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電站直流電源后備系統及智能充電機的設計
摘要：介紹了電站無人值守直流電源后備系統的組成以及蓄電池組的充電流程。詳細討論了該系統中的關鍵設備——智能充電機的功能要求，以及使用多微處理器實現該設備的軟硬件設計方法。該系統已在多個電力企業成功應用。關鍵詞：直流電源后備系統 多微控制器 充電機
直流電源后備系統是各類電廠、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，當主電源突然中斷后，給關鍵主控設備、故障監測系統、故障保護系統等提供動力電。它可以包括多個蓄電池組，每組可有多達一百多只鉛酸或其它種類的蓄電池，容量可達2000安時以上。
成套的無人值守、免維護直流電源系統由蓄電池組、充電浮充電裝置、電池監測(容量及電壓)裝置、絕緣監測裝置、交流監測裝置、硅鏈調壓裝置、一系列遙控開關、保護子系統以及將這些裝置連接成一個整體的工業通信網絡和中央控制器組成。上述裝置(除中央控制器之外)均可有多套。通信網絡采用RS485接口，為了提高現場抗干擾的能力，RS485接口應采用帶光隔離型的，也可采用工業現場總線如CAN總線、LonWorks等。中央控制器具有帶漢字液晶顯示的人機接口，一方面能通過通信網絡與各子系統(裝置)進行雙向通信，取得其運行的實時數據，并對這些設備進行遙控、遙調；另一方面還與電站綜合自動化系統相連，將整個直流系統的信息傳遞至這些更高層的系統。系統結構圖如圖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)無疑占據極其重要的地位，其作用在于提供智能充放電流程控制，自動補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，保證直流后備電源系統的可靠性。
1 蓄電池充放電控制流程及智能充電機的功能設計
直流電源系統中的蓄電池在系統運行過程中可能會遇到各種運行狀態，如交流中斷導致的放電，以及長時間運行過程中由于內部化學反應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行充電控制。
圖2是原電力部負責組織制定的微機控制直流電源系統運行程序的示波圖。從圖中可知，鉛酸蓄電池的充電流程由以下幾個部分組成：
(1)啟動階段
為了避免電壓突變對電池造成沖擊，上電時，充電電壓必須平滑地上升，在十幾秒鐘以后達到給定值。此階段稱為軟啟動階段，充電機應該實現恒流控制。
圖2
(2)0.1C10A恒流充電
軟啟動結束后，充電機以0.1C10A的電流對電池進行恒流充電。此時，電池的端壓將逐漸上升。當端壓上升至2.35×n(n為電池個數)時，恒流充電結束，轉為下一階段。
(3)均充階段
此階段為恒壓控制，給定值為2.35×n。此時充電電流將逐漸減小，當電流減小到0.01Cl0A時，計時系統開始計時，當計完“均轉浮設定時間”后(此時間可調，范圍為0～72小時)，系統進入下一階段——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。浮充階段經過一個可設定的“活化時間”后(1～3個月)，系統重新回到上述第(2)階段。
(5)交流中斷與恢復供電
當電網的交流中斷以后，蓄電池放電給系統以提供后備電源。當交流系統恢復供電以后，充電機自動對電池進行恒流充電，也回到上述第(2)個階段。
綜上所述，智能充電機實現的功能如下：
(1)對蓄電池進行完整的充放電控制。
(2)所有的控制參數均可由用戶設定，包括均充、浮充電壓給定、恒流充電電流給定、均充轉浮充時間、活化時間等。
(3)完善的報警保護功能，包括交流中斷、缺相、過壓、過流、短路等。
(4)RS485通信接口及相應的通信協議，包括提供上位機遠控功能。
(5)恒壓恒流精度可達±1%，紋波系數在1%以下，功率因數及效率也可達到用戶給定的指標。
(6)溫度對蓄電池充電特性有一定影響，因此需具備溫度補償功能。
