（电力电子与电力传动专业论文）高频开关智能电力直流屏相关技术的研究.pdf

塑望奎兰婴主堂垡笙奎 垒堕! 型 a b s t r a c t h l 血ep o w e rp l a n ta n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s ，t h ed co p e r a t i n gp o w e ri s s u p p l i e df r o mh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gd cp o w e rs u p p l y a n du s e sb u l k yb a t t e r i e sa s a l la l t e r n a t i v e p o w e r w i t ht h ec o m p u t e rs u p e r v i s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h eh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n g d cp o w e rs u p p l yi sa c t u a l i z e da u t oc o n t r o la n dh a s t h ea b i l i t i e ss u c ha st h e t e l e c o n t r o l ，t h et e l e m e t e r i n g ，t h er e m o t er e g u l a t i n ga n d t h er e m o t es i g n a l i n g t om e e t t h eh i g hp o w e rr e q u i r e m e n ta n dt oa c h i e v er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y , t h eu s eo f p a r a l l e l e dc o n n e c t e dp o w e r m o d u l e sb e c o m e sn e c e s s a r y t h ec u r r e n t s h a r i n gb e t w e e n m o d u l e si st h ek e y t e c h n o l o g y b e c a u s eo f t h eb a t t e r i e s c h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n g ，t h e o u t p u tv o l t a g eo ft h ec h a r g e rm u s t b er e g u l a t e dc o n s t a n t l yb e f o r eu s e db yt h eo t h e r e q u i p m e n t t h i s p a p e r c o n t a i n ss o m ec o r r e l a t i v e t e c h n o l o g i e s o ft h e h i g hf r e q u e n c y i n t e l l i g e n td cp o w e rs u p p l y ： 1 i n t r o d u c et h ed e s i g n i n ga n d r e a l i z i n go f t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 2 r e s e a r c ht h es i n g l ew i r ea v e r a g ec u r r e u ts h a r i n gt e c h n o l o g yu s e di np a r a l l e l i n g d c d cc o n v e r t e r s 3 r e s e a r c ht h ez e t ac o r l v e r t e rw h i c hc a r ls t e pu po rs t e pd o w nt h ei n p u td c v o l t a g e w i t h o u tc h a n g i n gi t sp o l a r i t y k e y w o r d s ：s u p e r v i s i o nc o n t r o l ，c u r r e n t s h a r i n g ，z e t a c o n v e r t e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电力操作电源中的电力操作直流电源是保证发电厂和变电所正常、安全运行 的电源设备，亦可用于石化、冶金、矿山、建筑及电气化铁路等需要2 2 0 v ( 1 l o v ) 直流电源的场合。 