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電站直流電源后備系統(tǒng)及智能充電機(jī)的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了電站無人值守直流電源后備系統(tǒng)的組成以及蓄電池組的充電流程。詳細(xì)討論了該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——智能充電機(jī)的功能要求，以及使用多微處理器實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)已在多個(gè)電力企業(yè)成功應(yīng)用。關(guān)鍵詞：直流電源后備系統(tǒng) 多微控制器 充電機(jī)
直流電源后備系統(tǒng)是各類電廠、變電站、電站等必備的。其主要功能是作為主電源的替代電源，當(dāng)主電源突然中斷后，給關(guān)鍵主控設(shè)備、故障監(jiān)測系統(tǒng)、故障保護(hù)系統(tǒng)等提供動(dòng)力電。它可以包括多個(gè)蓄電池組，每組可有多達(dá)一百多只鉛酸或其它種類的蓄電池，容量可達(dá)2000安時(shí)以上。
成套的無人值守、免維護(hù)直流電源系統(tǒng)由蓄電池組、充電浮充電裝置、電池監(jiān)測(容量及電壓)裝置、絕緣監(jiān)測裝置、交流監(jiān)測裝置、硅鏈調(diào)壓裝置、一系列遙控開關(guān)、保護(hù)子系統(tǒng)以及將這些裝置連接成一個(gè)整體的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)和中央控制器組成。上述裝置(除中央控制器之外)均可有多套。通信網(wǎng)絡(luò)采用RS485接口，為了提高現(xiàn)場抗干擾的能力，RS485接口應(yīng)采用帶光隔離型的，也可采用工業(yè)現(xiàn)場總線如CAN總線、LonWorks等。中央控制器具有帶漢字液晶顯示的人機(jī)接口，一方面能通過通信網(wǎng)絡(luò)與各子系統(tǒng)(裝置)進(jìn)行雙向通信，取得其運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對這些設(shè)備進(jìn)行遙控、遙調(diào)；另一方面還與電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相連，將整個(gè)直流系統(tǒng)的信息傳遞至這些更高層的系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
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在這些裝置中，充電浮充電裝置(即智能充電機(jī))無疑占據(jù)極其重要的地位，其作用在于提供智能充放電流程控制，自動(dòng)補(bǔ)充蓄電池因事故放電和合閘操作而損耗的電能，從而使蓄電池組始終處于最佳的蓄能狀態(tài)，保證直流后備電源系統(tǒng)的可靠性。
1 蓄電池充放電控制流程及智能充電機(jī)的功能設(shè)計(jì)
直流電源系統(tǒng)中的蓄電池在系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到各種運(yùn)行狀態(tài)，如交流中斷導(dǎo)致的放電，以及長時(shí)間運(yùn)行過程中由于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)而造成的自放電損失等。為了保證電池的容量，必須以一定的控制流程對蓄電池進(jìn)行充電控制。
圖2是原電力部負(fù)責(zé)組織制定的微機(jī)控制直流電源系統(tǒng)運(yùn)行程序的示波圖。從圖中可知，鉛酸蓄電池的充電流程由以下幾個(gè)部分組成：
(1)啟動(dòng)階段
為了避免電壓突變對電池造成沖擊，上電時(shí)，充電電壓必須平滑地上升，在十幾秒鐘以后達(dá)到給定值。此階段稱為軟啟動(dòng)階段，充電機(jī)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)恒流控制。
