（机械电子工程专业论文）数字化变电站直流屏电源监控系统.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文对直流屏电源监控装置的设计从系统方案确定、系统软件设计、系统硬件 设计、系统调试等各个方面进行了多层次、多角度的详细研究探讨，并给出了切实可行 的实现方案，具有很强的操作性。 论文首先就直流屏电源这一个复杂系统的定义、功能、应用场合等各方面进行了系 统地介绍，进而说明了本文所探讨的直流屏监控装置在直流屏电源系统中所占有的核心 地位与作用。 然后，作者就目前国内外直流屏电源的发展现状，通过与国内外同类产品在价格、 性能、满足客户需求等方面进行了一系列的对比，揭示了目前开发该种直流屏监控装置 的可行性，即本文作者所做的研究开发工作具有非常重要的理论价值和实际意义。 最后为了具体实现直流屏监控装置这一设备，作者分别从系统方案确定、算法、 工艺结合、系统软件设计、系统硬件设计、系统调试等各个方面进行了细致的讨论，并 尽可能的对每一细节均给出了切实可行的软硬件实现方案、调试环境及手段。确定模块 式结构的直流屏电源监控装置，分为主监控单元、绝缘检测单元、系统参数监控单元、 电池巡检单元。在此基础上，考虑到系统在工作环境的可靠性，对系统的抗干扰问题做 出一些分析，并提出了一些措施。全部的信号包括a d 、d a 、d i 、d o 均带有光电隔离， 从而保证了系统的安全可靠。 关键词：直流屏电源、直流屏电源监控系统、抗干扰、光电隔离、摸块化。 兰坚堡堕蔓苎兰坠竺鎏丝苎一 塑薹 a b s t r a c t t h et h e s i sr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h ed e s i g no fd i r e c t p o w e rs u p p l y m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c ei nd e t a i l i ts t u d i e st h ed e v i c ef r o mt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：t h es e l e c t i o no ft h es c h e m eo ft h es y s t e m ，t h ed e s i g no ft h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，t h ed e b u g g i n go ft h es y s t e m t h et h e s i s g i v e sap r a c t i c a ls y s t e ms c h e m e t h es y s t e mi se a s yt oo p e r a t e f i r s to fa l l ，t h i st h e s i si n t r o d u c e ss y s t e m a t i c a l l yt h ed e f i n i t i o n ，t h e f u n c t i o na n dt h ea p p l yo c c a s i o no fd i r e c tp o w e rs u p p l ys y s t e m t h e ni t i l l u s t r a t e st h a tt h ed i r e c tp o w e rs u p p l ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c et h e d i s s e r t a t i o nd e s i g n si so fc e n t r a ls t a t i o na n df u n c t i o ni nd i r e c tp o w e rs u p p l y s y s t e m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n ga c t u a li t yo ft h ed i r e c tp o w e rs u p p l ya t h o m ea n da b r o a da tp r e s e n t ，t h ea u t h o rc o m p a r e st h ed i r e c tp o w e rh ed e s i g n sw i t h o t h e rp r o d u c t sf r o mt h ea s p e c t so fp r i c e ，p e r f o r m a n c e ，a n dw h e t h e ri tc a ns a t i s f y t h en e e d so ft h ec u s t o m e r s ，e t c ，w h i c hs h o w st h a ti t i so fp r a c t i c a lv a l u et o d e v e l o pt h i sk i n do fd i r e c tp o w e rs