（电磁场与微波技术专业论文）微波通信电源监控系统的设计与实现.pdf

上海交通大学硕士学位论立 摘要 微波通信电源监控系统的设计与实现 摘要 本文介绍了微波通信电源监控系统的发展概况和目前存在的问 题，说明了电源监控系统在现代通信中的重要性，结合作者参予开 发的某电源监控系统的实例，对微波通信电源监控系统的设计与实 现作了一定的分析和探讨。 作者提出来一种多级分布式电源监控系统的设计方案，论述了 该监控系统的结构组成，对监控系统中不同单元实体的作用和功能 进行了划分与定义，建立起了一个完整的系统结构框架。并详细论 述了该监控系统中各功能单元软硬件的设计实现和通信协议的定 义。通过对以该设计方案为蓝本而开发实现的电源监控系统的测试， 表明该监控系统运行正常，达到了预期的性能指标，实现了对电源 设备的智能化监控管理。 关键词：电源监控系统；m c u ；w i n s o c k e t ；通信协议 i 一一一 上海交通大学硕士学位论文a b s l 限a c t t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp o w e r s u p e r s i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi n m i c r o 、7 l 值v ec o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt h ep r o b l e m sa t p r e s e n t o f p o w e rs u p e r v i s i n g a n dc o n t r o l s y s t e m i nm i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o n ，a n di n d i c a t e st h a tp o w e rs u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m i sv e r yi m p o r t a n ti nm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp o w e rs u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi s s t u d i e d b a s e do no n es a m p l eo f p o w e rs u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m t h a t t h ea u t h o re x p l o i t e d ，ad e s i g nt h o u g h to fm u l t i l e v e ld i s t r i b u t e dp o w e r s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d w ed i s c u s st h ea r c h i t e c t u r e o ft h es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，d e s c r i b et h ep a r t i t i o na n df u n c t i o n o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e sa n dd e f i n es o m e s p e c i a l c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s b yp r a c t i c a lt e s t ，t h es a m p l es y s t e m w o r k e di n g e a r i nw o r k i n g f i e l d s ，i m p l e m e n t e d t h ei n t e l l i g e n tp o w e r s u p e r v i s i n ga n d k e y w o r d s ：p o w e r s u p e r v i s i n g a n dc o n t r o ls y s t e m ；m c u ；w i n s o c k e t ； c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 微波通信系统中对电源设备的要求 通信电源是微波通信系统的重要组成部分，常被称为微波通信系统的“心 脏”。随着科学技术的迅速发展，各种微波通信设备及其它通信设备在不断地改 进更新，现代通信系统对通信电源的要求也越来越商。若通信电源的质量不符 合技术要求。则会造成通讯传输的延迟和故障，造成杂音窜扰，误码率增加等， 严重时会导致整个通信网络的瘫痪，酿成不可估量的损失 1 。 微波通信系统对电源的一般要求是：可靠性、稳定性、小型化、高效率。 