图1 一l 电力电源原理框图 在发电厂和变电所中，直流控制负荷和动力负荷安全性和可靠性要求高。直 流控制负荷包括电气和热工系统的控制、信号、保护、自动装置和某些执行机构， 是保证发电厂和变电所正常、安全运行的极为重要的负荷。动力负荷包括大合闸 电流的电磁操作机构、事故照明装置，火力发电厂中的汽机润滑油泵、发电机氢 密封油泵及给水润滑油泵的直流电动机等等，是保证汽轮发电机组安全起停所必 须的重要负荷。它们均需直流电源系统供电。在电力控制系统中直流电源系统兼 有控制电源和保安电源的双重作用。【0 ” 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。 浙江大学硕士学位论文 1 1 电力操作直流屏介绍 电力操作直流电源部分由充电模块、电池组、调压等几部分构成。如果要实 现智能控制则还要有微机监控部分。 。 1 1 1 充电模块部分” 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。发达国家新建电厂和变电站已基本采用 高频开关电源。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 + 1 热备份，具有四遥功能。我国在邮电、航空航天、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 高频开关电力电源系统与可控硅整流装置的技术指标比较 技术指标内容可控硅整流系统高频开关电源系统 稳压、稳流精度 1 0 5 输出纹波电压有效值 2 0 1 电网调整率 2 0 5 负载调整率 2 0 5 效率 9 0 功率目数 ( o 7 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构 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 ( 2 和四遥r s 2 3 2 ( 2 和四遥 1 1 2 调压模块部分 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 2 浙江大学硕士学位论文 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) ，又因为蓄 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。 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。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。 1 1 3 监控部分” 对于每个电力直流屏中，可由工控机或单片机等构成的计算机应用系统实现 智能监控，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。 还可建立集中监控管理系统，对分布式电源系统及其组成设备进行遥测、遥 信、遥控，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、 维护和管理。 集中监控管理技术应用于高频开关电源系统，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。集中监控管理系统可实现实时、全面、每 天2 4 小时不问断的设备监控，设备运行数据自动记录等，减少了由维护人员的 人为因素造成的设备故障，使电源系统的维护和管理质量有极大的提高。 ( 2 3 降低系统维护成本。集中监控管理系统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 浙江大学硕士学位论文 的维护成本得到降低。 ( 3 ) 提高整体工作效率。集中监控管理系统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。 1 2 开关电源模块并联均流技术 1 2 1 模块化电源系统的发展 随着电子元器件、新的变换控制技术和新的控制理论在电源系统中的应用， 电源系统的供电方式经历了集中式供电、分布式供电阶段。 传统的集中式供电系统的固有缺陷是：单台电源供电，一旦发生故障则可能 导致系统瘫痪，并导致不可估量的损失。如1 9 9 6 年美国电源协会曾公布美国计 算机系统中“4 5 以上的数据丢失的起因是电源故障，这一故障发生率远远高于 2 的硬件、软件错误和3 的人为错误；在一个典型的系统中每月大约出现1 2 0 次电源问题”。因而在八十年代，随着高频电源技术及新型功率器件的发展，分 布式电源供电技术成为国际电力电子学的研究热点，研究内容包括：高频化电源 变换技术、高功率密度封装技术、电源单元并联技术、功率因数校正技术以及电 源模块化和电源系统智能化技术等。所谓分布式电源供电是相对于集中式供电而 言的，由相对较小的模块化电源积木式地组成大功率电源系统。