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电站直流电源后备系统及智能充电机的设计
摘要：介绍了电站无人值守直流电源后备系统的组成以及蓄电池组的充电流程。详细讨论了该系统中的关键设备——智能充电机的功能要求，以及使用多微处理器实现该设备的软硬件设计方法。该系统已在多个电力企业成功应用。关键词：直流电源后备系统 多微控制器 充电机
直流电源后备系统是各类电厂、变电站、电站等必备的。其主要功能是作为主电源的替代电源，当主电源突然中断后，给关键主控设备、故障监测系统、故障保护系统等提供动力电。它可以包括多个蓄电池组，每组可有多达一百多只铅酸或其它种类的蓄电池，容量可达2000安时以上。
成套的无人值守、免维护直流电源系统由蓄电池组、充电浮充电装置、电池监测(容量及电压)装置、绝缘监测装置、交流监测装置、硅链调压装置、一系列遥控开关、保护子系统以及将这些装置连接成一个整体的工业通信网络和中央控制器组成。上述装置(除中央控制器之外)均可有多套。通信网络采用RS485接口，为了提高现场抗干扰的能力，RS485接口应采用带光隔离型的，也可采用工业现场总线如CAN总线、LonWorks等。中央控制器具有带汉字液晶显示的人机接口，一方面能通过通信网络与各子系统(装置)进行双向通信，取得其运行的实时数据，并对这些设备进行遥控、遥调；另一方面还与电站综合自动化系统相连，将整个直流系统的信息传递至这些更高层的系统。系统结构图如图1所示。
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在这些装置中，充电浮充电装置(即智能充电机)无疑占据极其重要的地位，其作用在于提供智能充放电流程控制，自动补充蓄电池因事故放电和合闸操作而损耗的电能，从而使蓄电池组始终处于最佳的蓄能状态，保证直流后备电源系统的可靠性。
1 蓄电池充放电控制流程及智能充电机的功能设计
直流电源系统中的蓄电池在系统运行过程中可能会遇到各种运行状态，如交流中断导致的放电，以及长时间运行过程中由于内部化学反应而造成的自放电损失等。为了保证电池的容量，必须以一定的控制流程对蓄电池进行充电控制。
图2是原电力部负责组织制定的微机控制直流电源系统运行程序的示波图。从图中可知，铅酸蓄电池的充电流程由以下几个部分组成：
(1)启动阶段
为了避免电压突变对电池造成冲击，上电时，充电电压必须平滑地上升，在十几秒钟以后达到给定值。此阶段称为软启动阶段，充电机应该实现恒流控制。
图2
(2)0.1C10A恒流充电
软启动结束后，充电机以0.1C10A的电流对电池进行恒流充电。此时，电池的端压将逐渐上升。当端压上升至2.35×n(n为电池个数)时，恒流充电结束，转为下一阶段。
(3)均充阶段
此阶段为恒压控制，给定值为2.35×n。此时充电电流将逐渐减小，当电流减小到0.01Cl0A时，计时系统开始计时，当计完“均转浮设定时间”后(此时间可调，范围为0～72小时)，系统进入下一阶段——浮充阶段。
(4)浮充阶段
此阶段也为恒压控制，但其电压给定值为2.25×n。浮充阶段经过一个可设定的“活化时间”后(1～3个月)，系统重新回到上述第(2)阶段。
(5)交流中断与恢复供电
当电网的交流中断以后，蓄电池放电给系统以提供后备电源。当交流系统恢复供电以后，充电机自动对电池进行恒流充电，也回到上述第(2)个阶段。
综上所述，智能充电机实现的功能如下：
(1)对蓄电池进行完整的充放电控制。
(2)所有的控制参数均可由用户设定，包括均充、浮充电压给定、恒流充电电流给定、均充转浮充时间、活化时间等。
(3)完善的报警保护功能，包括交流中断、缺相、过压、过流、短路等。
(4)RS485通信接口及相应的通信协议，包括提供上位机远控功能。
(5)恒压恒流精度可达±1%，纹波系数在1%以下，功率因数及效率也可达到用户给定的指标。
(6)温度对蓄电池充电特性有一定影响，因此需具备温度补偿功能。
