電力操作電源智能電池巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　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)、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，提前做好防范以保證電力系統(tǒng)連續(xù)可靠地運(yùn)行。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，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

　　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、溫度、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，從而可以合理地控制電池，延長(zhǎng)電池使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　電源監(jiān)控系統(tǒng)起步于80年代末，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，可靠性較低。90年代以后尤其是近幾年來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和電源裝備水平的提高，電源監(jiān)控也逐漸成熟起來(lái)，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，通過(guò)控制高壓斷路器以及其他的繼電器設(shè)備，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。

　　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，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。

　　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、無(wú)功功率、諧波、電壓、電流等參數(shù)。ATT7022B價(jià)格比較便宜，而且具有SPI（serial peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）接口，能夠方便地與MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行通信。

　　開(kāi)關(guān)量監(jiān)控，包括交流斷路器分合閘狀態(tài)（主、備用電源共兩路）、交流控制電源8路、直流斷路器的分合狀態(tài)。

　　直流量監(jiān)控，包括環(huán)境溫度、電池溫度、單片機(jī)溫度、單體電池電壓、直流合閘電源2路、操作電壓和合閘電流。

　　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，系統(tǒng)采用掃描方式實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)，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。為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)電平匹配，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。

　　
       根據(jù)圖1，由交流電壓到直流電壓的順序介紹系統(tǒng)的工藝過(guò)程。

　　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，當(dāng)其用于工作電源時(shí)，可通過(guò)二極管對(duì)其進(jìn)行降壓，K1、K2等開(kāi)關(guān)用于選擇降壓值，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)，實(shí)時(shí)反應(yīng)電池的使用狀態(tài)，便于及時(shí)了解電池狀況。

　　交流參數(shù)檢測(cè)。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、電流、有功功率、功率因數(shù)、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。

　　管理系統(tǒng)與上位機(jī)以串行方式通信。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)，從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等四種遙控功能。

　　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、電流、諧波等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)交流電路進(jìn)行采樣，對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（一個(gè)周期采樣20～0次），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。這些功能可以采用一個(gè)ATT7022B來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　（2） 對(duì)整流后的直流操作電源線(xiàn)路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)其電壓、合閘電流以及操作電源是否發(fā)生故障等。同時(shí)，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)，實(shí)現(xiàn)操作電源自動(dòng)分檔調(diào)壓。

　?。?） 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)），了解電池電量以及相關(guān)參數(shù)并及時(shí)更換電池，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。

　?。?） 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)，顯示部分采用中文液晶顯示模塊。

　　（5） 采用串行通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，可以遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)。

　　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、蓄電池組管理模塊以及直流操作電源信號(hào)分析模塊，另外還有其他小模塊如：顯示、鍵盤(pán)、通信模塊等，前三大模塊并列運(yùn)行，按巡回方式采樣。由定時(shí)器設(shè)定采樣時(shí)間。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如圖3所示。

  MSP430系列單片機(jī)具有三種低功耗模式，為了減少能耗，可采用中斷方式。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

　　
       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、電流的監(jiān)測(cè)。對(duì)電池的管理還包括其溫度、電壓、容量等。此外，故障報(bào)警電路也屬于直流模塊。直流采樣電路可分為電池巡檢電路、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。

　　電池巡檢電路包括電池單體電壓監(jiān)測(cè)、溫度檢測(cè)、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。溫度檢測(cè)電路主要分為三路，分別為環(huán)境溫度、電池組溫度、單片機(jī)內(nèi)部溫度，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，部分采用高頻開(kāi)關(guān)充電器作為充電電源，采用繼電器控制電池組充電。當(dāng)正常供電時(shí)，高頻開(kāi)關(guān)電源直接給二次電路繼電器供電，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，電池組處于常備用狀態(tài)。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。

    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。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。操作電源包括所有二次測(cè)的動(dòng)作電壓，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、控制邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路、地址譯碼電路、隔離電路等組成，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、電流、功率、諧波等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證供電電路的安全運(yùn)行，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、功率因素等參數(shù)，一旦電源出現(xiàn)故障，可以及時(shí)采取故障處理措施。在本設(shè)計(jì)中，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)。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。

　　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。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)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，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，本設(shè)計(jì)采用LCM 12864ZK中文液晶顯示屏。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。

　　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)，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、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、溫度巡檢時(shí)間間隔、數(shù)據(jù)處理方式等內(nèi)容。

　?。?） 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、環(huán)境溫度以及電池的充放電狀態(tài)等參數(shù)的測(cè)量。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，實(shí)現(xiàn)溫度采集。

　　（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。該軟件模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要包括電壓檢測(cè)、合閘電流檢測(cè)以及操作電源自動(dòng)調(diào)壓裝置三部分。

　　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、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，以獲得電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率、諧波等參數(shù)。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)。

　　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。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，本設(shè)計(jì)中主要包括鍵盤(pán)設(shè)計(jì)、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)、鍵盤(pán)總共設(shè)置10個(gè)功能鍵，包括：系統(tǒng)復(fù)位、電池參數(shù)顯示、交流參數(shù)顯示、直流參數(shù)顯示、開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示、溫度顯示、上翻、下翻、報(bào)警狀態(tài)復(fù)位。另外，還留有一個(gè)供擴(kuò)展的鍵盤(pán)。

　　結(jié)合鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)，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，液晶模塊顯示交流采樣數(shù)據(jù)：一旦有鍵輸入，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)。

　　串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信，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，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。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，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。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。主程序處理流程如圖5所示。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，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。

　　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，保存并進(jìn)行參數(shù)整定，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，然后是負(fù)責(zé)標(biāo)志判斷和標(biāo)志設(shè)置。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，主程序只對(duì)這些模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

　　
   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，具有專(zhuān)用性強(qiáng)、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、電池以及環(huán)境溫度檢測(cè)、操作電源電壓及電流檢測(cè)、交流電壓（電流、功率因數(shù)）的檢測(cè)（SPI通信部分）、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)檢測(cè)、操作電源自動(dòng)調(diào)壓控制、電池低壓自動(dòng)充電控制、鍵盤(pán)及顯示、通信等共9個(gè)主體模塊，同時(shí)還保留有一定的擴(kuò)展空間，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。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，所以特別適用于變電站這種能量控制單位的使用。