电力系统用微机监控直流电源

1前言

电力系统用直流电源主要用于水电站、发电厂、地区与厂矿企业的变电所内，作为开关、断路器的操作电源；控制、保护、信号等设备的直流电源。电力系统用直流电源通常由变流器、蓄电池和其它辅助电路组成。要求运行稳定、工作可靠、调节方便，并能对其进行监控。

目前，大量应用的是半导体不控整流或相控整流直流电源。这些直流电源产品除了笨重、体积重量大、有色金属、黑色金属消耗多，功率因数低、对电网的谐波污染严重外，还存在以下缺点：

（1）稳流、稳压精度差；

（2）不能自动、精确地按照充电曲线f(i,t)进行

充电和适时的切换；

（3）不具备大面积的多点、多变量的综合计算和监控功能；

（4）由于多用模拟电路构成，因此难与计算机接口。

显然，这类电源产品已经不能适应绿色电源的要求和信息技术发展的要求。

分析产生以上存在问题的原因，主要是直流电源的AC/DC变换方案、控制方案与配置趋于陈旧，与当前环保及科技发展的要求有较大差距。改善的途径应为：

（1）从AC/DC变换入手，实现绿色电源。即采用功率因数校正技术（PFC）、电磁干扰（EMI）抑制技术、开关电源技术（SMPS），实现AC/DC变换，配合以微机监控为核心的高性能的监测、控制装置。

（2）对于暂时无法将相控电源改为开关电源的直流配电系统，可以通过设计、制造自动化程度高的监测、控制装置，进行多点、多方位的监测，配合以合理、优化的经典或现代控制算法来提高相控整流直流电源系统的使用质量，提高并稳定其性能指标。

本文仅就我公司在微机监控方面所做的开发工作作一介绍。

2高性能微机监控装置的研制

在常规集中控制方法里，对于电源系统而言，为了进行有效的反馈校正，集中控制的基本方法，如极点配置、最优控制、状态估算等，都需要采集系统所有相关的全部数据。这样的集中采集、处理数据必然使系统物理结构复杂化，维数又很大，即不经济，也会因为一个点的故障致使整个系统工作失常。

图1监控系统方框图

如果把一个大系统的功能分散地分配到各个本地监控器，则有利于故障隔离、维护，且系统升降自由、灵活。再由一个上位计算机进行统一监理，并且可以通过它连接有线、无线、微波、载波、专线、互联网，以实现远动操作，其优越性是不言自明的。

下面介绍采用分散控制结构，即系统由分散的小系统构成集中监控的大型系统，各个本地监控器配合对应的监控对象，利用系统科学方法合理分配各部分功能，依靠各子系统之间的相互通信，实现了系统的协调控制。

监控系统方框图如图1所示。

通过全双工RS?485信号连接各个不同/相同功能的本地监控器，测量数据共享。通讯协议可以针对目前广泛应用在邮电、电力、铁路等直流电源系统的不同要求。

在通信的结构上采用全息协调结构，没有上级协调器，不因上级协调器的故障而影响其它子系统正常工作,上位计算机只是为了系统管理者了解分析系统各个部分的运行状况、发出指令、修改运行参数而设置。

（1）1＃本地监控器

要求监控系统不仅能为充电系统提供最佳的充电参数，保证蓄电池始终处于满容量工作状态，而且要实时完成对直流配电、电源系统、蓄电池组、母线绝缘以及环境情况的监控，具备完善的故障检测、报警以及历史数据信息的处理存储能力，能够与上位计算机进行双向通信，实现对直流操作系统的近台和远方监控及维护功能。

主要功能：针对相控整流器电源、高频开关模块电源而设计。接受被控对象的反馈，完成恒压、恒流功能；完成截流、截压保护功能；面向直流合闸电源的充电功能；以及过压/流、欠压报警，熔断器报警，母线绝缘报警等附带功能。

（2）2＃本地监控器

可以是和1＃本地监控器相同的功能，与1＃本地监控器互为备份，组成并联系统。均流平衡度由双机协调。

也可以是其他不同功能的本地监控器，例如：蓄电池运行状况循环监测本地监控器。对于单只蓄电池的检测装置是由下位机及上位微机组成，循环检测每一只蓄电池的电压及充电过程中蓄电池组总的电压，与设置偏差进行比较而确定是否故障报警。

