基于微型计算机控制技术的检测设备方案设计

1    概述

    发电厂、变电站中的直流系统正常情况下给控制、保护电路供电，事故情况下，在交流电源全停时，要保证1～2h的供电时间，而且要求提供给直流母线的电压不低于额定值的90％。该备用容量由蓄电池组提供，蓄电池组的使用寿命和有效容量取决于充电机的技术指标（稳压精度、稳流精度、纹波系数）。在充电机长达10～20年的使用中，技术指标不可避免地会发生变化，严重时会造成蓄电池组充电容量不足，在变电站交流停电时，蓄电池组不能可靠地供电，而导致全站保护及开关拒动，造成主设备损坏、电网瓦解等重大事故。

    目前电力系统中运行的直流充电设备达到的技术指标，都是由生产厂家在设备出厂试验时提供的数据。现场检修维护人员因不具备相应的测试手段，难以确认设备的技术指标是否满足要求。而且随着运行时间的推移，设备的技术指标会发生偏移，典型的后果是因充电机指标下降，稳压、稳流、纹波系数超标，造成蓄电池失效，直接威胁电网的安全运行。

    因此，有必要研制一种采用微型计算机控制技术的检测设备，通过对充电机等被测设备的交流输入电压、输出负载按标准规定的设定值进行调节，同时检测装置自动进行采样计算，组成一个可移动的自动化检测系统，以便对直流电源设备的技术指标进行现场的全面测试。

2    总体方案

2.1    系统结构

    系统结构图如图1所示。

图1    系统结构图

2.2    技术指标

    三相交流输入电压    380V，50Hz；

    三相交流输出电压    342V、380V、418V；

    直流输出稳压时电流    0～50A；

    直流输出稳流时电压    180～300V；

    纹波峰峰值范围为    1.5～5.5V；

    测量精度

    测量稳压精度时，直流电压测量精度≤±0.5％，纹波电压精度≤±0.5％；

    测量稳流精度时，直流电流测量精度≤±0.5％。

3    主要技术问题及解决

3.1    采集精度

3.1.1    采集精度的要求

    电压、电流信号采集是本系统一切控制、测量及计算的基础，对充电机输出直流电压波形进行高速采集，且采集精度高，是该系统能否研制成功的关键。

3.1.2    保证采集精度的措施

    1）电流、电压采样元件选用高质量霍尔传感器，具有高波形保真率、快速响应，良好的电气隔离等特点。

    2）来自传感器的电压，电流信号经同相放大、有源滤波等模拟信号电路处理后，送至A／D转换器，转换后的数字量由数据总线送入中央处理器。由于A/D的时钟为工频整倍数，所以能抑制工频干扰。模拟信号处理电路选用高精度、低温度漂移系数、耐干扰性能好的器件组成。

    3）纹波电压信号经带通滤波、峰值保持等处理后，到高速A/DTLC2543进行模数转换,转换时间<10μs，转换后的数字量由数据总线送入中央处理器，进行处理。

3.2    抗干扰

    由于该监控系统工作于强电磁辐射环境，很容易受到各种干扰的影响。干扰一旦串入系统，轻则会引起误报，严重时就会导致整个系统瘫痪，甚至造成重大事故。为此，本系统从硬件和软件两方面考虑抗干扰措施，以保证监控系统的可靠运行。

3.2.1    硬件抗干扰措施

    1）光电隔离在输入和输出通道上，采用光电耦合器件进行信号隔离传输，这样一来可以较好地防止串模干扰，干扰单片机的正常工作。

    2）去耦电路在电源进线端加去耦电路，消除各类高频干扰。

    3）合理布置地线系统中的数字地与模拟地分开，最后在一点相连，避免了模拟信号对数字信号的干扰。

3.2.2    软件抗干扰措施

    1）利用可编程逻辑看门狗将单片机从死循环和跑飞状态中拉出，使单片机复位。

    2）对模拟量的采样和处理，采用数字滤波技术。

    3）采用指令冗余和软件陷阱，防止程序跑飞。

3.3    模块化结构

    为方便运输与搬运，交流调压装置及负载调整装置均设计为模块化组装结构。该系统由以下几个模块组成：

    1）交流调压模块；

    2）负载调整模块；

    3）检测(系统主机)模块。

4    直流监测系统主机

    该部分是整体设备的测量控制中心，其主要是以串行口控制电动调压器以及负载调整装置，使充电机达到测试所需的状态；测量被测充电机的有关输出量并对结果实施分析计算，最终得出稳压精度、稳流精度、纹波系数三大参数。采用触摸液晶显示器、微型打印机作为人机界面，用于参数的设定、调整及结果的显示。

4.1    数据采集

4.1.1    充电电压

    采集电压通过共扼线圈滤除杂波后，经由CPU控制的模拟开关到达运放，由精密四运算放大器TL052构成精密运放器，输入到TC7109CPL进行A/D变换。

4.1.2    充电电流

    采集电压通过共扼线圈滤除杂波后，经由CPU控制的模拟开关到达运放器，输入到TC7109CPL，进行A/D变换。

4.1.3    纹波系数

    取直流输出的交流分量，首先通过共扼线圈，滤除干扰信号，再通过由精密运放TL052构成的带通滤波器（只允许接近工频范围的信号通过）同步跟随后，到达精密全桥整流电路，将峰峰值相叠加后，输入到TLC2543进行A/D变换。

4.2    串口通信电路

    主机采用模拟开关CD4052扩展通信口，实现主机CPU与辅机交流电压调整装置、直流输出负载调整装置的交互式通信及触摸屏通信。

    通信电路扩展如图2所示。

图2    通信电路示意图

4.3    人机界面

    本系统采用YD?612，8色/6英寸（15.24cm）触摸液晶屏做为系统显示输入部件。它具有显示信息量大（中文15行×20列，图形点阵320×240）、画面丰富（32K）的特点，它的使用使系统大量的数据输入变得简单易行，呈现给用户的画面更加友好，操作变得简单快捷。用户只要翻阅储存在系统中的简要使用说明，就可操作本系统，方便易学。

4.4    微型打印机

    本系统采用TPUP－40微型打字机做为系统的打印输出设备,它与单片机89C55通过74HC574相连，接口简单。只要测得P3.5（BUSY）为低电平，即可向打印机发送命令和数据。它能够打印中文字体，使得计算出的稳压精度、稳流精度、纹波系数以表格形式，方便地输出给用户。

5    结语

    本检测设备的研制成功，解决了目前国内各变电站直流系统现场使用、维护单位不能进行直流电源现场检测的难题，对保障电网安全运行具有重要意义。检测系统采用微型单片计算机控制及测量技术，通过对被测设备的交流输入电压、直流输出负载按标准进行调节，同时自动进行采样计算，实现直流充电设备技术指标的现场标准检测。在技术上主要采用磁补偿原理、IGBT技术、触摸屏技术、多机通信技术、高速采样技术，使检测设备达到可移动式，且具备检测精度高的特点。