1 、可靠性 为了确保通信的畅通，必须提高电源系统的可靠性。通常，电源系统要给 许多通信设备供电，因此电源系统发生故障，对通信产生巨大的影响。现在， 微波通信的通信容量规模很大，一旦断电，将会造成巨大的经济损失和极坏的 社会影响。 为了保证可靠供电由交流电源供电的通信设备应当采用交流不间断电源 ( u p s ) 。在直流供电系统中，应当采用整流器与电池并联浮充供电方式。现在 较先进的开关整流器都采用多只整流模块并联工作方式，这样当某一个模块发 生故障时不会影响供电。 2 、稳定性 各种微波电源设备都要求电源电压稳定，不能超过允许变化范围。电源电 压过高，会损坏通信设备中的器件：电源电压过低，通信设备不能正常工作。 此外，直流电源电压中的杂音也必须低于允许值，否则，会严重影响通信质量。 当电源设备直接由市电供电时，电网负载的变化引起的电压瞬变对通信设备有 巨大的影响。因而，一般的微波通信设备都由稳压电源供电。 3 ，小型化 随着集成电路的发展和应用，微波通信设备正向小型化、集成化方向发展。 为了适应通信设备的发展，电源装置也必须实现小型化、集成化。在各种移动 通信设备、航空航天设备中更要求电源装置的小型化。 4 、高效率 随着微波通信设备的容量日益增加，电源系统的负荷不断增大。为了节约 电能，必须设法提高电源装置的效率。 微波通信系统对电源设备的要求，不仅需要不断提高和加强电源系统自身 运行的稳定性、可靠性，还必须增强对电源系统的监控维护，及时发现问题， 解决问题。 第1 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 电源监控系统及其发展状况 鉴于通信电源的重要性，对其进行集中监控已成为提高微波通信等通信系 统中电源系统稳定性和可靠性，实现安全供电和集中维护管理的一个不可缺少 的环节。在国外通信发达的国家，为提高通信系统的自动化管理与提高系统工 作的可靠性，均有通信电源监控系统投入使用，以提高维护质量，通信电源监 控系统具有监控准确、可靠、安全、操作方便等特点。可以实现少人值守或无 人值守。 通信电源监控系统主要实现对电源系统中的交、直流电压、电流和蓄电池 电压、电流及负载电压、电流等数据采集和显示。对市电的有无、整流器的开 关状态、对蓄电池的各种充电状态、低压脱离的工作状态及数字输入量等进行 实时监控，旦发生故障，将自动告警，以便及时处理，保障电源设备正常运 行。同时还可根据需要，动态控制电源系统的输出电压来满足要求。此外，监 控系统还可对温度、湿度等环境量和外围设备进行管理 2 。 通信电源的集中监控管理技术在通信电源中的应用，标志着电源系统的维 护和管理从人工看守方式的管理维护模式向计算机集中监控的智能化管理维护 模式转变。与通信技术发展相适应，提高对通信电源的维护管理水平。同时也 提高了通信系统中的供电质量，使供电系统具有更高的可靠性和经济性，充分 发挥目前计算机技术的优势，实现了电源系统管理的自动化、智能化，实现了 电源系统管理的少人、甚至无人值守。提高了维护效率，降低维护成本。 从9 0 年代通信电源监控系统开发开始至今已有1 0 余年了，电源监控系 统无论在技术上，还是在系统实施的规模上都有了很大的发展，人们对电源监 控系统的认识在不断提高，可以说，目前电源监控系统的实施已进入了一个新 时代 3 。 计算机网络，通信技术的快速发展，为集计算机网络、计算机通信、计算 机控制技术于一身的通信电源监控系统进一步发展和完善提供了前提。人们在 监控系统开发，实施过程中积累了大量丰富的经验，对监控技术有了较全面的 认识。随着大规模集成电路技术的迅猛发展，各种微处理单元、逻辑器件集成 化程度越来越高，功能越来越强，使电源监控系统中的某些设计可以更加灵活t 功能更强，性能更加稳定，促进了通信电源系统自动化程度和可靠性的很大改 进提高。 但是同时我们也注意到，在其发展过程中也暴露出许多新问题。如在监控 系统中硬件设计，软件功能还不够完善，对故障的诊断分析，数据统计，电源 系统的有效控制还没有得到更好的发展，而过去人工维护方式在电源监控系统 中仍有体现，监控系统的可靠性等问题依然存在。尤其在国内许多电源监控系 统自国外引进，这需要我们去开发自己的监控系统，并不断完善、改进它，提 高其运行质量。 1 3 本监控系统设计的想法与特点 通信电源监控系统应该是一个实时性要求较强的大型分布式网络系统，不 论是以通信网络为平台进行数据信息交换，还是以网络系统为平台进行数据信 第2 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 息交换，其监控网用监控机所采用的操作系统应具有实时、多任务、网络功能 的特点。而以前单用户、非实时、非网络功能的操作系统构成的小型监控网络 以不能满足电源监控需构成较大实时网络的需要。现在计算机通信网络系统发 展和w i n d o w s 9 x f n t 等实时操作系统的广泛应用，为我们开发电源监控系统提供 了可能和便利条件。 本电源监控系统正是基于现代计算机技术，自动控制技术和通信技术的成 熟和不断进步，克服在以前电源监控系统的缺陷和不足，提高电源设备的维护 管理质量，降低系统的维护成本，提高监控系统的工作效率，完善其工作性能。 主要体现在以下几方面。 