模块化电源系统 d c d c 亚挟 图1 - 2 模块化d c d c 电源系统原理框 完全打破了单个电源在功率上的局限，用户可以象搭积木一样根据电源的功率需 求进行组合，当某一模块发生故障，可以热更换此模块，而其他模块平均分担该 故障模块的负载，不影响整个系统的工作，以此提高系统的安全性，方便维护， 节省投资。 电源系统模块化的设计方法，可大大提高系统的灵活性，有利于降低电源系 浙江大学硕士学位论文 绪论 统的体积和重量，减轻各电源模块中功率开关器件的电应力。从系统角度来讲可 实现冗余设计，提高系统可靠性。所谓冗余是指：设n + n 台变换器模块并联， 其中n 台用以供给负载所需的电流，n 台为后备( 或称为冗余) 模块，当正在工 作的模块出现故障时后备模块投入运行，这样正在工作的n 台模块中即使有n 台同时发生故障，电源系统也仍然保证提供1 0 0 的负载电流。 电源系统可由标准化的模块组合而成，于是电源产品的种类可大大减少，便 于规范化，带来的好处是：一方面降低不同容量电源的设计成本和重复投资，另 一方面减少生产和维护费用。因此许多大功率、高可靠度的电源系统采用了模块 化电源系统。 在模块化电源系统中，各电源模块并联运行，为保证各模块间电应力和热应 力的均匀合理分配，以实现电源系统中各模块承受的电流的自动平衡均流，以及 当输入电压或负载电流发生变化时，保持各模块输出电压稳定，并有较好的均流 瞬态响应特性，需引入有效地负载分配机构或负载分配控制策略：如采用并联均 流技术。 1 2 2 均流的实现方法”“” 电源模块问实现均流的方法很多，而且根据电源系统的性能要求以及电源模 块的类型( 如d c d c 模块、d c a c 模块等) 的不同，均流措施也多种多样，一 般来讲常规的均流方法有以下几种：输出阻抗法、平均电流自动均流法、最大电 流自动均流法、热应力均流法、主从均流法、外加均流控制器、均流母线法等等。 下面对其中几种较有代表性或较为常用的均流方法作简单介绍。 1 ) 输出阻抗法 此法是通过调节d c d c 变换器的输出外特性倾斜度( 即输出阻抗) ，以达到 并联模块均流的目的。 图1 - 3 表示一个d c d c 变换器的外特性( 或称为输出特性) v o = f ( 1 0 ) ，r 为d c d c 变换器的输出阻抗( 包括d c d c 变换器模块到负载的导线的电阻) 。 空载时，模块的输出电压为v 。d c d c 变换器的负载电压v 。与负载电流i o 的关系可用下式( 1 - 1 ) 表示： v o = v o 一i u 。( 1 - 1 ) 当电流增量为i 时，负载电压增量为v ，得v i = r ，a v a i 代表d c d c 浙江大学硕士学位论文 变换器的输出电压调整率。 图1 3d c d c 变换器的外特性 两台相同容量、具有相同参数的d c d c 变换器模块并联，如图1 - 4 所示 。 v v o ki 。2i d 图1 - 4 两台并联d c i ) c 变换器及外特性 得到式( 1 - 2 ) 、( 1 - 3 ) ，其中r 1 、r 2 分别为模块1 和模块2 的输出阻抗。 v o ，= v 。一r 。i 。 ( 1 2 ) v o ：= v 一一r ，i 。： ( 1 3 ) 模块并联有v o 。= v o ：= v ，于是可解得式( i - 4 ) 、( 1 - 5 ) 。 i o l ：k ( 1 - 4 )1 。2 f l 1 0 2 ：k ( 1 - 5 )i o ：2 守 比较图1 _ 4 中两条外特性曲线可知，模块1 外特性斜率小( 即输出阻抗小) ，分 担的电流比外特性斜率大的模块2 多。如果能设法将模块1 的外特性斜率( 即输 出阻抗) 调整得接近模块2 ，则可使这两个模块的电流分配接近均匀。 图1 - 5 给出用调节输出阻抗也就是调节外特性斜率的方法来实现均流的例 子。r s 为模块输出电流的检测电阻，电流信号经过电流放大器放大，输出v i ， 与模块输出的反馈电压v f 综合加到电压放大器的输入端。这个综合电压信号与 基准电压信号v ，比较，其误差经过积分放大得到误差电压v c ，控制脉宽调制器 浙江大学硕士学位论文绪论 的输出控制脉宽，从而调节模块的输出电压。当某模块电流增加较多时，其电流 检测电压v ；上升，v 。下降，该模块的输出电压也随之下降，即输出阻抗增加， 外特性斜率增加向下倾斜，接近其他模块的外特性，实现了近似均流。 鼬 图1 5 输出阻抗法实现均流 输出负载均流方法的最大优点是线路简单，而且均流时各模块间没有均流母 线的连接，各模块均流独立完成。但是，这种方法的负载调整率差，均流精度低， 以牺牲外特性换取各模块之间的均流。在小电流时均流特性较差：大电流时均流 特性较好但模块间仍存在较大的均流误差，而且降低了输出电压调整率，输出电 压上升率不同的模块间使用这种方法则较难均流。改进的下垂控制法中加入了电 流补偿，模块间均流特性和电压调整率都得到了改善，但是增加了控制部分的复 杂性“”。 2 ) 自动均流法 按电流大小自动均流法包括最大电流法和平均电流法。二者的共同特点是均 流过程受闭环控制，均流性能较好。 ( 1 ) 最大电流法自动均流“2 3 主从均流法是指定某一模块为主模块，它的输出电流作为均流命令信号；剩 余模块作为从模块，其输出电流跟随主模块电流实现均流。这种方法的缺点是一 旦主模块故障就会使整个系统瘫痪，无法实现冗余。为此，有人提出了最大电流 自动均流法。这是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在n 个并联的模块 中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块。最大电 流作为指令电流，各从模块根据自身电流与指令电流之间的差值调节自身的给定 电压，校正负载电流的分配不均匀，实现模块间均流。这种方法又称为自动主从 控制法。由于在n 个模块并联的系统中，没有事先设定哪一个模块是主模块， 优丑岛 、 浙江大学硕士学位论文 而是按电流大小排序，电流大的模块，自动成为主模块，所以这种方法又被称为 民主均流法。这种方法的均流效果较好，支持热插拔( 失效模块不会影响整个系 统) ，而且有现成的均流芯片( u c 3 9 0 7 、u c 3 9 0 2 等) 可供使用，是目前一种较 好的均流方法。 图1 - 6最大电流法自动均流原理图 图1 - 6 给出了最大电流法自动均流的控制示意图。由于二极管的单向导通性， 只有输出电流最大的模块的二极管才导通，均流母线电压v b 才受该模块的电压 v 。影响。设在正常情况下，各模块的输出电流是均匀的，如果某个模块的输出 电流突然增大，成为n 个模块中最大的一个，于是该模块的v ；上升，二极管导 通，该模块自动成为主模块，而其他模块则成为从模块，由前所述可知，这时 v b = v i 。x ，各个从模块的v l 与v b ( v 岫。) 比较，通过调整放大器调整反馈电压 v f ，自动实现均流。但是由于二极管总有正向压降，因此主从模块之间的均流总 会有误差，不过从模块之间的均流程度比较好。 ( 2 ) 平均电流自动均流法“”“ 母线式自动平均电流法在1 9 8 8 年以专利形式提出。所有模块通过一根均流 母线相互连接，每个子模块从母线上获得自身的电流参考信号，通过控制环的调 节实现均流。由于每个模块都只与均流母线发生联系，模块能够在线热插拔，从 而实现系统的增容和在线维修。 若将图1 - 6 中a 、b 两点问的二极管用电阻代替，则均流母线电压v b 就成为 了代表各模块输出电流平均值的电压信号，而各个模块的输出电流都自动跟踪各 模块平均输出电流，显然与最大电流自动均流法相比，这种方法不存在主模块， 所以各模块的均流情况相同，都比较好。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 7 平均电流法自动均漉的控制原理圈 将图1 - 6 的虚线框内的原理图稍加改动，得到图1 7 平均电流控制原理图。 其中v i l 、v n 至v l n 为各模块负载电流经检测、放大后的电压信号，v b u s 为均流 母线电压，v 。1 、v 0 2 至v 。为各模块均流控制器的输出电压，令r = r ，+ r ：， 则v 叫s 为： v b u s 乩盟避半型( 1 - 6 ) 若电阻r - 上的电压为零，则表明此时已实现均流；若不为零，则表明模块 间的电流分配不均匀。各模块根据均流误差调节均流放大器的输出电压值，从而 改变输出电压的值，达到均流的目的。 平均电流自动均流法是一种比较简单、效果较好的均流方法，本文第三章对 此均流方法进行了深入分析。 1 3d c d c 调压模块 1 3 1 硅链调压 圈l - 8 硅健调压装置结构田 硅链调压装置的结构见图( 1 - 8 ) ，实时检测控制母线电压v k ，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 1 0 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 9 浙江大学硕士学位论文 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 l ，不计线路中其他损耗，可得硅链降压装置的效率为： q ：! ! 旦 ( k ：0 n j( 1 - 7 ) 2 2 0 + k v d 其中v d 为一节硅堆的压降，k 为硅链中硅堆节数，从式( 1 - 7 ) 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。 1 3 2 d c d c 变换器调压 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 、芒u k 、 s e p i c 和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 和z e t a ，如图1 9 所示。 ( a ) b u c k 变换器 ( c ) s e p i c 变换器 ( b ) b o o s t 变换器 ( d ) z e t a 变换器 图1 - 9 基本d c d c 变换器拓扑 b u c k 变换器如图1 - 9 ( 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 9 ( 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 丑 浙江大学硕士学位论文 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1 。 s e p i c 变换器如图1 - 9 ( c ) f 9 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l - 9 ( 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。 本文以z e t a 变换器为对象进行了研究。 1 4 论文研究内容及主要工作 本文选择智能高频开关电力直流屏的监控、均流和调压等相关技术作为研 究对象，全文共六章： 第一章绪论，介绍高频开关电力直流操作电源，提出本文的研究内容。 第二章智能监控系统设计，讨论了监控系统各构成部分包括监控单元、监控 模块的功能，硬、软件的设计与实现，还详细介绍了串行通讯部分的设计。 第三章模块均流分析，分析了均流的动态性能与稳态误差。 第四章调压模块分析与设计，以z e t a 变换器为研究对象，分析了主电路工 作状态建立了小信号模型，并设计了峰值电流控制模式下的控制器。 第五章z e t a 变换器实验，给出实验电路与实验结果。 第六章全文总结。 浙江大学硕士学位论文 智能监控部分 第二章智能监控部分 智能高频开关电力电源系统构成如图2 1 所示，包括电源和监控两大部分。 监控部分由整流模块监控单元、配电监控单元和监控模块等组成，监控模块与 各监控单元之间通过r s 4 8 5 行通讯接口实现主从式通讯，采用分级管理、集 中监控的思想，实现高频开关电力直流操作电源的智能化控制1 瑚。 图2 1 智能电力操作电源系统框图 分级监控主要包括监控单元( 包括整流模块监控单元和配电监控单元) 和 监控模块，根据需要还可以增加p c 机、远程监控设备等等作为上一级，管理监 控模块。整流模块监控单元和配电监控单元分别负责整流模块和配电部分的监 控，监控单元通过r s 4 8 5 串行口，接受监控模块的统一管理。监控模块通过各监 控单元监测电源系统的运行参数( 如电压、电流等) 和工作状态( 正常、故障 等) 信息，并根据设置进行控制，而且能够通过近端r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口和远传 m o d e m 端口接受来自上一级控制系统的指令，实现遥控、遥信、遥测等功 能。监控部分各级的基本功能简介如下： 表2 1 监控部分简介 名称功能 通过r s 4 8 5 串行通讯接口从各监控单元读取开关量和模拟量数据； 监控模块 检测判断各类故障，进行声、光报警；通过液晶显示、键盘输入、 打印输出等功能进行人机交互，可实时查看电源数据，设置参数： ( 主机) 向监控单元发送控制信号，实施控制；响应上一级集中监控的要 求，向其发送相应电源数据报文 对整流模块或配电模块的测点信号进行滤波和模数转换，通过光耦 监控单元隔离送到单片机；以中断方式接收监控模块的命令，向其发送整流 ( 从机)模块或配电模块的测点数据，并根据监控模块的命令向整流模块或 配电模块发送控制信号 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 本章主要讨论监控单元( 包括整流、 计，监控单元与监控模块之间的通讯， 2 1 监控单元硬件设计 2 1 1 监控单元职能 配电两部分) 和监控模块的软、硬件的设 以及抗干扰设计。 为了对充电机实现智能控制，加入监控单元，称之为整流模块监控单元( 结 构见图2 2 ) ，它要完成如下工作： 1 ) 向整流模块发送控制信号。包括开关机、故障复位、输出电压的设定值。 2 ) 自动采集整流模块的模拟量数据。包括各模块输入输出的电压电流值、充 电电压手动设定值等。 3 ) 检测、判断各类故障。包括过压、欠压、过流、过热、跳闸、断路等，并根 据发生的故障进行相应的光报警。 4 ) 与监控模块进行通讯，接收发送信息。包括接收控制信号：开、关机、故障 复位、输出电压设定值等，根据监控模块的要求发送整流模块的模拟量和故 障、运行状态开关量等数据。 5 ) 根据用户需要，实时显示整流模块的各模拟量数值。 e a p r o m l 挚蚴i 鼍些钉 - 匝困 等嚣卜圆 匝到h 鲨：卜 占k 围2 2 整流监控单元结构框图 根据需要，配电监控单元( 硬件构成如图2 3 所示) 要实现任务如下： 1 ) 执行控制操作。包括控制硅链实现控制母线电压调节和蓄电池组的放电等。 2 ) 采集配电模块模拟量。包括控制母线及蓄电池组的电压电流值、环境温度 等。 3 ) 检测、判断各类故障。包括蓄电池过充，过放、蓄电池充电过流、蓄电池入 出熔断器断、控制母线欠压，过压、控制母线断路器断等。 