基于微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的檢測設(shè)備方案設(shè)計(jì)

1    概述

    發(fā)電廠、變電站中的直流系統(tǒng)正常情況下給控制、保護(hù)電路供電，事故情況下，在交流電源全停時(shí)，要保證1～2h的供電時(shí)間，而且要求提供給直流母線的電壓不低于額定值的90％。該備用容量由蓄電池組提供，蓄電池組的使用壽命和有效容量取決于充電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)（穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)）。在充電機(jī)長達(dá)10～20年的使用中，技術(shù)指標(biāo)不可避免地會發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會造成蓄電池組充電容量不足，在變電站交流停電時(shí)，蓄電池組不能可靠地供電，而導(dǎo)致全站保護(hù)及開關(guān)拒動，造成主設(shè)備損壞、電網(wǎng)瓦解等重大事故。

    目前電力系統(tǒng)中運(yùn)行的直流充電設(shè)備達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，都是由生產(chǎn)廠家在設(shè)備出廠試驗(yàn)時(shí)提供的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場檢修維護(hù)人員因不具備相應(yīng)的測試手段，難以確認(rèn)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。而且隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)會發(fā)生偏移，典型的后果是因充電機(jī)指標(biāo)下降，穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波系數(shù)超標(biāo)，造成蓄電池失效，直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

    因此，有必要研制一種采用微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的檢測設(shè)備，通過對充電機(jī)等被測設(shè)備的交流輸入電壓、輸出負(fù)載按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)檢測裝置自動進(jìn)行采樣計(jì)算，組成一個(gè)可移動的自動化檢測系統(tǒng)，以便對直流電源設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場的全面測試。

2    總體方案

2.1    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2    技術(shù)指標(biāo)

    三相交流輸入電壓    380V，50Hz；

    三相交流輸出電壓    342V、380V、418V；

    直流輸出穩(wěn)壓時(shí)電流    0～50A；

    直流輸出穩(wěn)流時(shí)電壓    180～300V；

    紋波峰峰值范圍為    1.5～5.5V；

    測量精度

    測量穩(wěn)壓精度時(shí)，直流電壓測量精度≤±0.5％，紋波電壓精度≤±0.5％；

    測量穩(wěn)流精度時(shí)，直流電流測量精度≤±0.5％。

3    主要技術(shù)問題及解決

3.1    采集精度

3.1.1    采集精度的要求

    電壓、電流信號采集是本系統(tǒng)一切控制、測量及計(jì)算的基礎(chǔ)，對充電機(jī)輸出直流電壓波形進(jìn)行高速采集，且采集精度高，是該系統(tǒng)能否研制成功的關(guān)鍵。

3.1.2    保證采集精度的措施

    1）電流、電壓采樣元件選用高質(zhì)量霍爾傳感器，具有高波形保真率、快速響應(yīng)，良好的電氣隔離等特點(diǎn)。

    2）來自傳感器的電壓，電流信號經(jīng)同相放大、有源濾波等模擬信號電路處理后，送至A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由數(shù)據(jù)總線送入中央處理器。由于A/D的時(shí)鐘為工頻整倍數(shù)，所以能抑制工頻干擾。模擬信號處理電路選用高精度、低溫度漂移系數(shù)、耐干擾性能好的器件組成。

    3）紋波電壓信號經(jīng)帶通濾波、峰值保持等處理后，到高速A/DTLC2543進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí)間<10μs，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由數(shù)據(jù)總線送入中央處理器，進(jìn)行處理。

3.2    抗干擾

    由于該監(jiān)控系統(tǒng)工作于強(qiáng)電磁輻射環(huán)境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統(tǒng)，輕則會引起誤報(bào)，嚴(yán)重時(shí)就會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，甚至造成重大事故。為此，本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面考慮抗干擾措施，以保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3.2.1    硬件抗干擾措施

    1）光電隔離在輸入和輸出通道上，采用光電耦合器件進(jìn)行信號隔離傳輸，這樣一來可以較好地防止串模干擾，干擾單片機(jī)的正常工作。

    2）去耦電路在電源進(jìn)線端加去耦電路，消除各類高頻干擾。

    3）合理布置地線系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地分開，最后在一點(diǎn)相連，避免了模擬信號對數(shù)字信號的干擾。