1 、监控管理规模 采取分级的分布式计算机监控网络，扩大了监控管理的规模，适应了目前 通信规模的发展速度。基于现有通信网络和通信接口协议，可很方便扩充监控 规模，便于监控参数的统一管理，使电源监控网络逐步走向规范化。 2 、系统实时性 系统响应速度的快慢，是监控系统的一项重要性能指标。监控系统的响应 实时性是双向的。即包括当电源系统出现异常时，监控系统进行响应的速度， 以及操作人员发出控制命令时，对被监控设备的操作被执行的速度。我们采用 高性能的m c u 作为监控系统中前置控制单元的处理核心，提高了对电源设备的 控制操作速度。编程方面采用汇编和c 语言相结合的形式，也提高了程序的执 行速度。同时监控网络中所用监控机采用的操作系统为w i n d o w 9 x ，也加强了监 控维护的实时性。 3 、系统运行可靠性 监控系统本身的可靠性非常重要，否则，无法达到提高电源系统维护管理 质量的目的。由于电源监控系统整体的可靠性是系统内各种设备和元件可靠性 的乘积，因此选择那些质量优良，工作稳定可靠的器件设备，并尽量采用工控 级的产品。此外也从硬件结构和软件设计来保证监控系统运行的可靠性。采用 分级的系统结构，增强了系统的冗余度。利用软件陷阱和看门狗技术，保证系 统能跳出异常运行情况，返回正常工作状态。而且监控软件采取模块化结构， 以隔离某一部分软件的缺陷向外界扩散，提高软件本身的可靠性。 4 、系统扩充性 我国的通信事业正处于飞速发展的阶段，目前的现状是：一方面，性能更 先进的微机、通讯设备正源源不断的引进国内替代老设备，另一方面，由于资 金短缺，基建规模的限制等原因，仍会有大量旧设备在使用中，并且在短期内 不会全部更新。因此，我们充分考虑系统的扩充性。在硬件配置上保证数量有 一定的余量，包括i o 通道数量等。同时在监控系统间的数据传输采用总线方 式，有利于动态改变扩充监控设备的数量，又能不影响系统其它设备的正常工 作。软件编程保持一定灵活性，用户可自行修改系统参数，如监控参数的上下 门限，告警级别，继电器的动态映射，操作人员安全级别等，而这无需软件编 程人员的参予。 5 、友好人机界面 在电源监控系统中操作人员是不可缺少的一个组成部分。操作人员根据监 控系统提供的各种信息进行故障排除和电源设备的维护。从某种意义上讲，被 监控设备维护管理质量的好坏取决于操作人员与监控系统之间信息交换的质量 高低，即要求良好的人机交互界面。本监控系统采用w i n d o w s 下图形界面，利 第3 页共7 2 页 一一_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - l - _ _ l - _ _ - 。一一 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 用w i n d o w s 编程所提供的各种图形特性和各色图形控件，提供给操作人员一友 好舒适的界面，方便操作人员的使用。 第4 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第二章通信电潭系统 第二章通信电源系统 2 1 通信电源系统的组成 一般通信电源系统由交流供电系统、直流供电系统和相应的接地系统组成。 为了保证稳定、可靠、安全供电，通信电源系统采用的供电方式有：集中供电 方式、分散供电方式_ 和混合供电方式1 1 。 l 、集中供电方式电源系统组成 集中供电方式电源系统的组成如图2 一l 所示。该系统由交流供电系统、直 流供电系统、接地系统和集中监控系统组成。 图2 1 集中供电方式 f i g u r e2 - 1p a t t e r no fc e n t r a l i z i n gp o w e rs u p p l y 交流供电系统包括变电站供给的交流电流( 高压市电或低压市电) 、油机发 电机供给的自各交流电源以及由整流器、蓄电池和逆变器组成的交流不间断电 源。为了提高供电可靠性，重要通信网络一般都由两个变电站引入两路高压电 源，并且用专线引入，一路主用，另一路备用。为了不问断供电，一般都配有 油机发电机组。当市电中断时，通信设备可由油机发电机组供电。通过低压交 流配电屏把高压电源( i o k v ) 变为电压电源( 三相3 8 0 v ) ，可送到整流器、照 明设备和空调装置。为了确保通信电源不中断、无瞬变，已开始采用静止型交 流不问断电源。其一般由蓄电池、整流器、逆变器和静态开关等部分组成。市 电正常时市电经整流和逆变后，该通信设备供电，此时，蓄电池处于并联浮 充状态。当市电中断时，蓄电池通过逆变器( d c a c ) 给通信设备供电。逆变器 和市电的转换由交流静态开关完成。 第5 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第二章通信电源系统 通信设备的直流供电系统由整流器、蓄电池、直流变换器和直流配电屏等 部分组成。交流电经整流器输出，再通过直流配电屏与蓄电池和负载连接。当 通信设备需要多种不同数值的电压时，可采用直流变换器将基础电源的电压变 换为所需的电压。目前广泛采用的是并联浮充供电方式。将整流器与蓄电池并 联后对通信设备供电。在市电正常的情况下，整流器一方面给通信设备供电， 一方面又给蓄电池充电，以补充蓄电池因局部放电而失去的电量。