u p p l ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e s o t h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gw o r ki so ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e a n dt h el a s t ，i no r d e rt or e a l i z et h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e ， t h ea u t h o rd i s c u s s e si nd e t a i la c c o r d i n gt ot h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h es e l e c t i o n o ft h es c h e m eo ft h es y s t e m ，t h ea l g o r i t h m ，t h ea r t sa n dc r a f t s ，t h ed e s i g no f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e ma n dt h ed e b u g g i n go ft h es y s t e m ，e t c a n dt h ea u t h o rt r i e st op r o v i d eap r a c t i c a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m e ， d e b u g g i n ge n v i r o n m e n ta n dm e t h o d t h ed cp o w e rs y s t e mi s d e t e r m i n e dt ob e c o m p o s e do ft h em a i nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e d ci n s u l a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a n dt h ep a r a m e t e rm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hab l o c k i n gs t r u c t u r e f i n a l l y ，i ti s p r e s e n t e dt h a th o wt oa c h i e v et h es y s t e m si m m u n i t yt a k i n gi n t oa c c o u n to f t h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi nt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t a l lt h es i g n a l si n c l u d i n g a d ，d a ，d i ，d oa n ds e r i a lp o r t sa r ep h o t o e l e c t r i ci s o l a t i o n c o n s e q u e n t l y ， 山东科技大学硕士学位论文 摘要 t h es y s t e mi ss a f ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：d i r e c tp o w e rs u p p l y ；d i r e c tp o w e rs u p p l ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e m ：i m m u n i t y ：p h o t o e l e c t r i ci s o l a t i o n ：b l o c k i n g 山东科技丈学硕士学位论文 静言 1 前言 1 1 直流屏项目建设的背景及条件 随着我国电子应用科学不断发展和无人值守变电所构想的形成，智能供电设备越 来越被广泛的关注，目前国家己正在加大力度对农业电网系统进行全面改造。根据有关 资料表明，目前我国每年需要该类型的供电设备约1 0 0 0 0 套，该设备布局合理，使用安 全、可靠，市场前景十分可观。目前，德国a e g 公司、美国金属电气公司、法国阿尔斯 通公司、瑞士l a n d i s g r r 公司都生产该种产品，国际市场前景也十分可观。该系统 虽然在国内刚刚起步，但已吸引了大量厂家对其进行投资。纵观国内外产品，真正既能 提供质量较高继电保护，又能提供质量较高的监控系统，且价格合理的产品为数不多， 现开发该种产品具有可观的市场契机。 