智能高频开关直流电源系统微机监控方案的研究.pdf

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1、 http:/-1-智能高频开关直流电源系统微机监控方案的研究 孙宁波1,邵可然1，万升良2,颜景新2 1华中科技大学，武汉（430074）2正泰集团，温州（325011）THE STUDY OF THE MCU-MONITOR SCHEME OF INTELLIGENT HIGH-FREQUENCY SWITCH DC POWER SYSTEM Sun Ning-bo,K.R.Shao,Wan Sheng-liang,Yan jing-xin（Huazhong University of Sci.&Tec,Wuhan 430074;CHINT Group Corporation,Wenzho

2、u 325011）ABSTRACT:This Paper,based on fact,presents the structure,the function and the character of the micro-monitor scheme of intelligent high-frequency switch DC power system,and tells such as design of some main monitor models combined on the theory graphs in detail.And the solution is an intell

3、igent,safety,effective and reliable solution,which provides an excellent solution in monitoring the DC power system.KEY WORDS:Intelligence;MCU-monitoring;DC Power;Automation;High-frequency 摘要摘要:本文结合实际，阐述了一种智能高频开关电源直流系统的微机监控方案的系统结构与功能特点，并结合相应原理框图对主要监控模块设计等方面做了详尽介绍。该直流电源系统微机监控方案集智能化、安全性、高效性和高可靠性于一体，为直

4、流电源系统的监控提供了良好的解决途径。关键词关键词：智能；微机监控；直流电源;自动化;高频 1 概述概述 发电厂和变电站中的电力操作电源又称直流电源柜系统，作为控制负荷和动力负荷以及自动装置|、直流事故照明负荷等的电源,是电力系统控制、保护的基础。为了配合电力系统向综合自动化、电站无人值守和网络化集中管理的方向发展，具有高性能、高可靠性、高效率以及智能化程度的高频开关直流电源柜系统的监控显得尤为关键。本文结合高频开关技术、计算机技术和自动化技术，设计了一种智能高频开关直流电源柜系统的微机监控方案。其监控系统具有“遥测、遥信、遥控、遥调”功能，并对系统设备进行集中管理。该方案不但适用于旧式电厂、

5、电站的改造，更适应于新建电厂、电站的建设应用，使整个电厂、电站易于实现电力系统综合自动化。2 系统及其监控方案与特点系统及其监控方案与特点 1#input 2#input HM 蓄 电池组 RS485(至远程)图 1 智能高频开关直流电源柜系统框图 交流配电单元 11 整流(充电)模块12 整流(充电)模块 交流监控 整流监控 DC 降压装置合闸输出控制输出触摸屏 中心监控 1 开关量监控 绝缘监察 直流监控 中心监控 2 http:/ 智能高频开关直流电源柜系统框图如上图 1 所示。系统控制方案功能以及特点：本系统具有双中心监控（一个正常运行时，另一个处于热备用状态）、降压双保险（硅链降压和

6、 DC/DC 降压并联）、整流模块集中并联运行、系统模块化、扩展性能好（整流模块扩展、蓄电池组扩展、远程控制扩展等）、安全保护性能高以及交互功能强、EMC 性能好等特点。2.1 主电路为主电路为：三相四线（380V，50HZ）交流双路输入自动切换 交流配电单元 整流模块(10A/230V)(模块备份)，通过合闸母线将输出电压分配 大批合闸输出和蓄电池组，同时合闸母线电压 DC降压模块（DC/DC和硅链两路）得到控制母线电压。这里的DC降压模块无论合母电压如何变化，控制输出电压（控母电压）稳定在 220V+0.5%。2.2 控制电路包括：控制电路包括：(1)交流监控 实现两路三相交流输入电源自动

7、投切，将输入的三相交流电源通过配电分配到各个整流模块。测量两路三相交流输入电压,检测接触器状态，提供防雷器故障状态和相应交流开关跳闸状态，并提供过流过压缺相等保护功能，通过 RS485 与中心监控器通信，进行电源管理和故障处理。（2）整流监控 这里以正泰的 KVAD5 系列充电、浮充电装置为例，其功能是根据用户设置,按照所给定蓄电池（设置相应参数）的充电曲线要求,自动（或者手动）控制输出，以实现蓄电池的充电、浮充电，也可以作为直流稳压电源使用。当使用高频开关整流模块时候，考虑安全和稳定性，设计备份整流模块。整流监控通过 RS485 与中心监控器通信，进行系统管理和故障处理。并提供一定的扩展信道

8、。(3)开关量监控 主要检测合闸馈线开关的跳闸状态，电池开关以及外接设备开关，控制母线馈线开关的跳闸状态,熔断器状态，并采用继电器输出控制相应接点,通过 RS485 与中心监控器通信，进行开关量管理和故障处理。（4）直流监控 完成电池巡检(对 19 节和 120 节单体电池电压监测和告警)、测量合母电压、控母电压以及电流、两组电池电压（没扩展前）以及充电电流、环境温度，进行温度补偿等，并提供一定的扩展测量信道。（5）绝缘监察 监察母线（合母、控母）绝缘状况，产生警告信号，并通过 RS485 与中心监控器通信，进行显示和故障处理。(6)中心监控器 与各个监控模块通讯，实现模块的监控功能，提供状态

