電力系統用微機監控直流電源

1前言

電力系統用直流電源主要用于水電站、發電廠、地區與廠礦企業的變電所內，作為開關、斷路器的操作電源；控制、保護、信號等設備的直流電源。電力系統用直流電源通常由變流器、蓄電池和其它輔助電路組成。要求運行穩定、工作可靠、調節方便，并能對其進行監控。

目前，大量應用的是半導體不控整流或相控整流直流電源。這些直流電源產品除了笨重、體積重量大、有色金屬、黑色金屬消耗多，功率因數低、對電網的諧波污染嚴重外，還存在以下缺點：

（1）穩流、穩壓精度差；

（2）不能自動、精確地按照充電曲線f(i,t)進行

充電和適時的切換；

（3）不具備大面積的多點、多變量的綜合計算和監控功能；

（4）由于多用模擬電路構成，因此難與計算機接口。

顯然，這類電源產品已經不能適應綠色電源的要求和信息技術發展的要求。

分析產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，與當前環保及科技發展的要求有較大差距。改善的途徑應為：

（1）從AC/DC變換入手，實現綠色電源。即采用功率因數校正技術（PFC）、電磁干擾（EMI）抑制技術、開關電源技術（SMPS），實現AC/DC變換，配合以微機監控為核心的高性能的監測、控制裝置。

（2）對于暫時無法將相控電源改為開關電源的直流配電系統，可以通過設計、制造自動化程度高的監測、控制裝置，進行多點、多方位的監測，配合以合理、優化的經典或現代控制算法來提高相控整流直流電源系統的使用質量，提高并穩定其性能指標。

本文僅就我公司在微機監控方面所做的開發工作作一介紹。

2高性能微機監控裝置的研制

在常規集中控制方法里，對于電源系統而言，為了進行有效的反饋校正，集中控制的基本方法，如極點配置、最優控制、狀態估算等，都需要采集系統所有相關的全部數據。這樣的集中采集、處理數據必然使系統物理結構復雜化，維數又很大，即不經濟，也會因為一個點的故障致使整個系統工作失常。

圖1監控系統方框圖

如果把一個大系統的功能分散地分配到各個本地監控器，則有利于故障隔離、維護，且系統升降自由、靈活。再由一個上位計算機進行統一監理，并且可以通過它連接有線、無線、微波、載波、專線、互聯網，以實現遠動操作，其優越性是不言自明的。

下面介紹采用分散控制結構，即系統由分散的小系統構成集中監控的大型系統，各個本地監控器配合對應的監控對象，利用系統科學方法合理分配各部分功能，依靠各子系統之間的相互通信，實現了系統的協調控制。

監控系統方框圖如圖1所示。

通過全雙工RS?485信號連接各個不同/相同功能的本地監控器，測量數據共享。通訊協議可以針對目前廣泛應用在郵電、電力、鐵路等直流電源系統的不同要求。

在通信的結構上采用全息協調結構，沒有上級協調器，不因上級協調器的故障而影響其它子系統正常工作,上位計算機只是為了系統管理者了解分析系統各個部分的運行狀況、發出指令、修改運行參數而設置。

（1）1＃本地監控器

要求監控系統不僅能為充電系統提供最佳的充電參數，保證蓄電池始終處于滿容量工作狀態，而且要實時完成對直流配電、電源系統、蓄電池組、母線絕緣以及環境情況的監控，具備完善的故障檢測、報警以及歷史數據信息的處理存儲能力，能夠與上位計算機進行雙向通信，實現對直流操作系統的近臺和遠方監控及維護功能。

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

（2）2＃本地監控器

可以是和1＃本地監控器相同的功能，與1＃本地監控器互為備份，組成并聯系統。均流平衡度由雙機協調。

也可以是其他不同功能的本地監控器，例如：蓄電池運行狀況循環監測本地監控器。對于單只蓄電池的檢測裝置是由下位機及上位微機組成，循環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，與設置偏差進行比較而確定是否故障報警。

（3）n＃本地監控器

n<64,不同功能的本地監控，為完成大系統的不同功能要求而設計。

各個本地監控器自身均有完整的功能，可以獨立組成一個智能型裝置，具有各自獨立的功能。相互之間通過RS?485實現數據的傳遞與控制指令的傳送，完成復雜的實時監測功能，而且假如任一本地監控器出現故障，均不影響其它本地監控器的正常工作，并能及時引起上位計算機報警，從而確保系統具有高可靠性和很強的自診斷能力。

所有本地監控器都使用全雙工RS?485通訊互連，可以接受其他本地監控器的參數和上位機的命令；上傳本地監測的參數和運行的狀態。

各個本地監控器的起/停、參數的設置通過本地鍵盤進行。如果不配備本地鍵盤顯示，各個本地監控器的起/停、參數的設置還可以通過上位計算機進行。

（4）上位計算機

基于WINDOWS操作系統，根據各個本地監控器上傳的數據自主更新圖形化顯示，實時反映下位機——本地監控器的工作狀況；由管理者切換監測、控制對象。每一本地監控器參數均可以存檔、打印。

圖2所示為實際工作于直流操作電源的上位計算機監測的屏幕，設置參數為：均充電流為5A，均充電壓為254V，浮充電壓為243V。

柵格內顯示的是蓄電池充電的電壓、電流曲線。監測屏幕右側是系統運行狀況下相關的全部信息。

每個本地監控器內部均采用INTEL公司生產的80C196KC型16位高檔單片機為核心。該芯片運算速度快，有十分強大的外圍支持能力，特別是其HIS/HSO通道，可方便地對外圍電路進行實時觸發，實現不同的控制功能。且本地監控器的強電與弱電接口采用全電氣隔離設計，可有效地防止外部干擾，其中A／D采樣通道應用電磁隔離技術；開關量輸入、輸出以及D／A模擬量輸出均采用光—電隔離技術，確保系統在強干擾環境中可靠地工作。每個模塊的CPU外圍均帶有非易失性存儲器，用于當前運行的最佳參數值掉電保持，確保在系統失電情況下數據不丟失，恢復通電后自行起動并按原設置最佳參數運行。設計具有很高的可靠性和冗余度，在各個關鍵位置均設置防飛車的軟、硬件保護措施。

3應用實例

依照以上設計思路，西安新核電力電子有限責任公司為陜西連訊電力設備公司設計制造了2套直流電源微機監控裝置。技術參數如下。

（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）充電穩流精度?1％；

（6）浮充電，均衡充電穩壓精度?1％；

（7）輸出紋波系數?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。主電路構成方式和傳統做法相同，本地監控器輸出的是六路雙窄脈沖;對于高頻開關電源，不同的是本地監控器輸出的是模擬/數字控制量（因高頻開關電源而定）。

對一個系統的過程控制，不再是由單個獨立的控制任務組成。而是多個任務的集合，這些任務即有相對獨立性（現場、設備控制），又與其它控制任務相聯系（多數據的采集、傳遞）。眾多相對獨立的控制任務，

圖2實際使用中的運行曲線在監控微機上的顯示

圖3主電路原理圖

圖4本地監控器控制電路框圖

需要整體上的控制。下位機完成現場、設備一級的監測、控制；上位機完成整個系統的數據綜合，分析和控制，以及各種圖表、顯示、打印、存儲、人機對話等。

在使用過程中對照以上設計思路全部實現了對電力系統用直流操作電源的監控。通過上位計算機實現了遙測、遙控、遙調、遙信，錄波、打印功能。

4結語

本監控裝置通過現場運行，實測各項技術參數均達到了設計指標，運行情況良好，性能穩定，具有推廣應用的價值。