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 4 ) 与监控模块进行串行通讯，接收控制信号，根据上位机的要求发送模拟量 或开关量信息。 i e 2 p r o m l i w a t c h d o g l i l ! 皇兰卜 厂l c p u 田 l = 一1 8 9 c 5 2 叫串行口卜 卧 ll 报警开关量卜_ _ - i 攫度检测 图2 3 配电监控单元系统结构示意图 2 1 2 硬件实现 监控单元将8 9 c 5 2 作为c p u ，控制a d 变换、d a 变换、l e d 显示、信号检 测、串行通讯等操作实现上述各项职能。 2 1 2 1 硬件各部分介绍 1 ) a d 变换：选用m a x l 4 7 芯片。m a x l 4 7 具有八路1 2 位a d 串行变换通道，由 串行输入的八位控制命令选择进行a d 变换的通道，变换结果在串行时钟的 配合下从单片机的i o 口读入。 2 ) d a 变换：选用m a x 5 3 5 芯片。m a x 5 3 5 具有一路1 3 位的高精度d a 。每完成 一次d a 变换将模拟数据送出之后，把m a x 5 3 5 的c s 片选信号置高，使输出 的模拟信号得以锁存，这样在单片机对别的芯片进行操作时不会影i 响d a 输 出结果。 3 ) e e p r o m ：选用x 2 5 0 4 5 芯片，它集成了e e p r o m 、w a t c h d o g 和上电复位功 能。内部的e e p r o m 有2 5 6 个8 位存储单元，在串行时钟的控制下可实现数据 的写入和读出，用它存储模块运行控制信息( 即使在控制电源掉电之后数据 也不会丢失) 。这样，当整个电源系统出现故障而停机时，故障前的信息已 保存在e e p r o m 中，模块再次启动时，只要 j l e e p r o m 中读出记录的历史数 据，就可以使模块恢复到故障前的运行状态。 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 4 ) l e d 显示：为了节省资源，本系统中的l e d 显示采用动态扫描，结构见图2 4 。每个l e d 数码管有单独的位选线，将所有段选线并联。当c p u 要将字符 送显时，先将段码送到锁存器，然后选通对应l e d 的位选线，点亮一只l e d 数码管，显示出待显字符：当要在另一只l e di - 显示字符时，c p u 将新的段 码送到锁存器中，选通对应的位选线，则可显示另一个字符。c p u 分时选通 和显示各位l e d 数码管，当动态刷新速度足 够高时，由于人眼有视觉暂留的特点，从总 体视觉效果上讲，各l e d 数码管好像是被同 时点亮的。当然其亮度比静态显示要低，而 且亮度随l e d 数码管个数的增多而降低，随 c p u 对显示刷新频率的提高而增加。所以， l e d 数码管采用动态显示是以牺牲c p u 时间、 降低显示亮度换取系统资源的节省和功耗的 降低。 i o 口 l 锁存器1 创| 屿篚 l 旦且丑 剧剧 t u u u u n l t 陌存嚣l 一 o r - 1 图2 - 4 五位动态l e d 显示原理图 5 ) 温度检测：选用d s l 6 2 0 为温度转换芯片。d s l 6 2 0 是9 位的高精度a i d ，转换 时间不超过1 秒钟，d s l 6 2 嗵过二根线( c l k 、d q ) 实现数据的串行传输， 提供了单次触发和自动持续两种温度检测方式，温度转换结果保存在其内部 寄存器中。这里选择自动持续温度检测，对d _ | ；1 6 2 0 初始化后，送入自动持续 温度检测控制命令字即启动温度转换。通过读取温度命令字可以随时从 d s l 6 2 0 的寄存器中读出实时的环境温度。 6 ) 硅链及蓄电池放电控制：外扩并行i o 口输出对硅链及蓄电池运行状态的控 制信号，通过光耦隔离传送至控制继电器。 7 ) 串行通讯：选用m a x l 4 8 0 b 进行串行通讯。它是完全的电气隔离的r s - - 4 8 5 数据通讯接口芯片。收发器、变压器、光电耦合器均集成在一块芯片内。逻 辑电路一侧的5 伏电源给两侧供电。 2 1 2 2 串行接口技术 数据传送有串行和并行两种方式。并行传送以高速见长，采用并行传送的集 成电路、外围设备从c p u 到r a m r o m 种类繁多。串行传送具有接口线少( 仅3 4 根线，便于实现多芯片连接) 、芯片体积小等优点，但是传输速度较慢，仅 在远距离数据传送中占有一席之地。随着集成电路制造工艺的发展，器件速度 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 大大提高，串行传送的速度不再受传送速度的限制，各大半导体公司加大了串 行接口芯片的开发力度，出现了多种串行总线，血h m o t o r o l a 的串行外围接口 ( s p i ) 、鼬_ i l i p s 公司的1 2 c 总线以及n s 公司推出的m c m w i r e 串行接口掣1 7 1 。 