当市电中断 时，蓄电池单独给通信设备供电。并联浮充供电方式的优点是结构简单、工作 可靠、供电效率也较高。但在这种工作方式下，浮充工作状态下，输出电压较 高，当蓄电池单独供电时，输出电压较低，因此负载电压变化范围较大。 为了提高通信质量、确保通信设备与人的安全，通信电源的交流和直流供 电系统都必须有良好的接地装置。对于三相交流电，为避免因三相负载不平衡 而使各相电压差别过大，三相电源的中性点应当直接接地。在直流供电系统中， 由于通信设备的需要，蓄电池的正极( 或负极) 必须接地。通常称为直流工作 接地。此外为了避免电源系统中金属外壳因绝缘损坏而带电，与带电部分绝缘 的金属外壳必须直接接地，称为保护接地。 2 、 分散供电方式电源系统组成 分散供电方式电源系统组成框图如图2 2 所示。采用分散供电方式时，交 图2 2 分散供电方式 f i g u r e2 - 2p a t t e r no fd e c e n t r a l i z i n gp o w e rs u p p l y 第6 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第二章通信电源系统 流供电系统仍采用集中供电方式，其组成与集中供电方式相同。而直流供电系 统可分楼层设置，也可按各通信系统设置。 分散供电方式具有一些显著的优点。适应了超大容量通信枢纽的要求，若 采用集中供电系统时，当电源出现故障，将造成大范围通信中断，从而产生巨 大的经济损失；可以大大缩短蓄电池与通信设备之间的距离，减小直流供电系 统的损耗：从电力室到各通信机房采用高电压交流市电供电，线路的损耗很小， 可以大大提高馈线的送电效率。 总之，将大型通信网络或高层通信中心的通信设备分为几部分，每一部分 都由容量合适的电源设备供电，不仅能充分发挥电源设备的性能，而且还能缩 小电源设备故障造成的影响，节约大量能量。 3 、混合供电方式电源系统的组成 光纤无人值守中继站和微波无人值守中继站，通常采用交流市电电源与太 阳能电源组成的混合供电方式。目前，通信容量较大的微波无人值守中继站， 为了降低电源系统的造价，普遍采用市电与无人值守油机发电机组相结合的交 流供电系统，也可以采用交流不问断供电系统微电脑控制器，以保证市电中断 后，立即启动油机发电，使交流电源不中断或只有一段时间中断。 2 2 开关整流器的基本原理 开关型整流器是工频整流电路与高频开关直流变换电路的组合应用。高频 开关工作的直流变换器用高频变压器来升压和绝缘，具有体积小、重量轻和低 损耗的特点。开关整流器是代替晶闸管整流器中常用的工频变压器的一种整流 方案，这种方案也称为无工频变压器方案，方案使整流器的体积和重量大为减 小，效率提高，输出电压的动态恢复时间缩短，稳压性能改善，有的电路方案 还设置了开关工作预调节电路，使输入电流波形大为改善，功率因数提高，性 能也更为完善。 厂 厂一1 1 电网侧整流电路 l 盲流变换电路 l 图2 3 开关整流器框图 f i g u r e2 - 3s t r u c t u r eo fs w i t c hr e c t l f i e r 开关型整流器的结构框图如图2 3 所示。从图中可见，开关型整流器由电 网侧工频整流电路预直流变换电路两个主要部分所组成。 蔓7 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第二章通信电源系统 整流电路先将交流输入电压( 如2 2 0 v 或3 8 0 v ) 直接整流、滤波或功率因 数校正( 预调节) ，得到较高的直流电压( 3 0 0 6 0 0 v ) ，再利用直流变换电路来 降低直流电压。直流交换电路由高频逆变电路( 包括高频变压器) 、高频整流电 路、高频滤波电路及控制电路四部分组成。由于变换电路中晶体管工作在2 0 k h z 以上的较高频率，可设计出体积功率比小的变压器，电网侧整流电路中的抗干 扰滤波电路既用于抑制变换电路中产生的高频电流脉冲成分对电网的干扰，又 用于抑制电网中出现的尖峰脉冲电压对开关整流器输出电压造成的尖峰脉冲电 压干扰。 图2 4 电路为三相交流电压输入的电网侧整流电路。三相电网电压经小电 南j l 一jl一 日卜_ u 口 q 卜一 r 瓢 b 卜 q h 】 l 一【j 【 c 一 j【 图2 4 三相电网侧整流电路 至直流变 换电路 感l ，k ，k 和小电容c ，c ：，c 。组成的射频抗干扰滤波器及v d ，v d 6 组成的三 相桥式整流电路和l ，c | ，c 。组成的平滑滤波器，在e d 两端获得直流电压u 。 l d 的电感设计得使市电侧输入电流交接近预正弦波，并使输入功率因数提高到 0 9 2 左右。由于省去了工频变压器，整流电路得内阻很小，效率很高，但接通 电源的初期会对大容量电解电容产生极大的冲击电流称为启动电流，该电流 可能使整流二极管及电解电容损坏，为此，需要在交流侧串入小阻值大电流的 启动电阻r ，r ，以限制启动冲击电流。待设备进入稳态运行后，触发双向晶 闸管，再将此启动电阻旁路，以减小启动电阻上长期的功率损耗。 双管单端正激变换器电路如图2 - - 5 所示，本电路虽只有两个晶体管，但因 同时导通和截止，变压器仍为单方向磁化，故属于单端电路。 