1 2 直流屏简介 直流屏是保证各类变电站、水力、火力发电厂正常、安全运行的电源设备，也是其 它使用直流设备用户( 如石化、矿山、铁路、医院等) 的直流电源是电力系统的重要组 成部分，为信号设备、继电保护、自动装置、事故照明及断路部分、合闸操作提供直流 电源，并在外部交流故障的情况下，保证由后备电源继续提供直流电源的重要设备，是 继电保护、自动装置和断路器等设备正确动作的基本保证。直流屏的重要性不言而喻， 它的可靠性、安全性直接影响到电力系统供电的可靠性、安全性。其稳定运行对防止系 统破坏、事故扩大和设备严重损坏至关重要。 由蓄电池组构成的电力操作直流电源系统独立于交流动力电源系统之外，不受交流 电源系统故障的影响，有很高的可靠性，因为整个蓄电池组故障而造成停止供电的可能 性极小，就可靠性而言，还没有其他电源装置可以替代。 本文所论述的直流屏整体结构示意图如图1 1 所示。本直流屏主要由蓄电池部分、 充电模块部分、监控器部分等构成。 些查燮堂曼圭堂垡鲨苎 塑量 三相交流输 负母缝 图1 1 直流屏整体结构示意图 f i 9 1 1 t 1 1 ec o m p o s i t i o nc h a r to f d cp a n e l 1 、蓄电池及调压部分 其功能主要是在交流电源断电时能够实时地提供二次电路所需的直流供电。电力操 作电源的额定输出电压一般选为1 1 0 伏或2 2 0 伏，如果考虑蓄电池均充电运行的需 要，输出电压最高则可达到额定输出电压的1 4 5 ，因此电力操作电源的输出电压较高 ( 对2 2 0 伏系统，最高输出电压可达到3 3 0 伏) ，叉因为蓄电池的端电压变化范围很 大，所以在电力系统中，除了合闸等冲击性负载直接接在蓄电池的输出端( 合闸母线) 之 外，保护和控制类负载都通过调压装置间接与蓄电池相连接( 调压装置的输出电压母线 被称为控制母线) ，以获得比较稳定的工作电压。 1 ) 、硅链调压 传统的调压装置是硅链，其原理是在合闸母线上串入硅堆，利用硅堆压降降低输出 电压。这种调压方法简单、可靠，但是有输出电压不能连续调节( 调节电压的最小分辨 率为一节硅堆的压降) 和效率低的缺点。 2 山东科技大学碗士学位论文 前言 硅堆压降v d 图1 2 硅链调压装置结构图 f 追1 2 t h ec o m p o s i t i o nc h a r t o f e l e c t r i c v o l t a g e a d j u s t m e n t b y c h a i no f s i 硅链调压装置的结构见图1 2 ，实时检测控制母线电压v 。控制硅堆投切的数目，利用 其导通压降调节输出，使其稳定在2 2 0 伏或1 l o 伏左右。如果v h 在设定电压范围之内，保持 当前硅链投入情况不变，否则改变投入硅链的数目，调节控制母线电压，最小分辨率是一 节硅链的导通压降，因此输出电压是有级调节，设一节硅链压降为v d ，接入线路中的硅链 数目为k ，输出负载恒定为r 。不计线路中其他损耗，可得硅链降压装置的效率为： ti=旦(枷n)22d + k v d 、 。 ( t 。t ) 其中v 。为一节硅堆的压降，k 为硅链中硅堆节数，从式( 1 1 ) 可知，装置效率不高，而 且在硅链可调节电压范围内，合闸母线电压越高，效率越低。 2 ) 、d c d c 变换器调压 随着开关电源技术日益成熟，调压模块可以考虑用d c d c 变换器实现输出电压的无 级调节并得到较高的效率。同时，由于蓄电池端压变化范围较宽，最高端压和最低端压 分别高于或低于所需控制母线电压( 如2 2 0 伏) 。因此希望调压装置能够升降压变换， 还保持较高的效率，所以使用具有升降压特点的d c d c 变换电路作为调压模块是十分 必要的。随着电力电子技术的发展，p w m 控制的d c d c 变换器以其高效可靠的特点越来越 多地应用在调压方面。 基本的不隔离d c d c 变换器有六种拓扑：b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 3 生查型垫查兰堡主兰垡丝壅 堕童 年l ：l z e t a 。这些基本变换器主要应用在中小功率以及输入和输出不需要隔离的场合，其中 能够调压而且输入输出电压极性保持不变的有b u c k 、b o o s t 、s e p i c 茅1 z e t a ，如图1 3 所示。 直流输 直流输 直流输 ( a )b u c k 变换器 ( a ) b u c k t r a n s f o r m e r 输出 ( b ) b o o s t 变换器 ( b ) b o o s tt r a n s f o r m e r ( c ) s e p i c 变换器 4 流输出 山东科技大学硕士学位论文 刖茜 直流输 ( c ) s e p j ct r a n s f o r m e r r 。黪 1 、l 2 _ i r f c 2 上上 ji ( d )z e t a 变换器 ( d ) z e t at r a i l s f o r m e r 直流输出 图1 3 基本d c d c 变换器拓扑 f i 9 1 3 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f d c d ct r a n s d u c e r b u c k 变换器如图1 ，3 ( a ) 所示，是一种单管、不隔离降压直流变换器。