2 智能充电机的硬件设计
本充电机采用可控硅三相全控桥的相控整流主电路型式。
本系统的特点是控制精度要求较高、任务较多，为了提高硬件可靠性，系统采用了多微控制器(单片机)的设计。
系统整个运行任务按功能独立性及负荷均匀的原则大致可分为以下四个大的子任务：同步脉冲产生、移相触发脉冲生成、流程控制及恒压恒流算法实现、接口及串行通信等。这些任务由一两块单片机完成是不可能的，为此使用四块单片机，每块单片机完成上述的一个子任务，各单片机之间通过硬件握手信号及共享RAM存储器来通信。图3是这些单片机的联系逻辑图。
同步单片机完成同步脉冲的产生，包括相序的判定、缺相的判定等，从而使系统达到不认相序无需调整的要求。
触发单片机完成6个触发脉冲的产生与分配(根据相序信号及来自于控制单片机的单相导通信号来判定)。
图5
人机接口单片机所扩展的功能电路单元较多，其原理框图如图4所示。
首先是温度采样。由于电池柜与控制器相距可达百米，因此采用温度电流传感芯片AD590。AD590输出一个与绝对温度值成正比的电流信号。由于其具有高阻抗的恒流源输出特性，因此对长线阻抗不敏感，同时也能抗现场干扰。温度采样电路如图5所示，图中的两个电位器可以对零点和满刻度进行校正。
由于蓄电池数目较多，所占面积也较大，因此使用三只均匀放置的AD590，将它们并联，所得测量结果为三点温度的平均值。
显示接口采用两片串行的7219 LED显示驱动芯片，并扩展4x4位的LED数码管显示及若干LED发光指示灯。7219可自动完成LED数码管动态扫描的显示控制。
日历时钟芯片12C887提供充电流程控制所需要的日期时间标尺，同时其片内近128Byte的不掉电内存单元还可用于不掉电存储控制参数。
DSl609是一个双口RAM，共256Byte。在本系统中，它作为人机接口单片机与控制单片机的共享内存，传递公用信息。防止两个单片机同一瞬间对1609同一单元进行读写而造成冲突是应用的关键，系统采用信号邮箱的方式解决这一问题，如后所述。
控制单片机的接线较为简单，主要是为触发单片机输出单同步移相触发信号。
3 软件设计
限于篇幅，仅讨论接口单片机与控制单片机的软件设计。接口单片机的软件较为复杂，整个软件运行受两个中断源驱动：一是主同步信号外中断，另一个是串行口中断。整体软件是一个多任务后台切换的结构，任务包括电压电流采样、键盘扫描、与1609通信、采样值的标度变换、采样值的显示、报警处理、温度的采样与显示、判断是否接收到完整的串行通信数据与命令帧、串行通信命令帧解释等。在每个主同步信号外中断发生后，接口单片机必须完成前四个任务，其它不太急切的任务则由主控程序轮流挑选一个激活执行，激活的唯一依据就是次序。
对共享内存的读写使用了几个信号量标志，如表1所示。
表1 对共享内存的读写所使用的信号量标志
上表中，左单片机指的是接口单片机，右单片机指的是控制单片机，所谓“左置右清”指的是标志是由接口单片机置位，由控制单片机复位。
左单片机读1609共享信息的流程图如图6所示。
可以证明通过对以上四个标志的运用，可完全避免对共享内存单元的读写冲突。
控制单片机的主要任务是完成控制算法并输出控制量，其软件的运行是受每20ms一次的同步脉冲带来的外中断驱动的。恒压恒流算法采用抗微分饱和的PID算法。由于控制量输出的是一个移相角，此角度是由片内定时器D(t0)的定时时间决定的。根据89C52定时器的定时时间常数与主频(11.059MHz)的关系可以推算得:定时常数=216-921.6×1/18×α(度)=216-51.2×α(度)。
控制单片机软件主流程框图如图7所示。
同步脉冲的外中断服务程序仅设置一个发生标志，而t0的定时中断服务程序则需要输出一个1ms左右的移相脉冲。因此，需要设置定时lms的时间常数，重新启动定时。相关软件框图略。
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