图2 5 双管单端正激直流变换电路 f i g u r e2 - 5t r a n s f o r m i n gc i r c u i to fd i r e c tc u r r e n td o u b l ed i o d es i n g l ep o r t p o s i t i v es t i m u l a t i o n 第8 页共7 2 页 _ _ _ _ - - - _ _ _ - 一一 上海交通大学硕士学位论文 第二章通信电源系统 在导通期间，两个晶体管v t ，和v t ：同时导通，输入直流电压经两管加到变 压器初级端，使u ，+ = u 。变压器初级对应端( “。”) 电压极性为正，另端为负， 并流过初级电流i 。，变压器次级对应端( “。”) 的极性也为正，另一端为负。此 时高频整流二极管v d 。导通，将变压器次级电压u 。+ 输出，并流过次级电流i ；。 续流二极管v 仉此时受反压阻断。 在截止期间，两个晶体管v t l 和v t 2 同时截止，变压器初级电压为负，对应 端( “。”) 为负，另一端为正，变压器次级电压极性也改变，v d ，截止，滤波电 感储能经v d 维持续流电流。当变压器初级负电压的绝对值略超过直流输入电 压u 。时，变压器激磁电流在初级激磁电感中的储能通过会能二极管v d ，和v d 。反 馈给直流输入电压u 。，并使变压器初级负电压的绝对值筱位在输入电压u ，。可 见变压器电压波形的正电压期间与负电压期间幅值近似相等。 当忽略v d ，与v d 。的通态压降时，晶体管截止时所受电压为输入直流电压u 。 晶体管所承受的电压较低，在单相2 2 0 v 整流所得3 0 0 余伏直流输入电压情况下， 考虑安全余量后，用5 0 0 v 的晶体管就能可靠工作。 图2 6 是双正激式直流变换电路。v t 。，v t ：，v d 。，v d ：和v t 3 ，v t ，v 阢，v 矾 两个双管单端正激式直流变换电路的变压器初级侧电路在输入直流侧相串联， 每个单端正激式直流变换电路的输入直流电压为输入电压u 的半，即 u v 丁l u v l l 2 u c 】2 u 0 2 ：o 5 u i 这种电路中晶体管的耐压较低，当输入三相3 8 0 v 市电时，直接整流所得电压约 为6 0 0 v ，实用中选用不小于5 0 0 v 耐压的晶体管已有足够的耐压安全余量。本 电路变压器次级侧采用了整流和滤波后再并联的方式，每个单端正激变换电路 的输出电流为总输出电流的1 2 。 由于v t ，v t ，导通时间的相位于v t 。，v t 的相差为半周期，所以输出直流 电流和输出直流电压中的脉动电流和电压的频率较晶体管开关频率高一倍。同 理，输入总电压上的开关脉动频率也较c ，及c 。单个电容上电压的脉动频率高一 倍。 利用前面所提图2 4 和图2 6 可组成三相交流电压输入的开关型整流器 主电路，将电网侧电路的输出电压u 。接至图2 6 所示双正激直流变换电路的 图2 6 双正激直流变换电路 f i g u r e2 - 6t r a n s f o m s i n gc i r c u i to fd i r e c tc u r r e n td o u b l ep o s i t i v es t i m u l a t i o n 第9 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第二章通信电源系统 输入，成为输入电压u ，利用v i 。v t 4 组成的高频开关电路及高频变压器等将 6 0 0 v 左右的高压直流变为稳定的所需直流电压，如4 8 v 电压等级。 2 3 对电源系统和环境集中监控的要求和功能 对监控系统所要达到的一般要求如下： ( 1 )组成监控系统的各监控级应能实时监视其监控对象的状态，发现故 障及时告警。从故障事件发生到反映到有人值守监控级的时间间隔不应大于 3 0 s 。各监控级应有多事件、多点同时告警功能，告警准确度为1 0 0 。 ( 2 )监控系统的软件、硬件应采用模块化结构，使之具有最大的灵活性 和扩展性，以适应不同规模监控系统网络和不同数量监控对象的需要。 ( 3 )监控系统的采用不应影响被控设备的正常工作，不应改变具有内部 自动控制功能的设备的原有功能。监控系统对被控设备进行控制或参数设定时， 其控制值应始终保持在安全极限以内。 ( 4 )监控系统应具有良好的电磁兼容性。被监控设备处于任何工作状态 下，监控系统都应能正常工作，监控设备不应产生影响被监控设备正常工作的 电磁干扰。 ( 5 )监控系统应有自诊断功能，诊断出故障及时告警。监控设备故障时 不应影响被控设备的正常工作和手动控制功能。 ( 6 )监控系统硬件应采用交流不间断电源或直流不问断电源供电，以防 市电停电而中断工作。 ( 7 )监控系统应具有良好的人机对话界面和汉字支持功能，安装容易， 使用方便。故障告警应有明显清晰的可视闻信号。 ( 8 )监控系统的测量精度要求为：电量一般为2 ( 直流电压包括蓄电 池电压应为0 5 ) ；非电量一般为5 。 监控系统所要求达到的功能： ( 1 )对电源系统与环境设备运行参数集中维护管理 通常通讯设备所需监测和监控的参数可以分为四类：模拟输入信号、数字 输入信号、数字输出信号、模拟输出信号。 