其输出电压 小于或等于输入电压，因输出端有滤波电感，所以输出电流脉动小，但是输入端电流脉 动大。 b o o s t 变换器如图1 3 ( b ) 所示，是单管、不隔离升压直流变换器，输出电压高于输 入电压。电感接在输入端，所以输入端电流脉动小，适合于需要对输入电流波形进行控 制的场合，比如功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 。由于b o o s t 的升压电感 接在输入侧，在开关导通时储能，在开关断开时向负载传递能量，工作占空比不能等于 l 。 s e p i c 变换器如图1 3 ( c ) 所示，也是输出电压既可以高于输入电压也可以低于输入 电压的单管不隔离直流变换器。其输入端有电感，因此输入电流脉动小，输出端类似于 b u c k b o o s t 变换器，中间通过电容耦合，s e p i c 变换器的输入与输出电压极性相同。 z e t a 变换器如图i 。3 ( d ) 所示，具有升降压功能和输入输出电压极性相同的特 点，输入电流断续，输出电流连续。 本文采用了z e t a 交换器。 2 、充电模块部分 其功能主要有两个：一是交流整流，即将交流电源转换成稳定的直流电源；二是稳 压稳流，即实时地给蓄电池充电，以确保蓄电池随时处于可供电状态。 5 坚型茎查兰堡主兰垒笙兰 笪直 充电模块是整个系统中十分重要的组成部分。正常运行时，它向蓄电池提供浮充 电流，同时向控制、信号、保护、自动装置等常规负荷供电。在蓄电池放电后，要向 蓄电池提供主充或均充电能。目前，我国电力使用直流分合闸电源大部分采用相控、磁 饱和类电源。相控电源存在功率因数、纹波、效率、体积等方面不足，另外，由于充 电设备与蓄电池并联运行，若纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄 电池的使用寿命e 发达国家新建电厂和变电站已基本采用高颜开关电源比较高频开关 电力电源系统与可控硅整流装置的技术指标，如表1 1 所示。高频开关电源体积小、重 量轻、效率高、输出纹波小、模块化结构选配灵活、n + i 热备份，具有四遥功能。我 国在邮电、航空航，黾军工等方面，高频开关电源正在逐步取代相控电源。目前，新建、 改造的通信电源已全部采用开关电源，电力系统中，开关电源也在逐步取代相控电 源。 表1 1 技术指标比较 t a b l e1 1 t e c h n o l o g yi n d e x 技术指标内容可控硅整流系统高颜开关电源系统 稳压、稳流精度 + 1 + 0 5 输出纹波电压有效值 + 2 + o 1 电网调整率 + t 6 + 0 5 负载调整率 + 2 + 0 5 效率 ( 7 5 9 慨 功率因数 0 9 9 可靠性低高 开机浪涌有 无 系统结构系统柜结构模块化结掏 微机管理系统操作管理 智能化充电和系统操作管理 系统通信接口r s 2 3 2 c 和四遥r s 2 3 2 和四遥 3 、监控器部分 该部分是直流屏的控制核心，其主要负责监控交流及电池状态等众多的物理量，并 且控制充电模块部分智能的对电池进行充电。能够实时测量、处理、控制、存储和报告 系统所有事件，使系统具有自动化运行、无人值守、友好的用户界面、完善的远程监控 功能，提高供电品质和可靠性。同时对分布式电源系统及其组成设备进行遥测、遥信、 遥控、遥调，能够实时监视系统和设备运行情况，记录和处理相关数据，及时发现和处 6 坚型垫茎堂堡主兰壁兰三 堕童 理故障，并对电源设备的运行进行控制，实现电源系统区域化和智能化监控、维抑管 理。 使用监控起实行集中监控管理，还将在以下方面产生重大的社会经济效益： 1 ) 、提高设备维护和管理的质量。集中监控管理可实现实时、全面、每天2 4 t j , 时不 间断的设备监控，设备运行数据自动记录等，减少了由维护人员的人为因素造成的设各 故障，使电源系统的维护和管理质量有极大的提高。 2 ) 、降低系统维护成本。集中监控管理实现了电源系统的少人或无人值守，大大减 少了维护人员的总数，还提高了维护工作的专业化水平，使电源系统的维护成本得到降 低。 3 ) 、提高整体工作效率 集中监控管理能自动记录被监控设备的故障情况，提高了设备运行记录和报表的正 确性，有利于迅速定位和排除设备故障。提高设备运行率，实现大规模联网，便于管理 部门及时了解系统运行情况，作出管理决策。 监控器性能的优劣往往决定直流屏性能的好坏，是决定直流屏总体价格的最重要因 素。 对于图1 1 的工作原理做如下说明： 当交流有电的时候，三相交流电经过充电模块整流出直流电直接供给用户使用。 与此同时，监控器监视电池的容量，并根据电池容量按照其所对应的电池充电曲线对电 池进行充电，从而保证电池的备用满容量状态。一旦交流失电，电池放电回路开放，直 流屏的后备电源功效可马上投入使用，给用户供电。从而避免了由于交流掉电给用户所 带来的破坏，减少了损失。事实上在很多的场合，诸如工厂、油田、医院等的某些工艺 环节根本不允许断电，掉电给企业、国家所带来的损失是难以估计的。掉电后重新启动 一次工艺的浪费也是很大的。现在好了，直流屏的投入可在某种程度上减少这种损失。 可见有备无患是多么的重要。此处调压部分的设置是根据工艺的要求，考虑到有些 用户也在控制母线上接一些负载。当控制母线电压在超出设定的某一区间值时，调压部 分快速动作，将电压稳在一定的范围内。 