基于工作站的直流操作電源綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研制

摘要：介紹了基于工作站的直流操作電源綜合監(jiān)控系統(tǒng)，較為詳盡地介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計。該監(jiān)控系統(tǒng)具有檢測全面、控制功能強(qiáng)大、可靠性高、實(shí)用生強(qiáng)、擴(kuò)充和升級方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：工作站 直流操作電源 綜合監(jiān)控系統(tǒng) 硬件 軟件

直流操作電源是電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置、信號裝置、照明裝置等重要負(fù)載的不停電供電電源，其供電的可靠性關(guān)系重大。直流操作電源主要由蓄電池組、充電浮充電裝置以及饋電支路開關(guān)和熔斷器等組成。為保證直流操作電源供電的可靠性，必須對其進(jìn)行全面的監(jiān)視與控制調(diào)節(jié)。

工控機(jī)工作站具有功能強(qiáng)大、擴(kuò)展方便、環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于組成直流操作電源綜合監(jiān)控系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是價格較高，但對大容量、高可靠性的直流電源系統(tǒng)來說，是可以接受的?？紤]到用戶的多元化需要，我們和新系直流電源成套廠合作，開發(fā)研制了該監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能要求

根據(jù)現(xiàn)場需要，直流操作電源綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：

（1）電池管理功能，即選擇最佳的充電方式或充電規(guī)律，以提高蓄電池的實(shí)際蓄電容量和使用壽命；

（2）交流電源中斷時的自動處理功能，即保證在交流電源停電期間蓄電池不過度放電，以及交流電源恢復(fù)供電后對蓄電池組補(bǔ)充充電；

（3）對電池（分組）進(jìn)行實(shí)時檢測，對電池電壓越限應(yīng)能夠進(jìn)行及時的故障報警；

（4）監(jiān)視充電機(jī)的工作情況，一旦出現(xiàn)故障，應(yīng)立即將故障組切除，并自動投入備用組且發(fā)出聲光及遠(yuǎn)程報警信號，通知維修人員對故障進(jìn)行及時處理；

（5）對母線和主要支路的熔斷器進(jìn)行監(jiān)視，若出現(xiàn)熔斷器熔斷現(xiàn)象，要及時發(fā)出聲光及遠(yuǎn)程報警信號，以保證故障的及時排除和熔芯的及時更換。

（6）監(jiān)視動力母線和控制母線的對地絕緣電阻，當(dāng)其小于某一設(shè)定值時，應(yīng)能發(fā)出聲光及遠(yuǎn)程報警信號；

（7）對檢測到的故障數(shù)據(jù)，如控母電壓過高、控母電壓過低、控母電壓紋波超限、交流失電、缺相等，要及時存儲；

（8）要具有遠(yuǎn)方通訊接口，以保證調(diào)度中心對操作電源工作狀態(tài)的了解及遠(yuǎn)程控制，也就是說，要具有遙控、遙信、遙調(diào)、遙測功能。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本文主要針對由兩套蓄電源組、兩段控制母線、兩段合閘母線、三臺相控整流充電機(jī)（其中兩臺主機(jī)分別為兩組電池充電浮充電，另一臺作為備用機(jī)）組成的直流電源系統(tǒng)監(jiān)控需要。因工控機(jī)監(jiān)迭系統(tǒng)易擴(kuò)充和易修改，只要稍加改進(jìn)，即可用于由高頻開關(guān)電源模塊組成的新型直流操作電源。根據(jù)此系統(tǒng)的需要，硬件主要由工控機(jī)工作站（AWS-825）、模擬量采集與調(diào)理板卡、模擬量輸入板卡（PCL-813B）、數(shù)字量輸入板卡（PCL-722）、模擬量輸出板卡（PCL-728）和數(shù)字量輸出板卡（PCL-735）等組成，如圖1所示。

2.1 工作站配置

工作站采用臺灣研華公司生產(chǎn)的AWS-825型帶15英寸CRT及60鍵薄膜鍵盤的一體化工控機(jī)，其配置如下：

CPU：PENTIUM 5/200

硬盤：4.3G

內(nèi)存：32M

軟驅(qū)：1.44M 3.5英寸軟盤驅(qū)動器一個

電源類型：PS-250，250W，平均無故障運(yùn)行時間100000小時。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的供電電源

監(jiān)控系統(tǒng)的工作電源為工作站內(nèi)的開關(guān)電源。為保護(hù)在交流電源停電的情況下，直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)也能正常工作，采用圖2所示的開關(guān)電源的供電線路。其中，T1為隔離變壓器，B1、B2為蓄電池組。平時由交流電源供電，當(dāng)交流電源停電時，由1#蓄電池組或2#蓄電池組為監(jiān)控系統(tǒng)供電。