2 智能充電機的硬件設計
本充電機采用可控硅三相全控橋的相控整流主電路型式。
本系統的特點是控制精度要求較高、任務較多，為了提高硬件可靠性，系統采用了多微控制器(單片機)的設計。
系統整個運行任務按功能獨立性及負荷均勻的原則大致可分為以下四個大的子任務：同步脈沖產生、移相觸發脈沖生成、流程控制及恒壓恒流算法實現、接口及串行通信等。這些任務由一兩塊單片機完成是不可能的，為此使用四塊單片機，每塊單片機完成上述的一個子任務，各單片機之間通過硬件握手信號及共享RAM存儲器來通信。圖3是這些單片機的聯系邏輯圖。
同步單片機完成同步脈沖的產生，包括相序的判定、缺相的判定等，從而使系統達到不認相序無需調整的要求。
觸發單片機完成6個觸發脈沖的產生與分配(根據相序信號及來自于控制單片機的單相導通信號來判定)。
圖5
人機接口單片機所擴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百米，因此采用溫度電流傳感芯片AD590。AD590輸出一個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，同時也能抗現場干擾。溫度采樣電路如圖5所示，圖中的兩個電位器可以對零點和滿刻度進行校正。
由于蓄電池數目較多，所占面積也較大，因此使用三只均勻放置的AD590，將它們并聯，所得測量結果為三點溫度的平均值。
顯示接口采用兩片串行的7219 LED顯示驅動芯片，并擴展4x4位的LED數碼管顯示及若干LED發光指示燈。7219可自動完成LED數碼管動態掃描的顯示控制。
日歷時鐘芯片12C887提供充電流程控制所需要的日期時間標尺，同時其片內近128Byte的不掉電內存單元還可用于不掉電存儲控制參數。
DSl609是一個雙口RAM，共256Byte。在本系統中，它作為人機接口單片機與控制單片機的共享內存，傳遞公用信息。防止兩個單片機同一瞬間對1609同一單元進行讀寫而造成沖突是應用的關鍵，系統采用信號郵箱的方式解決這一問題，如后所述。
控制單片機的接線較為簡單，主要是為觸發單片機輸出單同步移相觸發信號。
3 軟件設計
限于篇幅，僅討論接口單片機與控制單片機的軟件設計。接口單片機的軟件較為復雜，整個軟件運行受兩個中斷源驅動：一是主同步信號外中斷，另一個是串行口中斷。整體軟件是一個多任務后臺切換的結構，任務包括電壓電流采樣、鍵盤掃描、與1609通信、采樣值的標度變換、采樣值的顯示、報警處理、溫度的采樣與顯示、判斷是否接收到完整的串行通信數據與命令幀、串行通信命令幀解釋等。在每個主同步信號外中斷發生后，接口單片機必須完成前四個任務，其它不太急切的任務則由主控程序輪流挑選一個激活執行，激活的唯一依據就是次序。
對共享內存的讀寫使用了幾個信號量標志，如表1所示。
表1 對共享內存的讀寫所使用的信號量標志
上表中，左單片機指的是接口單片機，右單片機指的是控制單片機，所謂“左置右清”指的是標志是由接口單片機置位，由控制單片機復位。
左單片機讀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標志的運用，可完全避免對共享內存單元的讀寫沖突。
控制單片機的主要任務是完成控制算法并輸出控制量，其軟件的運行是受每20ms一次的同步脈沖帶來的外中斷驅動的。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移相角，此角度是由片內定時器D(t0)的定時時間決定的。根據89C52定時器的定時時間常數與主頻(11.059MHz)的關系可以推算得:定時常數=216-921.6×1/18×α(度)=216-51.2×α(度)。
控制單片機軟件主流程框圖如圖7所示。
同步脈沖的外中斷服務程序僅設置一個發生標志，而t0的定時中斷服務程序則需要輸出一個1ms左右的移相脈沖。因此，需要設置定時lms的時間常數，重新啟動定時。相關軟件框圖略。
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