1 3 直流屏监控器简介 直流监控系统的主要作用就是监测直流屏的状态信息，同时与监控中心交流信息 直流监控系统的主要作用就是监测直流屏的状态信息，同时与监控中心交流信息 7 些变型茎查兰婴主兰些丝苎萱童 控制直流屏的运行。在使用直流屏的过程中，用户主要和直流屏监控器打交道，用户对 于直流屏的各种设置和搡作也基本上全都是在监控器上来完成实现的，因此监控器的功 能非常丰富，这样，维护人员可以及时发现设各运行的不正常状态，及时处理，而不等 其发展演变成事故。其主要有人机接口功能、监视报警功能、智能充电功能，即智能的 驱动充电模块拟合电池充电曲线，从而满足电池的最优维护保养要求( 根据电池生产厂 商提供的充电曲线) ，达到延长电池使用寿命的目的。 1 4 国内外产品概况 1 4 1 国内产品概况 下图1 4 为国内某厂家生产的比较有代表性的直流屏整体实图。其含蓄电池、充 电器、监控器于一体。 图1 4 国内某厂家生产的直流屏实图 f i 9 1 4 ad c p a n e lp r o d u c e db ya c i v i lf a c t o r y 该设备针对某些情况也可实现智能供电功效，既也能在线监测一些交直流参数，并 根据预先设计好的报警范围进行实时监测报警，令电池处于满容量状态。直流屏的基本 功能即备用电源功能也得到了体现。其在国民生产中也发挥了很大的作用，且价格较国 外同类产品要经济很多，是我国自主开发的比较有代表性的一类直流屏产品。实践证明 该类型设备工作正常，在直流屏领域内做出了比较大的贡献，但是其缺点与不足也是显 而易见的： 1 、其监控部分电路繁琐，控制复杂，体积庞大，所用控制技术比较落后。虽然具 r 生茎型垫盔兰堡主堂垒堡苎 堕蔓 有浮充、均充、稳流等充电方式，但充电方式的转换自动化程度不高，且充电时间控制 难于方便准确的操作，监控性能低下。 2 、其通用性不强，适应范围小。主要表现在其不能根据用户的要求实现在线变更 参数设置，如报警上下限等参数；也没有灵活的入机接口，只有一些篱单的按钮及指示 灯，故而其性能在很大程度上大打折扣。当面对不同要求的用户时，有时显的力不从心。 究其原因是其监控器做的不够通用灵活，麸而影响了直流屏整体的价格及往能。 1 4 2 国外产品概况 图1 5 是国外某厂家生产的直流屏实图，无论从性能还是外观上来看该产品较前 面提到的国内产品的水平要高一些，其所用的控制思想比较先进，所选用的芯片及电路 技术也较国内先进。 图i 5 国外某厂家生产的壹流屏实圈 f i 9 1 5 ad cp a n e lp r o d u c e db yab o a r df a c t o r y 该产品性能方面虽然比较高，但是其价格太过鬃贵，其当初的设计并没有专门考虑 中国用户的特点，对中国用户来说，该产品使用及维护起来非常不方便，是以在我国难 以推广。 由此可得出结论： 国内产品价格低廉的同时，所选用的控制思想需要提高。 国外产品性能虽高，但价格过于昂贵。 因此，开发一种高性能、低成本、充分满足中国本地变电站用户的直流屏电源监控 器是本文的主要任务。 9 ! 堕墅垄奎兰堡圭兰笙笙苎 堑查 1 。5 主要研究工作 1 5 ，1 直流屏监控器总体设计方案的确定及创新点 针对国内某些产品不能很好的满足变电站用户的需求，而国外产品价格较高的情 况，紧跟用户需求设计一套智能化程度高、价格相对较低的高性能数字化变电站直流屏 电源监控器。 本系统的创新点： l 、于整流设备和配电设备配备了微机监控器，使系统具备了智能化的管理功能和 故障告警以及自保护功能。例如，对蓄电池组的初充、均浮充、欠压脱离和温度补偿等 实施自动管理；对系统实施输入输出的过欠压、输出过流、输出分路的开关状态等； 2 、通过电源设备的r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信接口，在通信协议的的支持下，可以很方 便的实簏对外通信，对系统实施遥信、遥测、遥调、遥控。新器件、新材料、新技术的 应用，使高频开关整流器跃上了新台阶； 3 、由于高频开关整流器采用了电流控制模式、软开关、有源功率因素校正、饱和 电感、单脉冲控制和并联均流技术，采用了功率m o s f e t 和i g b t 器件、微晶合金软磁材 料，设计了多级滤波、初、次级控制、光电隔离和通信接口，使整流器具有高频率、高 功率密度、高功率因数、高效率、高稳定、高抗扰低辐射、高可靠的智能型变流设备。 1 5 2 直流屏监控器的硬件设计 监控器的硬件设计应本着高性能、低成本、易维护等原则来考虑。硬件结构采用模 块式集散结构，各单元功能相对独立，单元故障不会在系统中扩散，从而使系统具有很 高的可靠性。监控系统采用三级控制管理结构，最高一级为系统控制后台或电力自动化 系统，通过r s 2 3 2 与系统监控模块连接；系统主监控模块为监控系统的第二级，系统监 控模块通过r s 4 8 5 通讯接口与各监控单元连接通讯。各监控单元内部均采用微处理机技 术，负责监测各部件的运行参数和工作状态，执行从上级监控发出的控制命令，是整个 监控系统的基础。我们决定m c p u 采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 系列，配3 2 0 x 2 4 0 大 屏幕点阵液晶显示器，2 0 位输入键盘，r s 2 3 2 4 8 5 双串口及时钟芯片等构成了监控系统。 