2.3 功能電路板及其在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）PCL-813B（模擬量輸入）：32路單端隔離，12位分辨率，可編程輸入范圍設(shè)定，完成對系統(tǒng)中主要物理量（如兩如充電機(jī)的輸出電壓、電流，兩段控制母線的電壓、電流，兩套電池組的充電電壓和充電電流，三相交流輸入電壓、電流，環(huán)境溫度等）的檢測、兩段直流母線對地絕緣電阻的檢測和對蓄電池組的分組巡回檢測等。

（2）PCL-728（模擬量輸出）：2路12位分辨率光電隔離模擬量輸出卡，2塊，用于對兩臺充電機(jī)輸出電壓、輸出電流的調(diào)節(jié)。第三臺備用機(jī)采用本機(jī)自控工作方式，只在兩臺主充電機(jī)中有故障退出而需要備用機(jī)投入時，接受監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的開機(jī)命令投入運(yùn)行，在故障機(jī)修復(fù)投入運(yùn)行后便自動退出。

（3）PCL-722（數(shù)字量輸入）：144路數(shù)字量輸入/輸出卡，模擬8255狀態(tài)0，用以實(shí)現(xiàn)對主要加路熔斷器的監(jiān)視。

（4）PCL-735（數(shù)字量輸出）：12路繼電器輸出，用于對各充電機(jī)交流電源開關(guān)及蓄電池總開關(guān)的控制，及電池巡回檢測的選組及直流母線絕緣電阻的選線控制。

（5）PCLD-728B（轉(zhuǎn)接線）：24路光電隔離數(shù)字量輸入板3塊，須和PCL-722配合使用。

2.4 模擬量檢測電路

該電路包括以下幾部分：（1）三相交流電壓值和三相交流電流值的檢測部分，用交流互感器進(jìn)行檢測；（2）2號、2號充電機(jī)輸出電壓、輸出電流值和各直流母線電壓、電流值的檢測部分，用霍爾模塊作檢測元件，同時實(shí)現(xiàn)信號變換和隔離功能；（3）電池（共分30組）巡回檢測電路，包括電池組的切換和電池組電壓的輸入兩部分。電池組切換時，須同時切換電池組的正負(fù)兩極，電池電壓的輸入部分應(yīng)和工控機(jī)的工作電源實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，后者對于保證直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作非常重要；（4）直流母線對地電阻檢測電路，分別檢測直流正、負(fù)母線對地電阻，兩段母線共有兩套檢測電路。直流母線對地電阻的檢測，是直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)中既重要又困難的一個問題，筆者設(shè)計出一種新的實(shí)用檢測電路，很好地解決了這個問題。檢測電路原理如圖3所示。圖中，Rd1和Rd2分別表示直流正負(fù)母線對地電阻。CB為來自工控機(jī)工作站的控制信號，給CB以高電平，VT1導(dǎo)通，繼電器K1帶電，常開觸點(diǎn)閉合，則由直流正母線+KM1、限流電阻R2、光耦O1、K1的常開觸點(diǎn)、地、直流負(fù)母線對地電阻Kd2到直流負(fù)母線-KM1，形成一電流通路。該電流經(jīng)光耦隔離、轉(zhuǎn)換、阻容濾波后，輸入計算機(jī)，根據(jù)該電流的數(shù)值和直流母線電壓值及限流電阻值，可計算出Rd2的數(shù)值。給CB以低電平，VT1關(guān)斷，K1失電，常閉觸點(diǎn)閉合，則由直流正母線+KM1、直正母線對地電阻Rd1到地、K1的常閉觸點(diǎn)、光耦O2、限流電阻R1、直流負(fù)母線-KM1，形成一電流通路。該電流經(jīng)O2隔離、轉(zhuǎn)換、阻容濾波后，輸入計算機(jī)，同樣的方法，可以求出Rd1的數(shù)值。（5）數(shù)字量輸出電路。本系統(tǒng)采用繼電器輸出來控制一些主要電氣開關(guān)的閉合與斷開，由于繼電器觸點(diǎn)容量有限，必須考慮用中間繼電器等來加大觸點(diǎn)容量。

3 軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)采用VASUAL BASIC 6.0進(jìn)行編程，分三部分：其一是現(xiàn)場工作站的檢測與控制程序，其二是上位機(jī)（中調(diào)計算機(jī)）的四遙（遙控、遙測、遙信、遙調(diào)）接口界面程序，其三是工作站和上位機(jī)之間的串行通訊程序。