3.2.2    軟件抗干擾措施

    1）利用可編程邏輯看門狗將單片機(jī)從死循環(huán)和跑飛狀態(tài)中拉出，使單片機(jī)復(fù)位。

    2）對模擬量的采樣和處理，采用數(shù)字濾波技術(shù)。

    3）采用指令冗余和軟件陷阱，防止程序跑飛。

3.3    模塊化結(jié)構(gòu)

    為方便運(yùn)輸與搬運(yùn)，交流調(diào)壓裝置及負(fù)載調(diào)整裝置均設(shè)計(jì)為模塊化組裝結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊組成：

    1）交流調(diào)壓模塊；

    2）負(fù)載調(diào)整模塊；

    3）檢測(系統(tǒng)主機(jī))模塊。

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4    直流監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)

    該部分是整體設(shè)備的測量控制中心，其主要是以串行口控制電動調(diào)壓器以及負(fù)載調(diào)整裝置，使充電機(jī)達(dá)到測試所需的狀態(tài)；測量被測充電機(jī)的有關(guān)輸出量并對結(jié)果實(shí)施分析計(jì)算，最終得出穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)三大參數(shù)。采用觸摸液晶顯示器、微型打印機(jī)作為人機(jī)界面，用于參數(shù)的設(shè)定、調(diào)整及結(jié)果的顯示。

4.1    數(shù)據(jù)采集

4.1.1    充電電壓

    采集電壓通過共扼線圈濾除雜波后，經(jīng)由CPU控制的模擬開關(guān)到達(dá)運(yùn)放，由精密四運(yùn)算放大器TL052構(gòu)成精密運(yùn)放器，輸入到TC7109CPL進(jìn)行A/D變換。

4.1.2    充電電流

    采集電壓通過共扼線圈濾除雜波后，經(jīng)由CPU控制的模擬開關(guān)到達(dá)運(yùn)放器，輸入到TC7109CPL，進(jìn)行A/D變換。

4.1.3    紋波系數(shù)

    取直流輸出的交流分量，首先通過共扼線圈，濾除干擾信號，再通過由精密運(yùn)放TL052構(gòu)成的帶通濾波器（只允許接近工頻范圍的信號通過）同步跟隨后，到達(dá)精密全橋整流電路，將峰峰值相疊加后，輸入到TLC2543進(jìn)行A/D變換。

4.2    串口通信電路

    主機(jī)采用模擬開關(guān)CD4052擴(kuò)展通信口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)CPU與輔機(jī)交流電壓調(diào)整裝置、直流輸出負(fù)載調(diào)整裝置的交互式通信及觸摸屏通信。

    通信電路擴(kuò)展如圖2所示。

圖2    通信電路示意圖

4.3    人機(jī)界面

    本系統(tǒng)采用YD?612，8色/6英寸（15.24cm）觸摸液晶屏做為系統(tǒng)顯示輸入部件。它具有顯示信息量大（中文15行×20列，圖形點(diǎn)陣320×240）、畫面豐富（32K）的特點(diǎn)，它的使用使系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)輸入變得簡單易行，呈現(xiàn)給用戶的畫面更加友好，操作變得簡單快捷。用戶只要翻閱儲存在系統(tǒng)中的簡要使用說明，就可操作本系統(tǒng)，方便易學(xué)。

4.4    微型打印機(jī)

    本系統(tǒng)采用TPUP－40微型打字機(jī)做為系統(tǒng)的打印輸出設(shè)備,它與單片機(jī)89C55通過74HC574相連，接口簡單。只要測得P3.5（BUSY）為低電平，即可向打印機(jī)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。它能夠打印中文字體，使得計(jì)算出的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)以表格形式，方便地輸出給用戶。

5    結(jié)語

    本檢測設(shè)備的研制成功，解決了目前國內(nèi)各變電站直流系統(tǒng)現(xiàn)場使用、維護(hù)單位不能進(jìn)行直流電源現(xiàn)場檢測的難題，對保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。檢測系統(tǒng)采用微型單片計(jì)算機(jī)控制及測量技術(shù)，通過對被測設(shè)備的交流輸入電壓、直流輸出負(fù)載按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)自動進(jìn)行采樣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)直流充電設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)檢測。在技術(shù)上主要采用磁補(bǔ)償原理、IGBT技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、多機(jī)通信技術(shù)、高速采樣技術(shù)，使檢測設(shè)備達(dá)到可移動式，且具備檢測精度高的特點(diǎn)。