在备用电源（u10）正常且主电源（u9）异常时输出切换控制信号；

10、mos管快速切换单元（u7），其源极连接备用电源（u10）的输出端，漏极连接网关机负载输出端（u11），栅极连接nmos驱动芯片（u5）的输出端，受控于nmos驱动芯片（u5）；

11、nmos驱动芯片（u5），其输入端分别经第八电阻（r8）连接至逻辑判决单元（u2）的输出端，以及经第七电阻（r7）连接至pld分析单元（u1）的io3输出端，用于驱动所述mos管快速切换单元（u7）；

12、所述第七电阻（r7）与第八电阻（r8）在nmos驱动芯片（u5）的输入端构成电阻分压网络；其中，所述第七电阻（r7）的阻值小于所述第八电阻（r8）的阻值，使得当mos管关断控制信号（io3）端口为高阻态时，所述nmos驱动芯片（u5）输入端电压由逻辑判决单元（u2）的输出电平决定；当mos管关断控制信号（io3）端口为推挽输出低电平时，所述nmos驱动芯片（u5）输入端电压低于其输入低电平阈值；

13、继电器切换单元（u8），其公共端连接网关机负载输出端（u11），第一静触点连接主电源（u9）的输出端，第二静触点连接备用电源（u10）的输出端，受控于所述逻辑判决单元（u2）的输出信号；

14、当所述逻辑判决单元（u2）输出切换控制信号时，所述mos管快速切换单元（u7）先于所述继电器切换单元（u8）导通，备用电源（u10）经mos管向网关机负载供电；所述继电器切换单元（u8）完成导通后，所述pld分析单元（u1）将io3端口由高阻态切换为推挽输出低电平，经第七电阻（r7）将nmos驱动芯片（u5）的输入端电压拉低至其低电平阈值以下，使mos管快速切换单元（u7）关断；同时所述逻辑判决单元（u2）的输出端保持高电平，所述继电器切换单元（u8）维持导通状态，由继电器单独承担网关机供电。

15、进一步的，所述pld分析单元（u1）的io3端口在正常供电状态下配置为高阻态，在继电器切换单元（u8）完成导通后配置为推挽输出低电平。

16、进一步的，还包括继电器驱动电路，所述继电器驱动电路包括npn三极管（u3）、第一电阻（r1）、第二电阻（r2）和二极管（d1），所述逻辑判决单元（u2）的输出端经第二电阻（r2）连接npn三极管（u3）的基极，npn三极管（u3）的集电极经继电器线圈和第一电阻（r1）连接电源（vcc），二极管（d1）并联于继电器线圈两端。

17、进一步的，所述主电源（u9）的输出端经第三电阻（r3）和第四电阻（r4）串联分压后，形成第一采样电压；该第一采样电压分别传输至adc采样单元（u4）的模拟输入端和硬件比较器检测单元（u6）的同相输入端；

18、所述备用电源（u10）的输出端经第五电阻（r5）和第六电阻（r6）串联分压后，形成第二采样电压；该第二采样电压传输至adc采样单元（u4）的另一模拟输入端。

19、进一步的，所述逻辑判决单元（u2）为实现逻辑函数y=(a+b)·c或与门逻辑芯片，其逻辑关系为：当备用电源状态信号（io1）为高电平且主电源状态信号（io2）为高电平或硬件比较器检测单元（u6）输出为高电平时，输出高电平切换控制信号。

20、进一步的，所述mos管快速切换单元（u7）的导通速度快于所述继电器切换单元（u8）的动作速度；切换时mos管先导通，继电器后导通，继电器导通后通过mos管关断控制信号（io3）控制mos管关断。

21、进一步的，所述硬件比较器检测单元（u6）的响应时间小于10微秒，快于所述pld分析单元（u1）的响应时间。

22、进一步的，所述第七电阻（r7）与所述第八电阻（r8）的阻值比值满足：r7/(r7+r8)

23、进一步的，所述硬件比较器检测单元（u6）的响应时间小于所述adc采样单元（u4）的采样周期与所述pld分析单元（u1）的数字运算延迟之和。

24、本发明还公开了一种用于电力通讯网关机的双路异构电源快切控制方法，采用上述双路异构电源快切电路进行控制，包括以下步骤：

25、步骤s1：通过adc采样单元（u4）采集主电源（u9）和备用电源（u10）的电压信号，同时通过硬件比较器检测单元（u6）监测主电源电压是否低于预设底线阈值；

26、步骤s2：adc采样单元（u4）将主电源（u9）和备用电源（u10）的模拟电压信号转换为数字信号，传输至pld分析单元（u1），pld分析单元（u1）对adc采样数据进行实时监测和分析，判断主电源（u9）是否异常及备用电源（u10）是否正常；

27、步骤s3：当备用电源（u10）正常且pld分析单元（u1）判定主电源（u9）异常或硬件比较器检测单元（u6）判定主电源电压低于底线阈值时，输出切换控制信号；其中，所述硬件比较器检测单元（u6）监测的底线阈值电压低于所述pld分析单元（u1）判定主电源异常的电压阈值，使硬件比较器检测单元（u6）作为pld分析单元（u1）失效或来不及响应时的兜底保护机制；

28、步骤s4：逻辑判决单元（u2）接收pld分析单元（u1）输出的备用电源状态信号（io1）、主电源状态信号（io2）以及硬件比较器检测单元（u6）输出的异常信号，进行逻辑判决：

29、当备用电源状态信号（io1）为高电平且主电源状态信号（io2）为高电平或硬件比较器检测单元（u6）输出高电平时，逻辑判决单元（u2）输出高电平切换控制信号；