3.1 現(xiàn)場工作站的檢測與控制程序

該部分程序分主窗口菜單程序、正常屏顯和自動程序等三部分。

3.1.1 主窗口菜單程序

主窗口菜單程序由口令保護(hù)、調(diào)節(jié)與控制、物理量檢測、電池巡檢、故障檢測與診斷等構(gòu)成?？诹畋Ｗo(hù)用于限制非授權(quán)人員的操作；調(diào)節(jié)與控制菜單設(shè)有開關(guān)機(jī)控制、充電方式切換、主要參量調(diào)節(jié)、核對性放電等四個子菜單，分別實(shí)現(xiàn)人為的開關(guān)機(jī)操作和充電方式切換及對主要給定時的在線調(diào)節(jié)等功能。為易于進(jìn)行人機(jī)對話，充電方式切換、主要參量調(diào)節(jié)和核對性放電等三個子菜單分別啟動實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能的三個子窗口。主要參量調(diào)節(jié)設(shè)置了每個參數(shù)的上下限，以保證系統(tǒng)主要參量的調(diào)節(jié)在允許的范圍內(nèi)進(jìn)行。核對性放電監(jiān)視電池電壓，當(dāng)電池電壓下降到其下限值時或電池電壓不到下限值但放出的電池容量已達(dá)到電池的額定容量時，停止核對性放電。在放電子窗口中，顯示放電過程中電池電壓和放電電流的實(shí)際值及上次放電終了時的電池電壓以及上次實(shí)際放出的電池容量，供電池維護(hù)人員參考。物理量檢測給用戶擔(dān)任了了解系統(tǒng)中任意物理量的實(shí)際數(shù)值的用戶界面。為保證主要物理量的檢測精度，對每一個主要檢測支路和A/D輸入都采用10段3點(diǎn)二次插值法進(jìn)行數(shù)值處理。電池巡檢給用戶提供了自動巡檢、手動抽檢、查看故障電池等三個檢測方式，并顯示出當(dāng)前電池的編號和電壓值及所故障電池的編號。故障監(jiān)視及診斷設(shè)有交流失電、缺相，控制母線過壓、欠壓、紋波越限，充電機(jī)過流，直流母線對地絕緣電阻越限和主要加路熔斷器熔斷等故障監(jiān)視和聲光及語音報警功能。

3.1.2 正常屏顯

正常屏顯主要顯示兩段控制母線的電壓、電流值和三臺充電機(jī)的工作狀態(tài)等信息。

3.1.3 自動程序

自動程序用主窗口定時器控件來實(shí)現(xiàn)。主要完成以下任務(wù)：

（1）采集系統(tǒng)主要參量，并判斷其數(shù)值是否越限；

（2）控制兩臺充電機(jī)的充電過程，保證蓄電池阻處于最佳的充電狀態(tài)；

（3）分析并執(zhí)行來自上位機(jī)的遙控、遙調(diào)命令；

（4）刷新顯示；

（5）監(jiān)視主要熔斷器狀態(tài)；

（6）蓄電池巡回檢測；

（7）向上位機(jī)發(fā)送運(yùn)行信息。

軟件設(shè)計中的輸入輸出操作，通過調(diào)用研華公司提供的動態(tài)鏈接庫（DDL）來實(shí)現(xiàn)。自動程序框圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序的目的是為操作管理人員提供一個了解操作電源運(yùn)行信息和對操作電源進(jìn)行遙控、遙調(diào)的遠(yuǎn)程交互接口。程序主要由界面程序和通信程序兩部分組成，界面設(shè)計完全仿照工控機(jī)工作站的程序界面，通信程序在下面介紹。

3.3 串行通信程序

串行通信程序的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)直流操作電源的四遙功能，采用一對一的對等通信方式，通過Mscomm控件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用發(fā)送和接收定長數(shù)據(jù)段的通信方法。對操作電源的運(yùn)行信息，進(jìn)行定時發(fā)送；對來自上位機(jī)的遙控、遙調(diào)命令，采用中斷接收、定時處理的編程方法。上位機(jī)中的通信程序采用中斷接收、定時處理、隨時發(fā)送遙控及遙調(diào)命令的編程方式。為可靠起見，對每一個數(shù)據(jù)信息包都連續(xù)發(fā)送三次。接收程序則要取連續(xù)接收的三個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有當(dāng)這三個數(shù)據(jù)中有兩個以上相同時，才認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場試運(yùn)行表明，基于工作站的操作電源綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、易于擴(kuò)充和改進(jìn)、開發(fā)周期短、易于設(shè)計出友好的人機(jī)界面、易于采用虛擬儀器技術(shù)等新的設(shè)計思路來提高系統(tǒng)性能等顯著優(yōu)點(diǎn)。