圖2
(2)0.1C10A恒流充電
軟啟動(dòng)結(jié)束后，充電機(jī)以0.1C10A的電流對電池進(jìn)行恒流充電。此時(shí)，電池的端壓將逐漸上升。當(dāng)端壓上升至2.35×n(n為電池個(gè)數(shù))時(shí)，恒流充電結(jié)束，轉(zhuǎn)為下一階段。
(3)均充階段
此階段為恒壓控制，給定值為2.35×n。此時(shí)充電電流將逐漸減小，當(dāng)電流減小到0.01Cl0A時(shí)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)完“均轉(zhuǎn)浮設(shè)定時(shí)間”后(此時(shí)間可調(diào)，范圍為0～72小時(shí))，系統(tǒng)進(jìn)入下一階段——浮充階段。
(4)浮充階段
此階段也為恒壓控制，但其電壓給定值為2.25×n。浮充階段經(jīng)過一個(gè)可設(shè)定的“活化時(shí)間”后(1～3個(gè)月)，系統(tǒng)重新回到上述第(2)階段。
(5)交流中斷與恢復(fù)供電
當(dāng)電網(wǎng)的交流中斷以后，蓄電池放電給系統(tǒng)以提供后備電源。當(dāng)交流系統(tǒng)恢復(fù)供電以后，充電機(jī)自動(dòng)對電池進(jìn)行恒流充電，也回到上述第(2)個(gè)階段。
綜上所述，智能充電機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能如下：
(1)對蓄電池進(jìn)行完整的充放電控制。
(2)所有的控制參數(shù)均可由用戶設(shè)定，包括均充、浮充電壓給定、恒流充電電流給定、均充轉(zhuǎn)浮充時(shí)間、活化時(shí)間等。
(3)完善的報(bào)警保護(hù)功能，包括交流中斷、缺相、過壓、過流、短路等。
(4)RS485通信接口及相應(yīng)的通信協(xié)議，包括提供上位機(jī)遠(yuǎn)控功能。
(5)恒壓恒流精度可達(dá)±1%，紋波系數(shù)在1%以下，功率因數(shù)及效率也可達(dá)到用戶給定的指標(biāo)。
(6)溫度對蓄電池充電特性有一定影響，因此需具備溫度補(bǔ)償功能。
2 智能充電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
本充電機(jī)采用可控硅三相全控橋的相控整流主電路型式。
本系統(tǒng)的特點(diǎn)是控制精度要求較高、任務(wù)較多，為了提高硬件可靠性，系統(tǒng)采用了多微控制器(單片機(jī))的設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行任務(wù)按功能獨(dú)立性及負(fù)荷均勻的原則大致可分為以下四個(gè)大的子任務(wù)：同步脈沖產(chǎn)生、移相觸發(fā)脈沖生成、流程控制及恒壓恒流算法實(shí)現(xiàn)、接口及串行通信等。這些任務(wù)由一兩塊單片機(jī)完成是不可能的，為此使用四塊單片機(jī)，每塊單片機(jī)完成上述的一個(gè)子任務(wù)，各單片機(jī)之間通過硬件握手信號及共享RAM存儲(chǔ)器來通信。圖3是這些單片機(jī)的聯(lián)系邏輯圖。
同步單片機(jī)完成同步脈沖的產(chǎn)生，包括相序的判定、缺相的判定等，從而使系統(tǒng)達(dá)到不認(rèn)相序無需調(diào)整的要求。
觸發(fā)單片機(jī)完成6個(gè)觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與分配(根據(jù)相序信號及來自于控制單片機(jī)的單相導(dǎo)通信號來判定)。
圖5
人機(jī)接口單片機(jī)所擴(kuò)展的功能電路單元較多，其原理框圖如圖4所示。
首先是溫度采樣。由于電池柜與控制器相距可達(dá)百米，因此采用溫度電流傳感芯片AD590。AD590輸出一個(gè)與絕對溫度值成正比的電流信號。由于其具有高阻抗的恒流源輸出特性，因此對長線阻抗不敏感，同時(shí)也能抗現(xiàn)場干擾。溫度采樣電路如圖5所示，圖中的兩個(gè)電位器可以對零點(diǎn)和滿刻度進(jìn)行校正。