模拟输入信号：即遥测信号，例如电压值、电流值、电池电压值等。 数字输入信号：即遥测信号，表示的量值只有两种状态一一开或关，正确 或错误，例如整流器告警输出等。 数字输出信号：即遥控信号，通过高一级的维护管理中心对下一级的通讯 动力设备进行操作，改变远端设备的工作状态，例如开启远端备用油机等。 模拟输出信号：即遥调信号。对输出模拟量可进行连续调整，来满足要求。 通常这些电信设备所需监测和监控的参量信号的数量大、种类多、分布情 况各异。而在旧的维护管理体系中，需要发费大量人力和物力进行维护工作。 在设备大量增加、智能化程度大大提高的情况下，实现计算机化的集中维护管 理势在必行。 ( 2 )对电源系统与环境设备故障的实时、高效、准确维护管理 监控系统在确认故障发生后几秒钟，甚至在更短的时间内可向监控终端发 出告警信号。此时，操作人员通过监控网络在远端响应，确认告警。同时分析 故障的原因，做出及时、准确的判断。这使操作人员在按到告警后就可确认需 第1 0 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第二章通信电源系统 要什么样的工具、配件，去什么地方，解决什么问题。从而可以保障设备有效 地工作和大大降低维护费用。 ( 3 )对电源系统与环境设备的开放性维护管理 目前，我国电源系统与环境设备的种类繁多，考虑到对电源系统和环境设 备的开放性维护管理是非常必要的。 ( 4 ) 对电源系统与环境设备的扩展性维护管理 随着通信事业的不断发展，我国的各类通信设备也会不断扩充，相应的电 源设备及其它辅助设备也在不断增加。故监控系统应具有较高的可扩充性，满 足通信规模的日益增长。 2 4 本章小结 本章描述通信电源系统三种供电方式：集中供电方式、分散供电方式和混 合供电方式，简要说明了它们的组成结构和工作特点。接着对目前电源系统中 应用较广泛的开关整流器的工作原理和电路结构作了讲解。最后提出了对电源 设备进行监控所应该达到的要求和功能。这样读者对电源监控系统的工作环境 和工作目的有了一个较全面的了解。 第1 1 页共7 2 页 上坶交通大学硕士学位论文第三章电源监控系统的设计 第三章电源监控系统的设计 3 1 监控系统的性能要求 本监控系统主要针对i n t e r g y 小型电源系统而开发的，实现对该电源系 统的集中监控管理。i n t e r g y 小型电源系统主要用于微波通信设备供电，将 电池温度 环境温度 图3 1 电源系统功能框图 f i g u r e3 - 1b l o c kd i a g r a mo fp o w e rs y s t e m 市电经整流变换成- - 4 8 v 的直流电压，该电源系统功能框图如图3 一l 所示。 本电源系统由市电供电，交流电经系统机架的背板输入，提供给整流器模 第1 2 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文第三章电源监控系统的设计 块，整流器将交流进行a c 变换后成为一4 8 v 直流电，再通过接于机架的汇 流排送出。当电源系统配有备用蓄电池组时，蓄电池组也在汇流排处接入，这 样蓄电池组的输入与整流器模块输出并联，可以保证当市电断电或整流器故障 而无直流输出时，后备蓄电池组能向通信设备继续供电，确保通讯的顺利进行： 同时在正常情况下，使蓄电池组处于充电状态。 出于保护蓄电池组的目的，在蓄电池组的前面接有低压脱离控制部分 ( l v d ) 。当蓄电池组供电时，若蓄电池阻的输出电压或放电量低于要求的电压 门限或放电门限时，可控制l v d 切断与蓄电池组的连接，停止蓄电池组的供电， 防止园蓄电池组超负荷运行而导致性能下降。 电源系统中整流器模块、蓄电池组等的参数通过机架背板上的一6 4 芯插座 输入前置控制单元，完成对参数的检测与控制、液晶显示等。而且该控制单元 还可利用温度传感器可对电源设备温度和环境温度采集，获取必要的环境参数。 通过r s 4 8 5 总线实现主从工作模式，扩充可监控的整流器模块的数目；同时还 提供了与远程监控网连接的通信接口，实现远程监控功能。 监控系统的主要指标和功能： 1 ) 每个前置控制单元最多能监控6 各整流器模块。 2 ) 构成主从系统( 1 主和3 从) 时，最多能监控的整流器模块个数是2 4 个。 3 ) 声光告警功能 本监控系统的告警级别分三类：正常状态级别，亮绿灯，无告警信息， 系统工作正常；一般告警级别。亮黄灯，有告警信息，但属于一般故障：紧 急告警级别，亮红灯，有紧急事故报警，告警级别最高，需优先处理。在紧 急告警事故发生时，还可选择是否启动蜂呜器来发声告警。 4 ) 手动均充控制可人为设置整流器的输出电压，对蓄电池组进行人工充 电。 充电电压范围4 5 6 v - 5 7 5 v 充电时间范围1 m i n 1 4 4 0 m i n 5 ) 周期均充控制可周期性设置整流器模块的输出电压，实现对蓄电池组 的周期充电。 充电电压范围4 5 v 5 8 v 充电时间范围i m i n - - 1 4 4 0 m i n 充电周期范围1 d a y 3 6 0 d a y 6 ) 快速充电当蓄电池放过电，放电门限和放电电压门限已低于所设门限 值，同时市电供电及整流器输出正常，调节整流器模块的输出电压对蓄电池 组快速充电进行补偿。 