電力操作電源智能電池巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

國(guó)際金屬加工網(wǎng)

1 引言
　　電力操作電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行而產(chǎn)生的，該系統(tǒng)可以對(duì)變電站中的交流供電電源、直流控制電源、備用操作電源以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)逮百、故障報(bào)警等操作。從而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的異常情況镀翁，提前做好防范以保證電力系統(tǒng)連續(xù)可靠地運(yùn)行氯北。同時(shí)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)為繼電器以及斷路器等二次設(shè)備提供備用操作電源卸悼，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)框全。
　　電池巡檢儀是備用電源的檢測(cè)裝置，主要的功能是對(duì)單體電池的電壓干签、溫度津辩、容量等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，提供充電控制以及故障報(bào)警等功能容劳，從而可以合理地控制電池喘沿，延長(zhǎng)電池使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性竭贩。
　　電源監(jiān)控系統(tǒng)起步于80年代末蚜印，當(dāng)時(shí)它只能監(jiān)控一個(gè)獨(dú)立的直流供電系統(tǒng)或一個(gè)局（站），且電源監(jiān)控水平不高留量，可靠性較低窄赋。90年代以后尤其是近幾年來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)楼熄、通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和電源裝備水平的提高忆绰，電源監(jiān)控也逐漸成熟起來(lái)浩峡，發(fā)展到可以監(jiān)控多回路甚至是多個(gè)系統(tǒng)。
　　電力操作電源監(jiān)控系統(tǒng)配合合理的控制器律馏，通過(guò)控制高壓斷路器以及其他的繼電器設(shè)備村钧，可以完全實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和自動(dòng)調(diào)度，從而滿(mǎn)足現(xiàn)代化電力調(diào)度的需要腥浪。
　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
　　此電源管理儀器主要用于中小型變電站的操作電源以及備用電源的監(jiān)測(cè)和管理臊骂，為了更好的節(jié)約備用電池的能源，選擇低功耗的MSP430F149微控制器作為設(shè)備的處理器伸四。
　　2.1 采樣模塊
　　交流模塊采用ATT7022B交流三相電能計(jì)量器件處理交流部分的有功功率云拔、無(wú)功功率、諧波淡班、電壓足曹、電流等參數(shù)。ATT7022B價(jià)格比較便宜葵伟，而且具有SPI（serial peripheral interface林品，串行外圍設(shè)備接口）接口词惭，能夠方便地與MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行通信夕谬。
　　開(kāi)關(guān)量監(jiān)控，包括交流斷路器分合閘狀態(tài)（主扣墩、備用電源共兩路）哲银、交流控制電源8路、直流斷路器的分合狀態(tài)呻惕。
　　直流量監(jiān)控荆责，包括環(huán)境溫度、電池溫度亚脆、單片機(jī)溫度做院、單體電池電壓、直流合閘電源2路濒持、操作電壓和合閘電流键耕。
　　2.2 人機(jī)接口模塊
　　鍵盤(pán)是主要的輸入來(lái)源。為了節(jié)約成本柑营，系統(tǒng)采用掃描方式實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)屈雄，采用中文液晶顯示。
　　2.3 通信模塊
　　由于單片機(jī)內(nèi)具有UART,因此采用RS-232串行通信方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信官套。為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)電平匹配酒奶，采用SP3220E作為接口電平轉(zhuǎn)換器。設(shè)備的工藝流程如圖1所示奶赔。
　　
根據(jù)圖1纪孔，由交流電壓到直流電壓的順序介紹系統(tǒng)的工藝過(guò)程眠亿。
　　蓄電池組管理。整流后的電壓一般高于蓄電池組電壓以供電池組充電孝尺，當(dāng)其用于工作電源時(shí)陵租，可通過(guò)二極管對(duì)其進(jìn)行降壓，K1洼宪、K2等開(kāi)關(guān)用于選擇降壓值育床，其通斷由處理器控制，處理器對(duì)電池組中單個(gè)電池狀況進(jìn)行巡回檢測(cè)绒霹，實(shí)時(shí)反應(yīng)電池的使用狀態(tài)松浆，便于及時(shí)了解電池狀況。