（3）n＃本地监控器

n<64,不同功能的本地监控，为完成大系统的不同功能要求而设计。

各个本地监控器自身均有完整的功能，可以独立组成一个智能型装置，具有各自独立的功能。相互之间通过RS?485实现数据的传递与控制指令的传送，完成复杂的实时监测功能，而且假如任一本地监控器出现故障，均不影响其它本地监控器的正常工作，并能及时引起上位计算机报警，从而确保系统具有高可靠性和很强的自诊断能力。

所有本地监控器都使用全双工RS?485通讯互连，可以接受其他本地监控器的参数和上位机的命令；上传本地监测的参数和运行的状态。

各个本地监控器的起/停、参数的设置通过本地键盘进行。如果不配备本地键盘显示，各个本地监控器的起/停、参数的设置还可以通过上位计算机进行。

（4）上位计算机

基于WINDOWS操作系统，根据各个本地监控器上传的数据自主更新图形化显示，实时反映下位机——本地监控器的工作状况；由管理者切换监测、控制对象。每一本地监控器参数均可以存档、打印。

图2所示为实际工作于直流操作电源的上位计算机监测的屏幕，设置参数为：均充电流为5A，均充电压为254V，浮充电压为243V。

栅格内显示的是蓄电池充电的电压、电流曲线。监测屏幕右侧是系统运行状况下相关的全部信息。

每个本地监控器内部均采用INTEL公司生产的80C196KC型16位高档单片机为核心。该芯片运算速度快，有十分强大的外围支持能力，特别是其HIS/HSO通道，可方便地对外围电路进行实时触发，实现不同的控制功能。且本地监控器的强电与弱电接口采用全电气隔离设计，可有效地防止外部干扰，其中A／D采样通道应用电磁隔离技术；开关量输入、输出以及D／A模拟量输出均采用光—电隔离技术，确保系统在强干扰环境中可靠地工作。每个模块的CPU外围均带有非易失性存储器，用于当前运行的最佳参数值掉电保持，确保在系统失电情况下数据不丢失，恢复通电后自行起动并按原设置最佳参数运行。设计具有很高的可靠性和冗余度，在各个关键位置均设置防飞车的软、硬件保护措施。

3应用实例

依照以上设计思路，西安新核电力电子有限责任公司为陕西连讯电力设备公司设计制造了2套直流电源微机监控装置。技术参数如下。

（1）输入交流电压3相4线380V±5％50Hz；

（2）变流方式三相全控晶闸管整流；

（3）输出直流电压

?220V±2?5％控制母线，220V±2％合闸母线；

?110V±2?5％控制母线，110V±2％合闸母线；

（4）输出直流电流600A±2％；

（5）充电稳流精度?1％；

（6）浮充电，均衡充电稳压精度?1％；

（7）输出纹波系数?2％；

（8）检测具有多路电池在线检测与多路直流回路绝缘在线检测。

图3所示为主电路原理图。主电路构成方式和传统做法相同，本地监控器输出的是六路双窄脉冲;对于高频开关电源，不同的是本地监控器输出的是模拟/数字控制量（因高频开关电源而定）。

对一个系统的过程控制，不再是由单个独立的控制任务组成。而是多个任务的集合，这些任务即有相对独立性（现场、设备控制），又与其它控制任务相联系（多数据的采集、传递）。众多相对独立的控制任务，

图2实际使用中的运行曲线在监控微机上的显示

图3主电路原理图

图4本地监控器控制电路框图

需要整体上的控制。下位机完成现场、设备一级的监测、控制；上位机完成整个系统的数据综合，分析和控制，以及各种图表、显示、打印、存储、人机对话等。

在使用过程中对照以上设计思路全部实现了对电力系统用直流操作电源的监控。通过上位计算机实现了遥测、遥控、遥调、遥信，录波、打印功能。

4结语

本监控装置通过现场运行，实测各项技术参数均达到了设计指标，运行情况良好，性能稳定，具有推广应用的价值。