本系统中大多数芯片都选用的是s p i 串行接口芯片，如刖d 用m a x l 4 7 、d a 用m a x 5 3 5 及e 2 p r o m ( x 2 5 0 4 5 ) 。所以下面对s p i 串行外围接口技术进行简要 介绍。s p i 串行外围接口技术是一种同步串行通讯接口技术。它采用三根信号线 ( c l k 、d i 、d o ) 传送数据和同步时钟，能够完成半双工通讯，由c s 片选线实 现多机通讯或扩展多片串行芯片。在启动一次传送时，c p u 产生串行时钟脉冲 送给c l k 作为芯片的同步时钟，三线制串行数据由d o 移出，d i 移人。典型时序 如图2 5 所示： c s ：厂 c l k nnr r 几nn 厂一 d d o - - 互匡正正丑互叵匹正丑一 m s bl s b 图2 - 5s p i 接r n 典型时序 其中，引起数据变化及采样数据线的c u ( 边缘( 时钟上升沿或下降沿数据有 效) 与芯片有关。5 l 系列单片机不具备s 啵口，所以必须采用软件模拟s p i 接 口来实现与s p 瞄片的连接，软件模拟s p i 要做的工作有三点：芯片的选择、串 行时钟的发生、数据的输凡输出。 图2 - 6 串行接口扩展示意图 多片串行接口芯片可以共用s c l k 、s i 、s o ( 或d q ) 三根( 或两根) 信号 线，每个芯片工作与否，完全由片选信号决定，这正是串行接口通讯的优点。 图2 6 给出了串行接口扩展的示意图。 浙江大学硕士学位论文 智能监控部分 2 2 监控单元软件结构设计 监控单元在系统中作为从机，其软件采用模块化设计方法，将要实现的功 能划分成a d 变换、d a 变换、开关量检测、串行通讯、e e p r o m 存取、整流模 块运行控制、硅链、蓄电池及其他控制与监测等模块，各功能模块软件按模块 化设计，分别编写、调试，然后进行连接。这样做降低了软件系统编程的复杂 性，提高了软件的可维护性，而且各模块并行开发，有助于提高工作效率。 进行模块化设计时，考虑了如下几点： 1 ) 耦合性：它是程序结构中各个模块之间相互关联的度量，取决于各个模块之 间接口的复杂程度、调用模块的方式以及通过接口信息量的多少。模块化设 计的最终目标是希望建立模块耦合尽可能松散的系统。 2 ) 内聚性：一个内聚程度高的模块应当只完成软件过程中的一个单一的任务， 而不与程序其它部分的过程发生交叉。 3 ) 信息隐蔽性：每个模块的实现细节对于其它模块来说是隐蔽的。也就是说， 模块中包含的信息( 包括数据和过程) 不允许其它不需要这些信息的模块使 用。由于一个软件系统在整个软件生存期内要经过多次修改，所以在划分模 块时要采取适当措施，使大多数数据对软件的其它模块是隐蔽的。这样，在 修改软件时因偶然性错误造成的影响就可以局限在一个或几个模块内部，不 致波及到整个软件。 图2 - 7 整流模块监控软件程序框图 蒌 浙江大学硕士学位论文 智能监控部分 2 2 1 整流模块监控单元 整流模块有两种运行方式：手动运行方式和受控运行方式。前者是通过手 动调节控制整流模块运行，主要用在调试或检修过程中；后者是令整流模块在 监控模块的控制下运行。整流模块监控单元软件的程序框图如图2 7 所示。 2 2 2 配电监控单元 配电部分要实现硅链降压、蓄电池放电的控制。根据实际需要，用七只继 电器控制硅链，一只继电器控制蓄电池充、放电。( 见图2 8 ) i 控翻信号由单片机监控发出l 配电监控单元 妙- 充 静 l 董刍蕞囊：卤 负 电 载 机 图2 8 配电监控在系统中的位置 图2 - 9 硅链控制流程图 硅链控制 硅堆投入或切出的数目受微机控制。实时检测控制母线电压u h ，如果u 虹 在设定电压范围之内，保持当前硅堆投入情况不变；否则通过调节投切入线路 中的硅堆数目，将k m 电压值控制在设定电压范围之内。硅堆的投切采用回差法 控制，逐级进行：设定2 2 0 + a u ( a u 至少大于一节硅堆压降的一半) 为允许范 围，每投切一节硅堆后检测k m 电压，再决定是否有必要继续投切硅堆，因此可 见输出电压调节的最小值受一节硅堆的导通压降限制。如图2 8 所示，n 节硅堆 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 串接，每只继电器控制一节硅堆的投切，这样连接的好处是：所有继电器动作 的频繁程度接近，而且任意一只继电器损坏均不影响其他继电器的正常工作， 使得对整个降压控制的影响降至最低。控制硅链流程图见图2 9 。 硅链进行输出电压调节波形如下：每节硅堆压降5 伏，取a u = 3 伏，每节硅 堆接人间隔约为7 0 0 m s ，由程序控制。 1 ) 输入电压从2 2 0 伏升至2 4 5 伏，硅链在配电监控单元控制下依次打开并接继 电器切入5 节硅堆，降压2 5 伏。输出电压维持2 2 0 伏，调节过程约3 5 s 。 ( 图2 1 0 ) r 、 - h 怫 图2 1 0 输入电压升高时硅链调压 ( 5 0 d i v ，l s d i v ) 2 ) 输入电压从2 4 5 伏降至2 2 0 伏时，5 节硅堆依次退出，并接继电器合上，输出 电压维持2 2 0 伏，调节过程3 5 s 。