基于高频开关技术的直流电源监视系统设计

基于高频开关技术的直流电源监视系统设计
1 前言
在电厂及变电站的二次系统中，为了给控制、保护、自动装置、事故照明等设备用电，必须有可靠的直流电源。

直流电源的作用是：正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源;故障时，当厂、站用电中断的情况下，为继电保护、断路器跳合闸、载波通讯提供直流电源，其稳定运行直接影响着电力系统的安全可靠运行。

变电站直流电源主要由以下四个部分组成：蓄电池系统、充电模块部分分为交流整流及稳压整流、微机监控部分、调压模块部分。

目前，现代直流电源的发展正以高频开关技术为基础，并兼备高频化、高效率、大功率、无污染和模块等特点。

在管理方式上，结合计算机网络技术的发展，形成多级计算机网络的集中监控管理系统。

直流电源系统的监视系统是整个系统的核心部分，它的主要作用是把各变电站直流设备的信息上送到监控中心以供查询，同时各监控中心也向各变电站发送控制命令，由系统执行，还可以及时发现设备运行的不正常状态，及时处理。

直流电源系统的典型配置如图1所示。

图1 直流电源系统的典型配置图
直流电源系统主要分为三大部分：直流回路的绝缘检测单元、交直流参数监控单元、电池巡检单元。

目前各个厂家的产品还存在以下问题：
(1)直流接地故障率一直排在电气故障首位，原因是检测方法不足，直流传感器检测主要是易损坏、干扰严重，交流传感检测则受分布电容的影响，且须注入一定信号;
(2)参数监控单元主要是检测母线电压及电流，交流侧电压及直流侧电流电压等，目前此部分监控系统只是将数据简单检测和直接上调，缺少自我分析和实时自我故障处理能力;
(3)各部分之间使用不同的通讯规约，使对综自系统进行通讯时，必须重新统一软件规约;
(4)不同单元间的组态不便，使得在使用过程中用汇编语言更改或重新编写软件时不方便，容易出错，操作性差。

针对以上情况，我们推出了PZWG2000系列智能型触摸屏控制直流高频开关电源系统。

此系统的信息采集及处理可就地完成，实时性强，信号不受干扰，配线灵活，组态方便，网络功能强，可在线调控上传数据，自检功能完善，强大的多媒体及动画功能，友好的中英文人机显示图界，双重控制原理，使系统更具可靠等优点。

2 系统构成及功能
2.1 硬件配置
PZWG2000智能型触摸屏控制直流系统为模块式结构，模块间可任意组合，可以根据不同用户的不同要求组合系统。

一个完整的系统由五个部分组成：监控后台(主控制单元)、充电管理单元(高频单元)、电池管理单元(电池巡检单元)、绝缘检测单元及调压单元。

其中主控制单元即监控后台为本系统的核心部分。

2.1.1监控后台
监控后台是通过可触摸式工控机来实现并作为全面管理电源系统运行。

它可在线记录、统计、分析并实时打印各种运行数据。

人机界面为高亮度的彩色大屏幕LCD显示屏。

具有显示清晰、直观、操作方便等优点。

通过串行的RS232/RS485口，与变电站内的综合自动化系统或地区调度联系，实
现四遥功能，即遥测、遥信、遥控及遥调功能，从而实现变电站电源系统的无人值守。

图2 监控单元原理框图
2.1.2充电管理单元
它是主控单元和充电机的接口部分，通过它控制充电机按最适合维护电池的充电曲线自动分阶段地给电池充电，延长使用寿命。

同时监测充电机的运行状态，在其出现故障时通过主控单元向操作者及上位机发出报警信号，便于管理人员及时排除故障。

高频整流模块采用目前国际上先进的有源功率因数校正技术(PFC)和软开关脉冲宽调制技术PWM，自主均流，并可带电插拔，热维修，其原理图见图3。

图3 充电管理单元原理框图
2.1.3 绝缘检测单元
除可监视母线电压与绝缘外，还可对各直流接地支路进行判断。

绝缘检测单元采用平衡桥及不平衡桥相结合的原理，检测母线对地绝缘状态，不向直流系统输入信号，不受制于馈线对地电容的影响，支路检测采用差值计算方法，可准确计算出正负母线接地阻抗。

对于多条支路同时发生一点或平衡接地均可检测出。

其原理图见图4。

图4 绝缘检测单元原理框图
2.1.4电池管理单元
可对蓄电池的各种状态进行检测，对蓄电池的电压、电流、温度及容量进行实时检测，通过LCD屏显示单体电池信息、整组信息，具有电池过压、回路过流、电池亏容、电池过温、整组欠压等告警功能，并有串行通讯口，可将信息传送至监控单元。