由于蓄電池?cái)?shù)目較多，所占面積也較大，因此使用三只均勻放置的AD590，將它們并聯(lián)，所得測量結(jié)果為三點(diǎn)溫度的平均值。
顯示接口采用兩片串行的7219 LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片，并擴(kuò)展4x4位的LED數(shù)碼管顯示及若干LED發(fā)光指示燈。7219可自動(dòng)完成LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的顯示控制。
日歷時(shí)鐘芯片12C887提供充電流程控制所需要的日期時(shí)間標(biāo)尺，同時(shí)其片內(nèi)近128Byte的不掉電內(nèi)存單元還可用于不掉電存儲(chǔ)控制參數(shù)。
DSl609是一個(gè)雙口RAM，共256Byte。在本系統(tǒng)中，它作為人機(jī)接口單片機(jī)與控制單片機(jī)的共享內(nèi)存，傳遞公用信息。防止兩個(gè)單片機(jī)同一瞬間對1609同一單元進(jìn)行讀寫而造成沖突是應(yīng)用的關(guān)鍵，系統(tǒng)采用信號郵箱的方式解決這一問題，如后所述。
控制單片機(jī)的接線較為簡單，主要是為觸發(fā)單片機(jī)輸出單同步移相觸發(fā)信號。
3 軟件設(shè)計(jì)
限于篇幅，僅討論接口單片機(jī)與控制單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。接口單片機(jī)的軟件較為復(fù)雜，整個(gè)軟件運(yùn)行受兩個(gè)中斷源驅(qū)動(dòng)：一是主同步信號外中斷，另一個(gè)是串行口中斷。整體軟件是一個(gè)多任務(wù)后臺切換的結(jié)構(gòu)，任務(wù)包括電壓電流采樣、鍵盤掃描、與1609通信、采樣值的標(biāo)度變換、采樣值的顯示、報(bào)警處理、溫度的采樣與顯示、判斷是否接收到完整的串行通信數(shù)據(jù)與命令幀、串行通信命令幀解釋等。在每個(gè)主同步信號外中斷發(fā)生后，接口單片機(jī)必須完成前四個(gè)任務(wù)，其它不太急切的任務(wù)則由主控程序輪流挑選一個(gè)激活執(zhí)行，激活的唯一依據(jù)就是次序。
對共享內(nèi)存的讀寫使用了幾個(gè)信號量標(biāo)志，如表1所示。
表1 對共享內(nèi)存的讀寫所使用的信號量標(biāo)志
上表中，左單片機(jī)指的是接口單片機(jī)，右單片機(jī)指的是控制單片機(jī)，所謂“左置右清”指的是標(biāo)志是由接口單片機(jī)置位，由控制單片機(jī)復(fù)位。
左單片機(jī)讀1609共享信息的流程圖如圖6所示。
可以證明通過對以上四個(gè)標(biāo)志的運(yùn)用，可完全避免對共享內(nèi)存單元的讀寫沖突。
控制單片機(jī)的主要任務(wù)是完成控制算法并輸出控制量，其軟件的運(yùn)行是受每20ms一次的同步脈沖帶來的外中斷驅(qū)動(dòng)的。恒壓恒流算法采用抗微分飽和的PID算法。由于控制量輸出的是一個(gè)移相角，此角度是由片內(nèi)定時(shí)器D(t0)的定時(shí)時(shí)間決定的。根據(jù)89C52定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間常數(shù)與主頻(11.059MHz)的關(guān)系可以推算得:定時(shí)常數(shù)=216-921.6×1/18×α(度)=216-51.2×α(度)。
控制單片機(jī)軟件主流程框圖如圖7所示。
同步脈沖的外中斷服務(wù)程序僅設(shè)置一個(gè)發(fā)生標(biāo)志，而t0的定時(shí)中斷服務(wù)程序則需要輸出一個(gè)1ms左右的移相脈沖。因此，需要設(shè)置定時(shí)lms的時(shí)間常數(shù)，重新啟動(dòng)定時(shí)。相關(guān)軟件框圖略。
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