智能高频开关直流电源系统微机监控方案的研究

邵可然1，万升良2,颜景新21华中科技大学，武汉（430074）2正泰集团，温州（325011）THESTUDYOFTHEMCU-MONITORSCHEMEOFINTELLIGENTHIGH-FREQUENCYSWITCHDCPOWERSYSTEMSunNing-bo,K.R.Shao,WanSheng-liang,Yanjing-xin（HuazhongUniversityofSci.&Tec,Wuhan430074;CHINTGroupCorporation,Wenzhou325011）ABSTRACT:ThisPaper,basedonfact,presentsthestructure,thefunctionandthecharacterofthemicro-monitorschemeofintelligenthigh-frequencyswitchDCpowersystem,andtellssuchasdesignofsomemainmonitormodelscombinedonthetheorygraphsindetail.Andthesolutionisanintelligent,safety,effectiveandreliablesolution,whichprovidesanexcellentsolutioninmonitoringtheDCpowersystem.KEYWORDS:Intelligence;MCU-monitoring;DCPower;Automation;High-frequency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，为直流电源系统的监控提供了良好的解决途径。关键词：智能；微机监控；直流电源;自动化;高频1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、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1#~input2#~inputHM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：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：(1)交流监控实现两路三相交流输入电源自动投切，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。(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:3.1电气原理图如图3.1所示：-2-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。ACDC380V220V-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所示:UIU(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3000.25压充电2800.20蓄电池电压2.35V*n2.25V*n2.35V*n2.25V*n2.35V*n2600.150.1C10A充电电流0.1C10A1.2C10A0.1C10A2400.10221V220V221V控制母线电压0.06C10A0.06C10A负荷电流2200.05记时点投运点720h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(2.30~2.40)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1~3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-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），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，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80C196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-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80C1963.3.1EMC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