另外，为了保证系统的安金，所有输入输出系统的信号均经过光电隔离处理，从而增强 了系统的安全性。 1 0 坐堡型茎至兰堡圭堂垡堡苎 萱重 1 5 3 直流屏监控器的软件设计 因为软件系统的任务比较复杂，涉及到菜单键盘处理、充电曲线拟合、监视报警 等等功能，因此该系统的软件设计应本着可读性强、易改写、高效率等原则来考虑，而 c 语言正是符合以上所说的各种要求的一种开发语言。c 语言是一种编译型程序设计语 言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。此外，c 语言有功能丰富 的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，并且可以直接实现对系统硬 件的控制。c 语言还是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由 顶向下结构化程序设计技术。更值得一提的是，c 语言具有完善的模块程序结构，从而 为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此使用c 语言进行程序设 计已经成为软件设计的一个主流。用c 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期， 且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制如规模更大、性能更完备的系 统。其所具有的指针数组等特点太大简化了开发时间，提高了工作效率，而且其标准c 语言的语法更是发展了很多年，可读性极强，在我国使用c 语言的人很多，现在其己经 是非常成熟、流行的开发工具。因此我选择了c 语言做单片机软件系统的开发。 1 5 4 直流屏监控器的调试及抗干扰措施 单独把此部分列出来，是因为系统调试这一部分工作在该项目的开发过程中占的 时间比较多，其重要性不言而喻。众所周知，任何一个芯片或者电路在使用前一般都需 要我们亲自去做单元电路实验来测试一下功能是否吻合我们的想法，因此大量的单元电 路实验绝对马虎不得。但是，在实验室阶段研制出来的样机在与现场真正的设备连接时， 不可避免的要出现一些问题，有大量的在实验室看不到的干扰需要到现场进行排除，因 此磨合调试即现场调试同样很重要。其实调试部分的主要工作就是系统的抗干扰措旌。 山东科技大学硕士学位论文 图1 6 系统调试流程图 f i 9 1 6 t h ef l o w c h a r t o fs y s t e md e b u g g i n g 2 系统总体方案的设计 2 1 系统总体方案设计 本论文在上述系统的基础上，广泛吸收国内外同类系统的优点，同时结合最新的 嵌入式技术对该系统监控器部分进行了重新设计，设计完成后的装景外形与此类似，但 内部结构有了较大的改变，在性能上与国内系统相比也有了较大的提高。 新设计的监控器比早期产品监控的内容要丰富得多，可监控电力直流系统各单元 的运行状态及运行参数，使其具有高程度的自动化处置能力，尤其重要的是实现对电池 1 2 坐查登茎查兰里主兰竺堡塞 至堑璺堡立塞塑堡生 的自动检测、维护，使电池保持满容量备用状态，既不欠充，又不过充。在满足不同用 户需求方面也作出了很大的改进，具体体现在： 该监控器的核心部件采取单片机形式，充分发挥嵌入式系统的优势。 采用大屏幕图形点阵液晶显示器及键盘输入，提供了良好的人机接口，全中文汉字 菜单提示，图形和数字两种显示方式，方便用户使用。 数字方式在线设置各种监测量的相关参数，如报警值等。 光电隔离技术的应用提高了监控系统的安全性，保证了系统的正常运转。 具有r s 2 3 2 4 8 5 串口通信功能，便于和上位机等设备组网，可以远程监控。通信 协议遵循m o d b u s 通信规约。 软硬件滤波技术及看门狗技术的使用保证了系统的正常运行。 本产品所选用的器件均为通用型，货源充足，从而降低了成本。 直流屏监控器可以实现三相交流电压、合闸母线电压、控制母线电压、正负母线 对地电压、电池总电压、单体电池电压、总电流、电池电流、温度、电流方向等一系列 参数的巡检测量，还能实时的对于以上各个量及需要报警的设备( 如充电模块) 进行声 光报警，并根据电池容量驱动充电模块拟合充电曲线对电池进行充电，以保证电池在任 何时候都处于满容量的备用状态。所有参数的观测方法及数据处理格式符合以下技术要 求： g b 3 8 5 9 9 3 【半导体电力变流器】 i e c - 1 4 6 【半导体变流器】 z b k 4 6 0 0 4 【蓄电池充电浮充电用晶闸管整流器】 g b 3 8 5 9 - 9 3 【蓄电池充电特性曲线】 1 3 山东科技大学硕士学位论文 系统总体方案的设计 囤2 1 直流屏监控器总体方案框图 f i 9 2 1 t h eu n i t a r yd i a g r a mo f t h es y s t e m 图2 1 便是作者考虑了众多因素后提出的监控器总体方案图。 2 2 开发环境介绍 开发过程中个方便有力的调试开发工具是非常必要的，本文所用的仿真器是伟 福公司的e 2 0 0 0 l 仿真器。