電力系統(tǒng)用微機(jī)監(jiān)控直流電源

1前言

電力系統(tǒng)用直流電源主要用于水電站、發(fā)電廠、地區(qū)與廠礦企業(yè)的變電所內(nèi)，作為開關(guān)、斷路器的操作電源；控制、保護(hù)、信號(hào)等設(shè)備的直流電源。電力系統(tǒng)用直流電源通常由變流器、蓄電池和其它輔助電路組成。要求運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠、調(diào)節(jié)方便，并能對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

目前，大量應(yīng)用的是半導(dǎo)體不控整流或相控整流直流電源。這些直流電源產(chǎn)品除了笨重、體積重量大、有色金屬、黑色金屬消耗多，功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)的諧波污染嚴(yán)重外，還存在以下缺點(diǎn)：

（1）穩(wěn)流、穩(wěn)壓精度差；

（2）不能自動(dòng)、精確地按照充電曲線f(i,t)進(jìn)行

充電和適時(shí)的切換；

（3）不具備大面積的多點(diǎn)、多變量的綜合計(jì)算和監(jiān)控功能；

（4）由于多用模擬電路構(gòu)成，因此難與計(jì)算機(jī)接口。

顯然，這類電源產(chǎn)品已經(jīng)不能適應(yīng)綠色電源的要求和信息技術(shù)發(fā)展的要求。

分析產(chǎn)生以上存在問題的原因，主要是直流電源的AC/DC變換方案、控制方案與配置趨于陳舊，與當(dāng)前環(huán)保及科技發(fā)展的要求有較大差距。改善的途徑應(yīng)為：

（1）從AC/DC變換入手，實(shí)現(xiàn)綠色電源。即采用功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC）、電磁干擾（EMI）抑制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)（SMPS），實(shí)現(xiàn)AC/DC變換，配合以微機(jī)監(jiān)控為核心的高性能的監(jiān)測、控制裝置。

（2）對(duì)于暫時(shí)無法將相控電源改為開關(guān)電源的直流配電系統(tǒng)，可以通過設(shè)計(jì)、制造自動(dòng)化程度高的監(jiān)測、控制裝置，進(jìn)行多點(diǎn)、多方位的監(jiān)測，配合以合理、優(yōu)化的經(jīng)典或現(xiàn)代控制算法來提高相控整流直流電源系統(tǒng)的使用質(zhì)量，提高并穩(wěn)定其性能指標(biāo)。

本文僅就我公司在微機(jī)監(jiān)控方面所做的開發(fā)工作作一介紹。

2高性能微機(jī)監(jiān)控裝置的研制

在常規(guī)集中控制方法里，對(duì)于電源系統(tǒng)而言，為了進(jìn)行有效的反饋校正，集中控制的基本方法，如極點(diǎn)配置、最優(yōu)控制、狀態(tài)估算等，都需要采集系統(tǒng)所有相關(guān)的全部數(shù)據(jù)。這樣的集中采集、處理數(shù)據(jù)必然使系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，維數(shù)又很大，即不經(jīng)濟(jì)，也會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)點(diǎn)的故障致使整個(gè)系統(tǒng)工作失常。

圖1監(jiān)控系統(tǒng)方框圖

如果把一個(gè)大系統(tǒng)的功能分散地分配到各個(gè)本地監(jiān)控器，則有利于故障隔離、維護(hù)，且系統(tǒng)升降自由、靈活。再由一個(gè)上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)理，并且可以通過它連接有線、無線、微波、載波、專線、互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)操作，其優(yōu)越性是不言自明的。

下面介紹采用分散控制結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)由分散的小系統(tǒng)構(gòu)成集中監(jiān)控的大型系統(tǒng)，各個(gè)本地監(jiān)控器配合對(duì)應(yīng)的監(jiān)控對(duì)象，利用系統(tǒng)科學(xué)方法合理分配各部分功能，依靠各子系統(tǒng)之間的相互通信，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