　　交流參數(shù)檢測(cè)擅啸。系統(tǒng)采用專(zhuān)用的電能計(jì)量器件ATT7022B對(duì)交流電網(wǎng)的電壓旧晴、電流、有功功率碎领、功率因數(shù)遮尚、諧波等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)該器件自帶的SPI接口與單片機(jī)相連挡毅。
　　管理系統(tǒng)與上位機(jī)以串行方式通信蒜撮。上位機(jī)可對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并能修改控制參數(shù)跪呈，從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)段磨、遙信、遙控耗绿、遙調(diào)等四種遙控功能苹支。
　　設(shè)備的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要功能模塊包括：
　　
（1）對(duì)交流側(cè)母線(xiàn)電壓误阻、電流债蜜、諧波等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)交流電路進(jìn)行采樣究反，對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（一個(gè)周期采樣20～0次）寻定，計(jì)算出線(xiàn)路的有功功率、無(wú)功功率以及線(xiàn)路的功率因素奴紧。這些功能可以采用一個(gè)ATT7022B來(lái)實(shí)現(xiàn)特姐。
　　（2）對(duì)整流后的直流操作電源線(xiàn)路進(jìn)行監(jiān)測(cè)冬蝶。監(jiān)測(cè)其電壓裁鸦、合閘電流以及操作電源是否發(fā)生故障等。同時(shí)瘟气，可以采用監(jiān)測(cè)得到的電壓作為二極管自動(dòng)調(diào)壓的依據(jù)肮脱，實(shí)現(xiàn)操作電源自動(dòng)分檔調(diào)壓档改。
　　（3）對(duì)備用操作電源設(shè)備（蓄電池）進(jìn)行巡回檢測(cè)（對(duì)單體電池檢測(cè)）夜痊，了解電池電量以及相關(guān)參數(shù)并及時(shí)更換電池谅囚，控制電池充放電狀態(tài)．使電池保持最佳狀態(tài)，有效地延長(zhǎng)電池的使用壽命淆捆。
　⌒鄯馈（4）由于設(shè)備的功能鍵盤(pán)需求不多，可以采用單片機(jī)通用I／O口擴(kuò)展的矩陣鍵盤(pán)暑懊，顯示部分采用中文液晶顯示模塊康局。
　　（5）采用串行通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信蜒金，可以遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)蟆盐。
　　根據(jù)系統(tǒng)的工藝過(guò)程可以知道，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有三大模塊：交流數(shù)據(jù)采樣模塊遭殉、蓄電池組管理模塊以及直流操作電源信號(hào)分析模塊石挂，另外還有其他小模塊如：顯示、鍵盤(pán)险污、通信模塊等痹愚，前三大模塊并列運(yùn)行，按巡回方式采樣罗心。由定時(shí)器設(shè)定采樣時(shí)間里伯。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如圖3所示城瞎。
MSP430系列單片機(jī)具有三種低功耗模式渤闷，為了減少能耗，可采用中斷方式脖镀。系統(tǒng)工作流程如圖4所示飒箭。
　　
3 模塊子系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案
　　3.1 直流采樣硬件設(shè)計(jì)
　　直流采樣部分主要包括電池充放電控制、監(jiān)測(cè)以及整流后對(duì)操作電壓蜒灰、電流的監(jiān)測(cè)弦蹂。對(duì)電池的管理還包括其溫度、電壓蜗原、容量等瀑红。此外，故障報(bào)警電路也屬于直流模塊嗤锯。直流采樣電路可分為電池巡檢電路贼扩、整流直流電源監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)量輸入及控制量輸出等硬件設(shè)計(jì)部分钉栈。
　　電池巡檢電路包括電池單體電壓監(jiān)測(cè)璧酣、溫度檢測(cè)具雹、電池充放電以及報(bào)警電路。電池單體電壓監(jiān)測(cè)包括采樣電路設(shè)計(jì)和巡檢邏輯電路扑诈。溫度檢測(cè)電路主要分為三路衔系，分別為環(huán)境溫度、電池組溫度很刃、單片機(jī)內(nèi)部溫度砾褂，共采用三路A／D轉(zhuǎn)換器。電池充電回路采用高頻開(kāi)關(guān)整流電源對(duì)其充電昼浦，部分采用高頻開(kāi)關(guān)充電器作為充電電源刹碾，采用繼電器控制電池組充電。當(dāng)正常供電時(shí)座柱，高頻開(kāi)關(guān)電源直接給二次電路繼電器供電迷帜，一旦主電源出現(xiàn)故障，立即采用備用電源以防止事故的發(fā)生色洞，電池組處于常備用狀態(tài)戏锹。報(bào)警電路主要驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)報(bào)警發(fā)光二極管，從而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能火诸。