充电电压范围4 5 v 5 8 v 充电时间范围l m i n 1 4 4 0 m i n 放电门限范围 1 2 0 0 电压门限范围4 6 v 5 7 v 再充门限范围5 0 1 5 0 7 ) 低压脱离控制 脱离电压范围4 5 v 5 8 v 重接电压范围 4 5 v 0 5 8 v 辨别时间范围1 m i n - 舶0 m i n 第1 3 页共7 2 页 、 上海交通大学硕士学位论文 第三章电源监控系统的设计 8 ) 温度补偿根据温度的差异，对整流器输出电压进行微调。 补偿斜率范围一1 0 0 m v f c ，节 参考温度范围- - 2 0 c 7 0 c 低温门限范围- - 2 0 c 7 0 c 高温门限范围- - 2 0 c 7 0 c 9 ) 电池测试可测试蓄电池组充放电的运行情况，对其性能进行评估。 持续时间范围l m i n - 1 4 4 0 “n 终止电压范围4 5 v - 5 7 v 测试周期范围0 d a y 3 6 0 d a y 1 0 ) 电池限流 电池电流检测，将其限制在允许范围内。 限流门限范围1 1 0 0 1 1 ) 整流器输出电压控制精度o 5 1 2 ) 整流器模块开关功能 1 3 ) 通信功能r s 2 3 2 r s 4 8 5 实现本地或远程监控功能，还可由r s 2 3 2 通 过m o d e m 拨号实现远程监控。 1 4 ) 告警功能对电源系统的各个状态进行检测，给出告警信息( 不仅主控 制单元的告警信息，还应包括从控制单元的告警信息) 。同时具有告警参数 记录功能。 3 2 监控系统的体系结构 本监控系统在结构上是一个多级的分布式计算机监控网络，每个监控级一 般按照辐射方式与若干下级监控级连接成一对多的监控系统，最低一级为电源 设备的监控单元与其监控的若干电源设备的连接。对于监控网络的分级结构， 可以根据地理位置和需求关系将监控网络划分为合适的层次结构。 图3 2 监控系统体系结构 f i g u r e3 - 2s y s t e ms t r u c t u r eo fs u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 目前本监控系统共分为三个层次，即：前置控制单元，局站监控管理中心 第1 4 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第三章电源监控系统的设计 和区域监控管理中心。三者间连接关系如图3 2 所示。 前置控制单元与被监控的电源设备直接相连的监控级，是最基本的监控级。 用于对被监控电源设备的工作状态进行监视；跟踪测量被控对象的运行参数， 并进行采集与存储，同时对己采集的数据进行筛选处理：还能接收和执行局站 监控中心的各种监测和控制命令，并向局站监控中心传送各类信息；对被监控 的电源设备的运行过程实施必要的控制。前置控制单元具有与被监控电源设备 连接的模拟量输入输出，数字量输入输出接口和与局站监控中心连接的通信接 口。同时还可通过前置控制单元上的通信接口和工作模式的设置，串接几个前 置控制单元形成一主从控制模式的复式前置控制单元，动态扩充可监控电源设 备的容量。 局站监控中心用于对局站内各前置控制单元进行监控管理，主要功能是向 前置控制单元传送监测和控制命令；负责接收汇总本地各前置控制单元所收集 的电源设备的工作状态数据和告警信息，进行数据处理、存储、显示、打印等； 使维护人员能及时掌握情况，进行维护管理；同时定时或按照区域监控中心的 命令向区域监控中心传送有关信息。局站监控中心应具有与前置控制单元和区 域监控中心连接的通信接口。 区域监控中心用于对整个区域内各局站监控中心及前置控制单元进行监控 管理，监视区域内电源设备的运行状况，协调管理。其主要功能向局站监控中 心或通过局站监控中心向前置控制单元发送监测和控制命令：汇总各局站监控 圈3 3 监控系统功能结构 l 区 域 监 控 系 统 局 站 监 控 系 百统 系i 统0 1 ， 1 f i g u r e3 - 3f u n c t i o ns t r u c t u r eo fs u p e r v i s i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 中心所传来的各种数据；进行数据显示、存储、打印，对数据进行统计和分析， 为有效的管理电源系统提供依据；和其它区域监控中心交换信息。区域监控中 第1 5 页共7 2 页 上海交通大学硕士学位论文 第三章电源监控系统的设计 心须具有与局站监控中心和其它区域监控中心的通信接口。 前置控制单元和若干电源设备组成前置控制系统，主要实现对被监控电源 系统的采集控制功能，其直接面向被监控对象，属于低层次的控制功能范畴。 局站监控中心和若干所属前置控制单元组成局站监控系统，而区域监控中心和 一些所属的局站监控中心及以下监控级形成区域监控系统，这两种监控系统不 仅包含低层次的采集控制作用，更重要的实现了对所监控的电源系统的集中管 理功能，属于是高层次的管理功能范畴。本监控系统功能划分如图3 3 所示。 这样局站监控中心和区域监控中心形成一分布式监控管理中心网络。组成 一个有效的从局部到全局，从下而上的完善监控体系。每一级有若干相互平行 的独立子系统，负责各自范围内的监控管理任务。