( 图2 1 1 ) ”喝u _ h 二 图2 - 1 1 鞠入电压刚氐时硅链调压 ( 5 0 d i v ，l s d i v ) 蓄电池运行状态控制 蓄电池的充放电控制由配电部分负责。如果所设定的放电时间到或需要强 制放电时，由监控模块发出放电命令，配电监控单元接收到此命令后控制放电 控制继电器使蓄电池接通外接电阻负载进行放电，只有监控单元收到监控模块 浙江大学硕士学位论文 智能监控部分 的停止放电命令才能结束放电，使蓄电池返回充电运行状态。配电模块软件的 程序框图如图2 1 2 所示。 图2 1 2 配电模块软件程序框图 2 3 监控模块设计 监控模块需完成人机交互的工作，通过r s 4 8 5 串行口定时从各监控单元顺序 读取数据，并向监控单元发送各模块的控制信号，完成数据管理。监控模块 ( 结构示意如图2 1 3 ) 主要功能包括： 图2 一1 3 监控模块结构框图 1 ) 定时自动接收监控单元采集的模拟量与开关量数据。模拟量包括各模块输入 输出的电压电流值、充电电压手动设定值、控制母线及蓄电池组的电压 电流值等。开关量包括控制方式、故障情况等。 蚕 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 2 ) 检测、判断整个系统的各类故障。包括过压、- 欠压、过流、过热、跳闸、断 路及电池过充过放等，并根据发生故障的性质进行相应的声、光报警，根 据需要打印故障信息。 3 ) 发送控制信息给监控单元。包括开关整流模块、整流模块故障复位( 多模 块顺序进行) ；整流模块输出电压控制值( 可以线性调节) ；蓄电池充放电 控制；控制母线电压调节等。 4 ) 实时显示各模块的测点数据。 5 ) 提供汉化人机界面。可根据用户设置的参数实现系统组态，以适应不同电源 系统控制方案的要求，对蓄电池进行自动管理及保护。 2 3 1 监控模块硬件设计 监控模块以8 9 ( 2 5 2 为c p u 构成单片机系统，选用以t 6 9 6 3 c 为控制芯片的 2 4 0 x 6 4 大小的液晶结合键盘作为人机交互界面；选用k p 系列微型面板式打印机 打印各种信息；考虑到监控模块数据处理量、程序复杂程度及汉字显示字库的 需要，选用较大容量的r o m ( 2 7 c 5 1 2 ) 和r a m ( 6 2 2 5 6 ) ；选用x 2 5 0 4 5 ( e e p r o m ) 存储设置参数( 该芯片内含有w a t c h d o g ) ；用d s l 2 8 8 7 时钟芯片 作为系统时间，它可以提供年月日时分秒等自然时间，而且该时间不受掉电影 响，并提供定时中断；利用8 9 c 5 2 本身的串口经m a x l 4 8 0 芯片实现与监控单元 的通讯；选用8 2 5 1 扩充串行通讯口，以r s 2 3 2 方式与上层监控p c 进行通讯( 电 平转换由i c l 2 3 2 完成) ，或以r s 4 8 5 方式进行通讯( m a x l 4 8 3 完成) ，二者可 根据需要进行选择其一；用发光二极管和蜂鸣器进行故障的声光报警。 2 3 2 监控模块软件设计 监控模块软件采用模块化设计方法，将要实现的功能分成串行通讯、液晶 显示、打印、时钟管理、e e p r o m 存取等模块，并采用组态思想使其具有一定 的通用性。 。 系统配置组态 一台监控模块可集中管理多个监控单元( 并联的整流模块数为1 3 0 台可 选) 。系统配置组态功能允许用户灵活配置整流模块：在运行过程中只需修改 若干相关参数( 包括模块总数、模块通讯地址、开关状态等) ，即可在线增减 所监控的模块。 故障判断组态 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 不同系统的故障判断条件、临界告警值往往不一样，该组态功能可用于调整 故障判定标准，根据用户设置的参数形成一套故障检测方案。 控制方案组态 图2 - 1 4 - a 软件流程示意图 图2 - 1 4 - b 各软件功能模块调用关系 图2 - 1 4 监控模块软件结构框图 将总的控制分解成几种基本控制的组合，用户根据要求进行选择、综合，形 成灵活、有效的控制方案，适应于系统的具体要求。监控模块除响应用户按键 ( 用户命令的处理) 外，还要自动地根据参数设置完成通讯、显示信息刷新等 工作，而对于按键，又包含需要立即响应和要延时处理两部分，这些任务往往 要求能够并行地得到处理，例如在通讯、刷新液晶显示的同时还要及时响应用 虽 浙江大学硕士学位论文智能监控部分 户按键，但8 9 c 5 2 只能顺序地执行程序，所以在监控模块软件主流程设计时，将 监控模块的工作分为前台处理和后台服务。前台处理响应用户的键盘输入，同 时完成可以即时完成的各项处理；后台服务则无需用户干预自动进行，包括信 息收发、存储、故障告警等工作，以及键盘命令中需延时处理的部分。为使后 台服务自动按时进行，用时钟芯片提供一个间隔固定的中断信号作为计时基 准，并为每种定时服务设置软件计时器。当需要某种服务时，启动相应的