整流直流電源監(jiān)測(cè)包括電壓電流監(jiān)測(cè)和操作電源自動(dòng)調(diào)壓控制锦针。直流電壓監(jiān)測(cè)可以采用與單體電池電壓采樣相同的電阻分壓方式，可以與單體電池電壓進(jìn)行共地置蜀。操作電源包括所有二次測(cè)的動(dòng)作電壓奈搜，由高頻開(kāi)關(guān)電源提供。
　　開(kāi)關(guān)量輸入及控制量輸出主要由信號(hào)調(diào)節(jié)電路盯荤、控制邏輯電路馋吗、驅(qū)動(dòng)電路、地址譯碼電路秋秤、隔離電路等組成福咙，控制量的輸出電路構(gòu)造與之基本相同。
　　3.2 交流采樣硬件設(shè)計(jì)
　　交流部分主要用于對(duì)交流供電電路的電壓纷辈、電流秋孕、功率、諧波等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膛躁，以保證供電電路的安全運(yùn)行绞胡，并實(shí)時(shí)地了解三相交流電源的狀況，消耗的電能以及無(wú)功赢虚、功率因素等參數(shù)覆逊，一旦電源出現(xiàn)故障，可以及時(shí)采取故障處理措施剧么。在本設(shè)計(jì)中涵蔓，交流模塊的采樣和計(jì)算均由多功能三相電能計(jì)量器件ATT7022B實(shí)現(xiàn)沧蛉。為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用外部電源結(jié)合電池組同時(shí)供電的方式滋遗。
　　3.3 通信及人機(jī)接口電路硬件設(shè)計(jì)
　　該電路設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)和串行通信接口電路設(shè)計(jì)兩部分蟀思。人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)主要包括鍵盤(pán)矩陣電路和液晶顯示電路。鍵盤(pán)矩陣電路主要用于輸入數(shù)據(jù)溉跃，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互村刨，該系統(tǒng)的鍵盤(pán)設(shè)計(jì)是采用掃描方式實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)。液晶顯示電路作為重要的人機(jī)接口元件在智能設(shè)備中是非常重要的撰茎，本設(shè)計(jì)采用LCM 12864ZK中文液晶顯示屏嵌牺。通信接口電路設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)與主機(jī)以及與操作者之間的信息交流部分。本系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用UART異步通信方式龄糊。
　　4 軟件設(shè)計(jì)
　　4.1 直流模塊軟件設(shè)計(jì)
　　由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)逆粹，所以各個(gè)模塊可以獨(dú)立編程。直流模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)單體電池電壓炫惩、溫度以及系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制等參數(shù)進(jìn)行采樣．涉及到采樣的巡回時(shí)間間隔僻弹、溫度巡檢時(shí)間間隔、數(shù)據(jù)處理方式等內(nèi)容他嚷。
　√Ｕ馈（1）電池巡檢回路的監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)電池的單體電壓、電池溫度筋蓖、環(huán)境溫度以及電池的充放電狀態(tài)等參數(shù)的測(cè)量卸耘。溫度檢測(cè)共包括三個(gè)子程序，采用中斷方式進(jìn)入溫度采集子模塊孟若，實(shí)現(xiàn)溫度采集笙铸。
　　（2）整流直流母線(xiàn)電源的監(jiān)控包括電壓電流監(jiān)測(cè)和操作電源自動(dòng)調(diào)壓裝置药屠。該軟件模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要包括電壓檢測(cè)新俗、合閘電流檢測(cè)以及操作電源自動(dòng)調(diào)壓裝置三部分誊桅。
　　4.2 交流采樣軟件設(shè)計(jì)
　　交流采樣部分用于對(duì)交流供電電路的電壓崇旺、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理难踱，以獲得電網(wǎng)的有功功率设哀、無(wú)功功率、諧波等參數(shù)刷络。這些功能都可以用一個(gè)專(zhuān)用電能計(jì)量器件ATT7022B實(shí)現(xiàn)甥迷。
　　4.3 通信及人機(jī)接口軟件設(shè)計(jì)