电池管理单元采用电压检测和内阻检测相结合的方法来判断电池是否失效。

内阻测量采用国内首创、国际一流的测试方法，通过向电池组两端注入低频交流信息，通过科学算法，结合电压检测模块的单电池采样，巧妙地计算出每一节电池的准确内阻。

图5 电池管理单元
2.1.5 调压单元
通过调压单元将充电机的输出电压调整至合理的供电范围内，更加可靠给馈出单元供电。

该单元主要是通过二极管降压原理，可灵活自动配置降压范围，一般设置为15V～35V可调。

整个系统监测全面，各单元之间相互独立，任何一个单元的退出都不影响其它单元的正常运行，系统的监控后台可控制和监视整个系统，但各单元和监控后台之间也是相互独立的，如果监控后台出现故障，系统仍能维持正常供电。

2.2 软件应用
PZWG2000采用ADS2000为主控软件，采用NATIONAL INSTRUMENT公司的虚拟仪器开发环境LabWindows/CVI编制而成。

软件采用模块化设计，融合面向对象编程技术。

该软件运行于Windows环境下，中英文图形智能界面，实时显示、监测、控制系统运行状态。

可实现全自动无人值守运行。

为实现对上述智能直流电源硬件系统的有效定理，主控软件ADS2000采用模块化设计方法，相应的模块主要有数据采集和处理模块、数据显示模块、系统设置模块、打印模块以及通讯模块等。

2.3 各模块的作用
2.3.1系统设置模块
系统设置模块完成出厂设置和维护设置，出厂设置由生产厂通过硬键盘进行设置，不连键盘不能设置;维护设置由用户进行设置，使用软件系统的软键盘进行输入，并且需要输入维护级密码，设置错误可恢复缺省设置。

系统运行时越限语音报警，并可进行文字提示。

2.3.2 打印模块
由运行界面中的打印按钮调用，负责系统运行数据以及报警信息等内容的打印。

2.3.3 数据采集和处理模块
系统采用了集散式控制系统结构，系统的信息采集与处理由“充电管理单元”、“馈线管理单元”和“电池管理单元”三个独立的模块分别完成，各模块内部都有独立的控制器，各单元可独立于控制单元和其它单元工作，使产品的可靠性及可维护性大大提高，三个独立的模块各自有自己的通讯口，具备自己的通讯功能。

数据采集和处理模块负责通过串口接受三个单元上传的数据，并按照各自的通讯协议进行处理，然后由数据显示模块加以显示。

2.3.4通信模块
通讯模块将存储文件通过MODEM传输到指定网络地址，ADS2000采取计算机组网方式，异地异域甚至可以通过Internet组网，软件面向网络设计，系统通过Windows系统支持的任何一种网络和通讯与上位机通讯。

2.3.5 数据显示模块
负责为用户输入和数据提供友好界面，除主运行界面外，还包括直流电源系统图、蓄电池监测、绝缘监测、系统设置、打印日志、历史纪录以及帮助等子界面。

在帮助子界面中使用语言导向，可帮助用户进行故障问题的分析及处理。

2.3.6语音报警模块
语音报警模块在系统出现报警时，为用户提供多媒体语音报警，提醒值班人员及时处理问题，避免重大问题的发生。

2.3.7主程序运行模块
主程序运行模块完成模块的有机结合，负责软件系统的运行管理。

2.4系统优点
⑴直流电源系统可实时地将运行数据及故障记录生成相应的文件自动存
入计算机，用户可以随时调用。

系统配备多媒体音箱，一旦发生系统故障，将会启动相应的语音报警。

故障清除后音响自动解除。

⑵系统出现故障时，用户只要点击界面上的帮助栏，即可找到故障原因及相应的处理方法，大大缩短故障排除时间，减少用户损失。

⑶系统配备详尽的资料库，其中包含元件库、使用说明书、图纸库。

系统中所使用元件及相应型号及图纸在库中均可随时查阅。

方便用户日常维护。

3 系统的网络在线化
计算机网络化使传统直流电源系统产生质的飞越，网络化大大地减少了设备连接方式，通讯智能化设备以实现在网络环境下的产品在线维护及升级。

当系统出现故障时，主控制模块将故障设备信息上传至指定网址，并通过分析在线排除故障，更快更安全地保证电力系统的安全运行。

同时，
产品实现了在线升级，PZWG2000系统中配置了在线升级功能，通过网络传输并在线下载，经过识别后即可分别写入各管理单元中实现产品的在线升级，减少用户的运行成本，满足用户的经济效益最大化。

4 结束语
智能型高频开关直流电源系统是变电站二次设备的生命线，直流系统故障直接影响到电网稳定和设备安全。

装设智能型直流电源设备在线状态监测系统后，可实时监控直流系统的运行参数，及时发现事故隐患，实现前瞻式管理，确保后备电源系统可靠、安全、高效运行，并且可以减少人工检测因误操作可能引起的设备损害。

智能型高频开关直流电源在线式系统的应用将大幅度提高直流电源设备的管理和维护。