9、参数等显示，以及根据实际作出相应报警和控制动作。并能检测各个监控模块良好与否，给出相应提示。与触摸屏进行交互通信。中心监控器之间可以相互通信，实现主监控和备用监控，并可以通过 RS485 接口实现远程监控。3 系统电气原理图以及主要监控模块设计系统电气原理图以及主要监控模块设计:3.1 电气原理图电气原理图 如图 3.1 所示：-2-http:/ 图 3.1 系统电气原理图 3.2 主要监控模块设计：主要监控模块设计：3.2.1 整流监控（采用 AT89c52 单片机为内核）KVAD5 整流微机监控(89C52 系统)图 3.1 整流监控关系简图 整流模块的主要原理图如图 3.2 所示，实现蓄

10、电池的均充、浮充电之间的自动切换与控制（或手动），整流模块输出电压电流的调整与系统数据显示、故障状态的显示与报警等。AC DC 380V 220V-3-图 3.2 整流模块的原理框图 防雷 EMI 全桥 整流 无源PFCDC/DC变换器平 滑滤波保 护输出 采样 反馈 过压过流及短路保护 电 源 控 制 器通讯、监控接口风机转速控制 均流控制 过 温 保 护 电池组是直流系统中重要的组成部分，对电池组良好的维护和监测显得尤其重要。智能高频开关直流系统具有先进的电池管理功能，可以严格按照电池的充放电曲线对电池进行管理。下面以应用比较广泛的阀式密封铅酸蓄电池为例，阐述蓄电池充电程序，其运行如图4

11、http:/ 所示:U I U I U(V):I(A):n(只)C(容量:Ah)投运前充电过程 正常运行 720h,自动 正常运行 交流电源中断 电网恢复，自动进行恒 (浮充)进行恒流和恒 (浮充)蓄电池放电 流和恒压充电 300 0.25 压充电 280 0.20 蓄电池电压 2.35V*n 2.25V*n 2.35V*n 2.25V*n 2.35V*n 260 0.15 0.1C10A 充电电流 0.1C10A 1.2C10A 0.1C10A 240 0.10 221V 220V 221V 控制母线电压 0.06C10A 0.06C10A 负荷电流 220 0.05 记时点 投运点 720

12、h 交流电源中断时刻 恢复送电点 图 3.3 铅酸蓄电池运行示意图?对整流监控而言，严格按照电池的充放电曲线对电池充电比较关键，这里对监控系统的实时性、准确性、快速性等都提出了一定的要求。铅酸蓄电池开始用 0.1C10A（可设置）恒流充电,当电压达到(2.302.40)V*n(单体电池数)时,自动（或手动）转入恒压充电。充电电流开始逐渐减小，减小至0.01C10A(可设置)时开始计时，3h 后,微机自动控制充电浮电装置转入浮充电运行。正常运行浮充 13 个月，微机自动控制充电浮电装置转入恒流充电运行，按铅酸蓄电池正常充电程序运行。当因为电网事故等原因发生交流电源中断时，停止充电浮充电装置,蓄电

13、池通过降压模块不间断向二次控制母线拱电。当蓄电池电压低于设定值时发出声光报警，恢复交流供电后按铅酸蓄电池正常充电程序运行。?必须指出的是，该方案中，其整流模块可以采用相位控制锁定技术，软开关技术。整流监控具有输出限流保护、输出过压保护、短路保护、模块并联保护、过温保护，充电装置的稳压、稳流精度高、纹波系数小，可靠性高，抗干扰能力强。可以改进的地方有：DC/DC变换器环节的拓扑以及控制,采用全桥隔离式变换器(如图3.4所示)。图3.4 全桥隔离式DC/DC变换器 该电路的变压器铁心和绕组利用率高、功率开关运行安全，输入输出滤波和EMC都做了一定改善。采用UC3875作为PWM控制芯片对四个功率开

14、关进行控制，可以方便实现峰值电流型PWM控制并具有很好的保护功能。为了保证系统可靠性，整流模块备份。?通讯方面,该整流监控模块通过RS485 和中心监控之间通讯，实现模块参数设置，采 集模块工作参数，控制模块工作状态。-4-http:/?扩展功能方面，为了实现整流模块的直接扩展，整流监控模块预留一定I/O口，并在程序中按照冗余思路设计与I/O口对应的整流模块监控（可以用循环查询实现）。这样方便实现整流监控的1对n功能。3.2.2 降压模块(采用 89C52 为内核)本方案采用高频开关降压模块和硅链降压双保险的控制方案。其中，高频开关降压模块的原理框图如图 3.5 所示：合母 控母 DC/DC