30、步骤s5：逻辑判决单元（u2）输出的高电平切换控制信号同时传输至nmos驱动芯片（u5）的输入端和继电器驱动电路；由于mos管快速切换单元（u7）的导通响应时间远短于继电器切换单元（u8）的固有吸合动作时间，因此：

31、nmos驱动芯片（u5）驱动mos管快速切换单元（u7）先于继电器完成导通，备用电源（u10）通过mos管向网关机负载供电，确保网关机在电源切换过程中通信不中断；

32、随后，继电器驱动电路驱动继电器切换单元（u8）动作，经过固有动作时间后，备用电源（u10）通过继电器触点向网关机负载供电；

33、步骤s6：在继电器切换单元（u8）完成导通后，pld分析单元（u1）将io3端口由高阻态切换为推挽输出低电平，经第七电阻（r7）将nmos驱动芯片（u5）的输入电压拉低至关断阈值以下，使mos管快速切换单元（u7）关断，同时逻辑判决单元（u2）的输出端保持高电平，继电器切换单元（u8）维持导通状态，由继电器单独承担网关机供电，避免mos管长时间导通导致过热。

34、进一步的，所述步骤s1中，主电源（u9）供电时，通过第三电阻（r3）和第四电阻（r4）对主电源电压进行分压采样，分压后的信号分别送入adc采样单元（u4）和硬件比较器检测单元（u6）；同时，备用电源（u10）通过第五电阻（r5）和第六电阻（r6）分压采样后送入adc采样单元（u4）。

35、进一步的，所述步骤s3中，pld分析单元（u1）判定主电源异常的条件包括：

36、主电源电压低于正常范围下限值且持续时间超过预设时间阈值；或，

37、主电源的相邻采样点变化率连续n次超过预设变化率阈值，其中n≥3。

38、本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

39、1.双路冗余检测，可靠性高，适应强电磁环境。本发明同时采用pld数字分析检测和硬件比较器检测两套独立的检测机制。pld数字分析检测可对电压信号进行复杂的波形分析和趋势预判，具备智能判断能力；硬件比较器检测响应速度快（微秒级），不受数字系统延迟影响。两套检测机制互为备份、互相冗余，任意一路检测到主电源异常均可触发切换，有效避免了单一检测方式存在的检测盲区和单点故障风险。特别地，针对电力通讯网关机部署于变电站、配电站等强电磁环境的工况，双路异构冗余设计确保在强电磁干扰下电源切换电路仍能可靠工作，符合iec 61850标准和电力行业4级电磁兼容标准的要求。

40、2.硬件检测兜底，响应及时，确保通信不中断。本发明设置硬件比较器检测单元监测主电源电压底线阈值，当主电源电压骤降、pld因adc采样延迟或数字运算延迟来不及响应时，硬件比较器可立即触发切换。硬件比较器的响应时间为微秒级，远快于pld数字分析路径，确保在最恶劣工况下仍能及时完成电源切换。对于电力通讯网关机而言，这一特性保证了电源切换过程中通信链路不中断、数据不丢失，避免与调度主站失联的严重后果。

41、3.mos管与继电器协同切换，兼顾速度与容量。本发明采用mos管和继电器协同工作的双路切换方案。mos管响应速度快（微秒级），先导通实现电源的无缝快速切换，避免网关机在切换过程中掉电重启；继电器导通电阻小、可承受电流大、可靠性高，后导通接管主供电通路，解决了mos管长时间大电流导通时发热严重、稳定性不足的问题。两者优势互补，实现了快速响应与大电流承载能力的兼顾，尤其适用于电力通讯网关机多核处理器、多通信接口的高功耗运行场景。

42、4.mos管独立关断，降低热耗，提高网关机长期运行可靠性。本发明在pld分析单元u1上增设可配置为高阻态的io3输出端，通过第七电阻r7和第八电阻r8构成的分压网络，实现在继电器导通后独立关断mos管。上述功能依赖于第七电阻r7与第八电阻r8的阻值配合关系：r7阻值远小于r8（具体地，r7/(r7+r8) < v_il/v_h），使得io3在推挽低电平时，经r7可将u5输入端可靠拉低至其低电平阈值以下，而u2的高电平输出经r8不会干扰该拉低过程；当io3为高阻态时，r7支路相当于开路，u2的输出电平可直接控制u5输入端。io3在不需要关断时处于高阻态，完全不干扰u5输入端的电平；需要关断时只需将io3拉低，通过r7将u5输入端拉至低电平，而r8（r8>> r7）确保u2的高电平不会干扰这一拉低过程。该方案电路结构简洁、控制逻辑清晰，无需额外增加逻辑门或复杂控制电路，有效降低了mos管的热耗和导通损耗，解决了电力通讯网关机高功耗运行场景下电源模块温升过高的问题，提高了系统长期运行的可靠性。

43、5.备用电源状态预判，避免二次失效。本发明在切换前通过adc采样和pld分析对备用电源状态进行检测和判断，仅当备用电源正常时才允许执行切换。避免了因备用电源本身故障而导致切换后网关机供电仍然失败的情况，提高了电源切换的有效性和系统整体可靠性，确保网关机作为“数据枢纽”的供电万无一失。

44、6.满足电力通讯网关机行业标准要求。本发明的技术方案符合gb/t 40435-2021《变电站数据通信网关机技术规范》第5.3.2条和第6.4条中对电源条件和硬件可靠性的相关要求，为电力通讯网关机提供了一种高可靠性、快速响应的电源切换解决方案。