伟福仿真器功能强，和国内外同类高档仿真器功能相比，先 进的特点如下： 1 、主机+ 仿真头组合，通过更换仿真头，可以对各种c p u 进行仿真。 对待不同的应用场合，开发人员往往会选择不同的c p u ，从而需要更换仿真器，伟 福仿真软件w i n d o w s 版本支持多种仿真器。支持多类c p u 仿真。仿真器则采用主机+ 仿 真头组合，通过更换不同的仿真头，可对各种不同类型的单片机进行仿真。为使用者提 供了一种灵活的多c p u 仿真系统。 2 、双平台d o s 版本，w i n d o w s 版本。 其中w i n d o w s 版本功能强大。中文界面，英文界面可任选，用户源程序的大小不再 有任何限制，支持a s m ，c ，p l m 语言混合编程，具有项目管理功能，为用户的资源共享、 1 4 些垄型茎查兰堡圭兰垒笙兰 至笙茎笪查塞塑兰生 课题重组提供强有力的手段。支持点屏显示，用鼠标左键点一下源程序中的某一变量， 即可显示该变量的数值。有丰富的窗口显示方式，多方位、动态地显示仿真的各种过程， 使用极为便利。 3 、 1 ) 、软件模拟仿真( 不要仿真器也能模拟仿真) 。 2 ) 、硬件仿真。 4 、双c p u 结构，1 0 0 不占用户资源。全空间硬件断点，不受任何条件限制，支持 地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行时间统计。 5 、双集成环境，编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下。 2 3 系统的硬件设计 2 3 1 整体结构 如上图2 1 所示，整个系统可以分成四大部分：主监控部分、直流绝缘检测部分、 系统参数监控部分、电池参数巡检部分。 l 、直流绝缘系统提供多路的绝缘电阻检钡8 功能，测量母线对地电压和电阻。由主 监控单元通过r s 4 8 5 设置可设置母线监测回路数，接地电阻报警值，同时可以通过r s 4 8 5 串行接口将检测的信息传送给主监控，作为主监控管理电源系统和处理系统告警故障的 依据。 2 、参数监控系统测量母线电压和电流、两组蓄电池组电压及充放电电流、一双路三 相交流输入电压、三相交流电流、频率、控母电压等，通过r s 4 8 5 串行接口将检测信息 传送给主监控，作为主监控管理电源系统和处理故障告警依据。根据测量的交流电压自 动完成双路交流输入的自动切换，实现双路交流互为备用供电。 3 、电池巡检系统测量最多达到两组共2 8 8 节电池的电压，并提供一路温度检测， 通过r s 4 8 5 接口将检测信息传送给主监控。 4 、主监控系统功能有： 1 ) 、数据收集整理功能：系统监控模块通过r s 4 8 5 通讯接口收集各监控单元采集的 信息，系统监控模块迸行数据处理并保存。 2 ) 、人机接口功能：系统监控模块配有l c d 显示屏、键盘、响铃告警，通过l c d 显 示屏显示系统工作信息，通过薄膜键盘配合l c d 显示可以方便快捷的完成系统的配置和 参数的修改，系统根据设置参数自动处理系统告警，并用汉字指示系统故障内容，同时 1 5 虫篓型茎查兰堡主兰篁堡苎墨竺：皇堡查至坠堡盐 发出告警。 3 ) 、自动管理功能，系统根据设置参数自动完成对系统的工作状态切换，电池自动 充电管理。整流模块单元自动按设定值调节输出电压大小，均充电流大小，均浮充的转 换电流及时间等 2 3 2 主监控系统的硬件组成 主监控单元是一个现场人工对话单元，通过与下位机的通信，集中显示各下位机 的检测数据和直流屏的各主要部分工作状态，现场打印数据，现场进行参数设置，实现 人机互动，并在连接上位机的情况下，与上位机系统通讯，实现远程监控。整个电路原 理框图如下，外部扩展了一片6 2 6 4 的r a m 和带有看门狗功能的e e p r o m 存储器2 5 0 4 5 。 主要组成部分如图2 2 。 按键输入l- e p r o m o i i r a m h e p r o m l f e 2 p r o m f f r t c h i 开关曩输入i， o 车 滚晶显示 j o 一r s 2 3 2 “四遥”接口 1 j 叫 运行、通信、 卜_ 一r s 4 踮 内部r s 4 8 5 故障l e d 指 一_ i i 继电器告警接点 系统供电 ll1 r 一 图2 2 主监控系统骧理框图 f i 9 2 2 t h ec o m p o s i t i o nc h a r to f t h em a i nm o n i t o r i n gs y s t e m 2 3 2 1 通信部分 通过r s 4 8 5 总线实现主监控与下位机( 参数检测单元、电池检测单元、绝缘监察单元 等) 的通信，采用传输过程比较远、抗干扰能力比较强、易于实现光电隔离的m a x 4 8 5 芯 片传输数据。采用屏蔽双绞线连接，线间接1 2 0 q 的匹配电阻。用高速光电隔离器件6 n 1 3 7 实现电气隔离。与监控中心计算机的连接采用r s 2 3 2 总线，芯片也同样选用m a x i m 公司生 产的m a x 2 3 2 ，同样采用屏蔽双绞线连接。实现“四遥”接口，即： l 、遥测：三相交流电压、电流、频率；合母电压，充( 放) 电电流，环 坐变型茎查兰堡圭兰垡堡兰墨竺璺竺查墨塑堡生 境温度，单体电池电压，控母电压，母线对地电阻；整流模块散热器温度，输 出电压，输出电流等。 