監(jiān)控系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

通過全雙工RS?485信號(hào)連接各個(gè)不同/相同功能的本地監(jiān)控器，測量數(shù)據(jù)共享。通訊協(xié)議可以針對(duì)目前廣泛應(yīng)用在郵電、電力、鐵路等直流電源系統(tǒng)的不同要求。

在通信的結(jié)構(gòu)上采用全息協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，沒有上級(jí)協(xié)調(diào)器，不因上級(jí)協(xié)調(diào)器的故障而影響其它子系統(tǒng)正常工作,上位計(jì)算機(jī)只是為了系統(tǒng)管理者了解分析系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行狀況、發(fā)出指令、修改運(yùn)行參數(shù)而設(shè)置。

（1）1＃本地監(jiān)控器

要求監(jiān)控系統(tǒng)不僅能為充電系統(tǒng)提供最佳的充電參數(shù)，保證蓄電池始終處于滿容量工作狀態(tài)，而且要實(shí)時(shí)完成對(duì)直流配電、電源系統(tǒng)、蓄電池組、母線絕緣以及環(huán)境情況的監(jiān)控，具備完善的故障檢測、報(bào)警以及歷史數(shù)據(jù)信息的處理存儲(chǔ)能力，能夠與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流操作系統(tǒng)的近臺(tái)和遠(yuǎn)方監(jiān)控及維護(hù)功能。

主要功能：針對(duì)相控整流器電源、高頻開關(guān)模塊電源而設(shè)計(jì)。接受被控對(duì)象的反饋，完成恒壓、恒流功能；完成截流、截壓保護(hù)功能；面向直流合閘電源的充電功能；以及過壓/流、欠壓報(bào)警，熔斷器報(bào)警，母線絕緣報(bào)警等附帶功能。

（2）2＃本地監(jiān)控器

可以是和1＃本地監(jiān)控器相同的功能，與1＃本地監(jiān)控器互為備份，組成并聯(lián)系統(tǒng)。均流平衡度由雙機(jī)協(xié)調(diào)。

也可以是其他不同功能的本地監(jiān)控器，例如：蓄電池運(yùn)行狀況循環(huán)監(jiān)測本地監(jiān)控器。對(duì)于單只蓄電池的檢測裝置是由下位機(jī)及上位微機(jī)組成，循環(huán)檢測每一只蓄電池的電壓及充電過程中蓄電池組總的電壓，與設(shè)置偏差進(jìn)行比較而確定是否故障報(bào)警。

（3）n＃本地監(jiān)控器

n<64,不同功能的本地監(jiān)控，為完成大系統(tǒng)的不同功能要求而設(shè)計(jì)。

各個(gè)本地監(jiān)控器自身均有完整的功能，可以獨(dú)立組成一個(gè)智能型裝置，具有各自獨(dú)立的功能。相互之間通過RS?485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞與控制指令的傳送，完成復(fù)雜的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，而且假如任一本地監(jiān)控器出現(xiàn)故障，均不影響其它本地監(jiān)控器的正常工作，并能及時(shí)引起上位計(jì)算機(jī)報(bào)警，從而確保系統(tǒng)具有高可靠性和很強(qiáng)的自診斷能力。

所有本地監(jiān)控器都使用全雙工RS?485通訊互連，可以接受其他本地監(jiān)控器的參數(shù)和上位機(jī)的命令；上傳本地監(jiān)測的參數(shù)和運(yùn)行的狀態(tài)。

各個(gè)本地監(jiān)控器的起/停、參數(shù)的設(shè)置通過本地鍵盤進(jìn)行。如果不配備本地鍵盤顯示，各個(gè)本地監(jiān)控器的起/停、參數(shù)的設(shè)置還可以通過上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行。

（4）上位計(jì)算機(jī)

基于WINDOWS操作系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)本地監(jiān)控器上傳的數(shù)據(jù)自主更新圖形化顯示，實(shí)時(shí)反映下位機(jī)——本地監(jiān)控器的工作狀況；由管理者切換監(jiān)測、控制對(duì)象。每一本地監(jiān)控器參數(shù)均可以存檔、打印。

圖2所示為實(shí)際工作于直流操作電源的上位計(jì)算機(jī)監(jiān)測的屏幕，設(shè)置參數(shù)為：均充電流為5A，均充電壓為254V，浮充電壓為243V。