上级系统可对下级子系统的 数据统一管理，合理配置。这样既增强了工作效率，又保证子系统的相互独立 性，当发生故障时可不相互影响，使得系统的可靠性、健壮性得以提高。 3 3 监控系统的硬件结构设计 本监控系统中硬件分为：前置控制单元和监控管理中心两大类。前置控制 单元是一块自行设计的以单片机( m c d 为核心监控板通过一6 4 芯插座可十 分方便地插入电源设备的机架中。而监控中心则是以p c 机为硬件平台完成监 控管理功能。下面对上述两类硬件的设计与实现进行详细描述。 3 3 1 前置控制单元的硬件设计 本前置控制单元的硬件结构如图3 4 所示。主要实现对市电，电源设备的 数字模拟输 模拟输 量 继电 器组 图3 4 前置控制单元硬件结构 f i g u r e3 - 4h a r d w a r es t r u c t u r eo f t h ef o r m e rc o n t r o lc e ll 输出直流电压、电流，整流器模块输出电流及备用蓄电池组的输出电压、电流 第1 6 页共7 2 页 上海交通大学硬士学位论文 第三章电源监控系统的设计 等模拟量及环境温度、设备温度等环境数据进行采集，通过a d 变换为数字量， 并与用户预设值告警门限进行比较，若超出正常要求范围则报警。本电源系统 中整流器模块的输出电压是可动态调控，使之满足系统控制要求。同时也对市 电的有无，整流模块的开关状态，l v d 告警等数字输入量进行检测。接收监 控中心的命令，对蓄电池组进行管理，监控均充、浮充、快充等各种充电过程。 此外，还有与监控网络进行通信，控制液晶的显示，接受面板键盘的操作，通 过继电器完成对柴油机、空调等外围设备的管理等功能。 本前置控制单元根据功能可分为五部分：中央处理部分、数据采集部分、 输出控制部分、通信接口部分和l c d 显示及键盘操作部分。 3 3 1 1 中央处理部分 中央处理部分以日立公司的h 8 s 2 1 4 4 单片机为中心，包括一些该单片机的 外围电路，主要是对采集数据进行处理，响应来自监控中心的命令，完成对电 源系统的控制操作( 即包括对整流器模块、蓄电池组等的操作管理) 。而且该部 分也是整个前置控制单元的核心，是前置控制软件运行的硬件平台。 1 、h 8 s 2 1 4 4 单片机系统结构 h 8 s 2 1 4 4 单片机是建立在h 8 s 2 0 0 0 c p u 基础上，h 8 s 2 0 0 0 c p u 是一种具有 3 2 位体系结构的高速中央处理单元，非常适合实时控制操作。该高速c p u 有以 下几个特点 1 0 。 有1 6 个1 6 位通用寄存器，也可用作1 6 个8 位寄存器或8 个3 2 位寄存 器。 高速指令集，6 5 种基本指令类型，包括8 1 6 3 2 位算术、逻辑运算指令； 乘除运算指令；功能强大的位操作指令等。 8 种寻址模式，可达1 6 m b 的寻址空间。 高速操作能力。 所有常规指令可在l 或2 个时钟周期内完成。 最大时钟频率：2 0 m h z 。 8 1 6 3 2 位加法减法：5 0 n s 8 x 8 位乘法：6 0 0 n s 1 6 8 位除法：6 0 0 n s 1 6 1 6 位乘法：1 0 0 0 n s 3 2 1 6 位除法：1 0 0 0 n s 正常模式和高级模式两种c p u 操作模式。 低功耗操作方式。 h 8 s 2 1 4 4 单片机具有8 个3 2 位通用寄存器( e r o e r 7 ) ，可以作为数据寄 存器和地址寄存器使用。它们也可作为8 1 6 位寄存器访问。还有2 4 位程序计 数器p c 、8 位条件寄存器c c r 和8 位扩充控制寄存器e x r 。堆栈指针由e r 7 来 承担 1 5 。 h 8 s 2 1 4 4 单片机的存储空间有两种形式：正常模式( 6 4 k b ) 和高级模式 ( 1 6 m b ) ，其r a f t 、r o m 和i o 采用统一寻址方式。本单片机有3 种工作方式， 可由引脚m d o 和m d l 进行选择，这些引脚的输入决定了c p u 的操作模式，片内 r o m 的允许或禁止，寻址空间的大小。方式1 中，单片机可访问6 4 l ( b 的地址空 间，但无片内r o m ；在方式2 ，带片内r o m ，1 6 船的地址访问空间；方式3 下， 带片内r o m , 6 4 k b 的地址空间。图3 5 显示了在这3 种工作方式下的存储区映 射。 第1 7 页共7 2 页 上海交通大学顾士学位论文第三章电源监控系统的设计 l i o a l l k , 1 匡l i 尉口，芒：田，日妒e = a 呻矗e ，口屯= 1i 岫 i l i h ：x p e ：_ t m o l m l l - l 芦r 啊蚶m 叫忡耵一h 脚由dm 口d -e 1 1 l i - l l 阻li l n g l l c r , pi l o d l c m 打m u c t n 喇删自帆叫啊，c h 咱m ，d 畸 l i b d r h ：m p r o m d i 岫】 啪谢忡舶一i l l , l i d im 帅f 舶_ 呻 日哪 i , k i w v o m r i m 2 “q n - o n - t p m l n b m