　　人機(jī)接口是系統(tǒng)和用戶(hù)之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換丽优。人機(jī)接口是智能設(shè)備中不可缺少的部分．它是了解與控制智能設(shè)備的關(guān)鍵歹恬，本設(shè)計(jì)中主要包括鍵盤(pán)設(shè)計(jì)腾蔼、液晶中文顯示兩個(gè)部分。
　　鍵盤(pán)輸入部分由矩陣掃描鍵盤(pán)晌该、鍵盤(pán)總共設(shè)置10個(gè)功能鍵肥荔，包括：系統(tǒng)復(fù)位、電池參數(shù)顯示朝群、交流參數(shù)顯示燕耿、直流參數(shù)顯示、開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示姜胖、溫度顯示誉帅、上翻、下翻右莱、報(bào)警狀態(tài)復(fù)位蚜锨。另外，還留有一個(gè)供擴(kuò)展的鍵盤(pán)慢蜓。
　　結(jié)合鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)踏志，液晶顯示的模式采用默認(rèn)和中斷處理兩種方法，在沒(méi)有任何鍵輸入的情況下胀瞪，液晶模塊顯示交流采樣數(shù)據(jù)：一旦有鍵輸入针余，如電池巡檢參數(shù)顯示，顯示模塊則立即進(jìn)入電池參數(shù)顯示狀態(tài)领明。
　　串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信标宪，從而將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理和控制。
4.4 主程序處理模塊
　　主程序處理模塊作為系統(tǒng)的框架袋凶，主要負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)處理和數(shù)據(jù)交互励普。主程序處理模塊首先初始化，主要包括對(duì)單片機(jī)各個(gè)引腳功能的定義以及相應(yīng)寄存器的賦值弦捶，這其中還包括對(duì)各個(gè)功能模塊控制寄存器的賦值和參數(shù)的設(shè)定铜氛。然后進(jìn)入主程序的處理過(guò)程，這中間包括SPI通信和液晶顯示兩個(gè)模塊党砸。主程序處理流程如圖5所示蟀委。整個(gè)程序基本采用中斷服務(wù)結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)中斷程序與主程序之間的數(shù)據(jù)交互莉狠，系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)亩x一些全局變量和全局緩存區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互猜艇。
　　主程序經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)定后立即進(jìn)入SPI通信，將交流數(shù)據(jù)的值存入單片機(jī)寄存器中堪俩，保存并進(jìn)行參數(shù)整定跳昼，然后立即進(jìn)行開(kāi)關(guān)量狀態(tài)的掃描（掃描I／O狀態(tài)）。
　　由圖5可以看出，主程序處理只有兩個(gè)簡(jiǎn)單的功能模塊鹅颊，然后是負(fù)責(zé)標(biāo)志判斷和標(biāo)志設(shè)置敷存。另外就是從指定的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)暫存到指定的緩沖區(qū)。其他所有的功能模塊都由中斷處理來(lái)完成堪伍，主程序只對(duì)這些模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互历帚。
　　
5 結(jié)束語(yǔ)
　　該系統(tǒng)是基于MSP430F149單片機(jī)的一個(gè)多任務(wù)處理系統(tǒng)，主要面向中小型變電站的自動(dòng)化運(yùn)行綜合管理杠娱，具有專(zhuān)用性強(qiáng)挽牢、可靠性高以及造價(jià)低等特點(diǎn)。該系統(tǒng)包括蓄電池組單體電壓測(cè)量摊求、電池以及環(huán)境溫度檢測(cè)禽拔、操作電源電壓及電流檢測(cè)、交流電壓（電流室叉、功率因數(shù)）的檢測(cè)（SPI通信部分）睹栖、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)檢測(cè)、操作電源自動(dòng)調(diào)壓控制茧痕、電池低壓自動(dòng)充電控制宜切、鍵盤(pán)及顯示、通信等共9個(gè)主體模塊慢况，同時(shí)還保留有一定的擴(kuò)展空間孤咏，基本上能夠滿(mǎn)足中小型變電站的檢測(cè)與控制需要。另外阀秤。由于該系統(tǒng)的處理器具有運(yùn)行可靠和多種低功耗運(yùn)行模式山刨，所以特別適用于變電站這種能量控制單位的使用。

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電源電池開(kāi)關(guān)繼電器鍵盤(pán)能源

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