15、变换器 平 滑滤波保 护输出 采样 反馈 过压过流及短路保护 电 源 控 制 器通讯、监控接口风机转速控制 过温保护 图 3.5 降压模块的原理框图 实际可以选择 DC/DC 变换器部分类似图 3.4 的设计方案的降压模块.这样提供了良好的保护功能的同时，保证了效率和方便实现微机自动化控制。采用高频开关降压模块和硅链降压模块，降压方式灵活：既可采用传统硅链降压，也可采用高频降压模块。采用高频开关降压模块可以实现无级调压，控制输出电压稳定在 220V+0.5%，精度高，抗干扰能力强，操作方便，可以带电插拔，降压范围大，易于控制实现自动化系统。而硅链降压具有操作简单，手动控制容易（控制接触器的合断

16、），成本低廉等优点。在系统设计时，可以考虑降压模块两种同时具备的冗余方案，在接线端子预留两种方案的接线模式，以适应不同用户需求。3.2.3 直流系统蓄电池管理（采用 89C52 单片机为监控模块内核）蓄电池组是控制核心对象之一，因此，对蓄电池的自动巡检的准确，实时，可靠性提出了比较高的要求。对蓄电池的直流监控主要是：检测 19 节和 120 节单体电池电压,检测电池体表温度和环境温度。微机直流监控的电池巡检模块原理图（如图 3.6）：电池电压 电池体温度 隔离式 485 通信 报警及切换 显示及小键盘 AT89C52环境温度 图 3.6 电池巡检原理框图 以上原理图中，报警以及切换是选配功能，

17、其实现可以通过 RS485 接口与中心监控通信，由中心监控来完成。3.3 中心监控模块设计（采用高速中心监控模块设计（采用高速 80C196 芯片）：芯片）：中心监控是系统控制核心，本控制方案采用双中心监控（一个正常运行时，另一-5-http:/ 个处于热备用状态）安全保护性能高以及交互功能强、EMC 性能好，扩展性能强，智能监控、集中管理等特点。中心监控可以与交流监控、直流监控、绝缘监察、开关量监控、整流监控以及触摸屏等子监控模块进行 RS485 标准的串行通信，实现集中管理与统一控制，双中心监控为安全稳定提供了更可靠保证。同时系统还提供可扩展的远程监控功能和可扩展的其他监控模块功能口。本中

18、心监控原理框图如图 3.7 所示:-6-图 3.7 中心监控原理框图 远程监控 备用监控 绝缘监察 光 电 隔离式RS485 通信(有 多余 的 扩展口)直流监控 开关量监控 整流监控 交流监控 声光报警 按键、旋钮、控制开关、显示仪表、信号灯等 触摸屏 80C196 3.3.1 EMC 设计设计 面对激烈的国际电力行业竞争大环境，现代电力电子产品在绿色环保方面特别是EMC 方面的性能优劣已经日益成为产品综合指标的关键一环。因此，本方案对产品 EMC方面做了较为充分的设计。众所周知，屏蔽、滤波、合理接地合理布局等抑制干扰的措施都是很有效的，在工程实践中被广泛采用。但是随着电子系统的集成化、综合

19、化，以上措施的应用往往会与成本、质量、功能要求产生矛盾，必须权衡利弊研究出最合理的措施来满足电磁兼容性要求。针对这样一实际，从硬件和软件两方面对系统的 EMC 进行了全局设计。硬件方面，从抑制干扰源、切断干扰传播路径以及提高敏感元件抗干扰性能三方面进行考虑。主要措施：在电路板内只要涉及到电源进线的都进行滤波（如两端并接 0.01uF0.1uF 的高频电容），继电器尽量选用固态继电器，且线圈加续流二极管，继电器接点两端加并接 RC 吸收电路,单片机电源尽量选适当高性能的，单片机和大功率器件都单独接地，模拟地和数字地分离，最后在一点接于电源地，单片机的 WatchDog 采用 MAX706，I/O

20、光隔，通信线采用双绞线。软件方面，主要采用以下措施：软件拦截（指令冗余和软件陷阱），软件“看门狗”技术，输入数字滤波，输出刷新等。机柜上的监控模块机箱，柜门以及柜体接地电缆在安装时候，保证机柜整体与机房接地点可靠了解。因此，从整体上而言，本监控方案对产品的 EMC 设计上作出了足够的重视，系统噪声小于 50db，为系统可靠性和绿色产品化提供了保证。3.3.2 RS485 通讯通讯 本微机监控的通讯为:采用主从应答通信方式，RS485 通讯接口，波特率支持 4800、9600,每帧 10 位（1 起始+8 数据+1 停止）。具体协议在此不作详述。http:/-7-四、结束语四、结束语 本高频开关

21、电源直流系统监控方案，具有双中心监控（一个正常运行时，另一个处于热备用状态）、交流双路自动倒换、三相交流电压电流检测、停电、缺相报警保护功能，整流模块集中并联运行、降压双保险（硅链降压和 DC/DC 降压并联）、系统模块化、扩展性能好、安全保护性能高以及交互功能强、EMC 性能好等特点，适用于微机型高频开关电源直流监控系统，本控制方案集智能化、安全性、高效性和高可靠性于一体，为直流电源系统的监控提供了良好的解决方案。参考文献：1 沙占友等.单片开关电源的电磁兼容性设计J.电测与仪表.2000,37（416）：17-19.2 吕勇军,郝波等.智能直流高频开关电源系统微机监控模块的研制J.国外电子

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