柵格內(nèi)顯示的是蓄電池充電的電壓、電流曲線。監(jiān)測屏幕右側(cè)是系統(tǒng)運(yùn)行狀況下相關(guān)的全部信息。

每個(gè)本地監(jiān)控器內(nèi)部均采用INTEL公司生產(chǎn)的80C196KC型16位高檔單片機(jī)為核心。該芯片運(yùn)算速度快，有十分強(qiáng)大的外圍支持能力，特別是其HIS/HSO通道，可方便地對(duì)外圍電路進(jìn)行實(shí)時(shí)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。且本地監(jiān)控器的強(qiáng)電與弱電接口采用全電氣隔離設(shè)計(jì)，可有效地防止外部干擾，其中A／D采樣通道應(yīng)用電磁隔離技術(shù)；開關(guān)量輸入、輸出以及D／A模擬量輸出均采用光—電隔離技術(shù)，確保系統(tǒng)在強(qiáng)干擾環(huán)境中可靠地工作。每個(gè)模塊的CPU外圍均帶有非易失性存儲(chǔ)器，用于當(dāng)前運(yùn)行的最佳參數(shù)值掉電保持，確保在系統(tǒng)失電情況下數(shù)據(jù)不丟失，恢復(fù)通電后自行起動(dòng)并按原設(shè)置最佳參數(shù)運(yùn)行。設(shè)計(jì)具有很高的可靠性和冗余度，在各個(gè)關(guān)鍵位置均設(shè)置防飛車的軟、硬件保護(hù)措施。

3應(yīng)用實(shí)例

依照以上設(shè)計(jì)思路，西安新核電力電子有限責(zé)任公司為陜西連訊電力設(shè)備公司設(shè)計(jì)制造了2套直流電源微機(jī)監(jiān)控裝置。技術(shù)參數(shù)如下。

（1）輸入交流電壓3相4線380V±5％50Hz；

（2）變流方式三相全控晶閘管整流；

（3）輸出直流電壓

?220V±2?5％控制母線，220V±2％合閘母線；

?110V±2?5％控制母線，110V±2％合閘母線；

（4）輸出直流電流600A±2％；

（5）充電穩(wěn)流精度?1％；

（6）浮充電，均衡充電穩(wěn)壓精度?1％；

（7）輸出紋波系數(shù)?2％；

（8）檢測具有多路電池在線檢測與多路直流回路絕緣在線檢測。

圖3所示為主電路原理圖。主電路構(gòu)成方式和傳統(tǒng)做法相同，本地監(jiān)控器輸出的是六路雙窄脈沖;對(duì)于高頻開關(guān)電源，不同的是本地監(jiān)控器輸出的是模擬/數(shù)字控制量（因高頻開關(guān)電源而定）。

對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的過程控制，不再是由單個(gè)獨(dú)立的控制任務(wù)組成。而是多個(gè)任務(wù)的集合，這些任務(wù)即有相對(duì)獨(dú)立性（現(xiàn)場、設(shè)備控制），又與其它控制任務(wù)相聯(lián)系（多數(shù)據(jù)的采集、傳遞）。眾多相對(duì)獨(dú)立的控制任務(wù)，

圖2實(shí)際使用中的運(yùn)行曲線在監(jiān)控微機(jī)上的顯示

圖3主電路原理圖

圖4本地監(jiān)控器控制電路框圖

需要整體上的控制。下位機(jī)完成現(xiàn)場、設(shè)備一級(jí)的監(jiān)測、控制；上位機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合，分析和控制，以及各種圖表、顯示、打印、存儲(chǔ)、人機(jī)對(duì)話等。

在使用過程中對(duì)照以上設(shè)計(jì)思路全部實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)用直流操作電源的監(jiān)控。通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了遙測、遙控、遙調(diào)、遙信，錄波、打印功能。

4結(jié)語

本監(jiān)控裝置通過現(xiàn)場運(yùn)行，實(shí)測各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，運(yùn)行情況良好，性能穩(wěn)定，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。