2 、遥信：交流过欠压，失电，缺相：合母过欠压，电池过充、馈电，电池失效：控 母过欠压；母线对地电阻过低；整流模块故障等。 3 、遥控：系统充电状态转换，充电装置开、关机；手动状态下整流模块的备机、运 行等。 4 、遥调：电池容量，均浮充电压，均充电流，转换电流，倒计定时时间，最大充电 时间，浮充时间及告警限设定值等。 主监控m c p u 与两接口的连接通过双模拟通道芯片4 0 5 2 切换。具体接线如下图2 3 ： 图2 3 通信部分原理图 f i 9 2 3 t h ee l e m e n t a r yd i a g r a mo f t h ec o m m u n i c a t i o np a r t 2 3 2 2 液晶显示 为方便现场信息的查询，采用清华蓬远公司生产的2 4 0 x 3 2 0 点阵的液晶显示屏，自 带可控性d c d c 电源，可手动调整液晶显示的清晰度，同时内设冷阴极背光电源逆变器 接口。由冷阴极背光逆变器提供1 0 0 0 v 电压，直接驱动冷阴极管，为液晶提供背光a 由 m a x 7 4 9 为核心组织成负电压生成回路，为液晶显示提供负电源。液晶显示通过s e d 1 3 3 0 一i v 控制器控制。与艟c p u 的接口如下表2 1 ： 1 7 坐至型茎查兰堡主兰堡笙苎 墨竺璺竺查塞塑堂生 表2 1 s e d l 3 3 0 一l v 控制器管脚功能表 t a b l e2 1t h ep i nf u n c t i o nt a b l eo fs e d l 3 3 0 c o n t r o ld e v i c e l g n d逻辑电源地9d b o 三态数据总线( 低位) 2v c c 逻辑电源+ 5 v1 0d b l 三态数据总线 3 v a d j 对比度调节电压 1 l册2 三态 数据总线 4v e e 液晶驱动电压 1 2d b 3 三态数据总线 3w r输入写信号，低有效1 3d b 4 三态数据总线 6r d输入读信号，低有效1 4d b 5三态数据总线 7c s输入片选信号低有效 1 5 d b 6 三态 数据总线 8a 0 输入寄存器选择信号 1 6d b 7 三态数据总线( 高位) s e d l 3 3 0 控制板与接口电路图如下图2 4 a t 8 9 c 5 5 s e d l 3 3 8 p 0 0 - 7 d b 0 - 7 p 2 5 c s 厂 p o oa 0 u 7 4 h c 3 7 3 r d ，便d w r豫 + 5 v v g c g n d 一 g n d 负电源上一 v e e i 卜v a d j j ”l 图2 ，4s e d l 3 3 0 接口原理图 f i 9 2 4 t h ei n t e r f a c ed i a g r a mo f s e d l 3 3 0 s e d l 3 3 0 有1 3 条控制指令，其指令表如下所示 1 8 表2 2s e d1 3 3 0 指令表 t a b e2 2t h ei n s t r u c t i o nt a b l eo f s e d l 3 3 0c o l i 口 o 】 功能指令操作码说明参数量 s y s t 删s e t4 0 h 初始化，显示窗口设置 8 系统控制 s l e e pi n5 3 h 空闲操作 d i s po n o f f5 9 h 5 8 h显示开关，设置显示方式l s c r o l l4 4 t t 设最显示区域，卷动 l o 显 c s r f o r m5 ) 设置光标形状 2 不 0 g r a ma d r5 0 t 1 设置c g r a m 起始地址 2 操 c s r d i r4 c h 一4 f h 设置光标移动方向 作 h d o ts c r5 a h 设置点单元卷动位置 l o v l a y5 b h 设置合成显示方式 l c s r w4 5 设置光标地址 2 绘制操作 c s r r4 7 h 读出光标地址 2 跚r i t e4 2 h 数据写入显示缓冲区 若干 存储操作 m r e a d4 3 h 从显示缓冲区读数据 若干 2 3 2 3 键盘电路 、 用8 2 7 9 构成2 0 位键盘，8 2 7 9 芯片功能强大，无需m c p u 干预，能够自动扫描键盘， 自动去抖，内部r a m 自动存储键值。m c p u 只须每隔一定时间对8 2 7 9 内部存储器进行简 单查询即可。具体原理图如下图2 5 ： 1 9 山东科技大学硕士学位论文 系统总体方案的设计 图2 5 键盘接口原理图 f i 9 2 5 t h ei n t e r f a c ed i a g r a mo f k e y b o a r d 2 3 2 4 时钟电路 采用x i c o r 公司的i 总线时钟芯片x 1 2 0 3 ，该芯片接口简单，与单片机接线少， 且有较高的精度，能很好的满足测控系统对时间的需要。它可以同时提供时钟和日历及 两种报警功能，通过一组寄存器进行控制和读出。使用3 2 7 6 8 k 1 4 z 的晶振输入，在失电 情况下，可以利用后备电池工作。具体接线如下图2 6 。 图2 6x 1 2 0 3 接口图 f i 9 2 6 t h ei n t e r f