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(jì)。該監(jiān)控系統(tǒng)具有檢測(cè)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(jí)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(hào)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(kāi)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(duì)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(jià)格較高，但對(duì)大容量、高可靠性的直流電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是可以接受的。考慮到用戶的多元化需要，我們和新系直流電源成套廠合作，開(kāi)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(chǎng)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(shí)的自動(dòng)處理功能，即保證在交流電源停電期間蓄電池不過(guò)度放電，以及交流電源恢復(fù)供電后對(duì)蓄電池組補(bǔ)充充電；

（3）對(duì)電池（分組）進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)電池電壓越限應(yīng)能夠進(jìn)行及時(shí)的故障報(bào)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(dòng)投入備用組且發(fā)出聲光及遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)，通知維修人員對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)處理；

（5）對(duì)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(shí)發(fā)出聲光及遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)，以保證故障的及時(shí)排除和熔芯的及時(shí)更換。

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

（7）對(duì)檢測(cè)到的故障數(shù)據(jù)，如控母電壓過(guò)高、控母電壓過(guò)低、控母電壓紋波超限、交流失電、缺相等，要及時(shí)存儲(chǔ)；

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

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本文主要針對(duì)由兩套蓄電源組、兩段控制母線、兩段合閘母線、三臺(tái)相控整流充電機(jī)（其中兩臺(tái)主機(jī)分別為兩組電池充電浮充電，另一臺(tái)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(kāi)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(tái)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(dòng)器一個(gè)

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

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(kāi)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(kāi)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(shí)由交流電源供電，當(dāng)交流電源停電時(shí)，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(duì)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(cè)、兩段直流母線對(duì)地絕緣電阻的檢測(cè)和對(duì)蓄電池組的分組巡回檢測(cè)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(duì)兩臺(tái)充電機(jī)輸出電壓、輸出電流的調(diào)節(jié)。第三臺(tái)備用機(jī)采用本機(jī)自控工作方式，只在兩臺(tái)主充電機(jī)中有故障退出而需要備用機(jī)投入時(shí)，接受監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的開(kāi)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(dòng)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(duì)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(duì)各充電機(jī)交流電源開(kāi)關(guān)及蓄電池總開(kāi)關(guān)的控制，及電池巡回檢測(cè)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(cè)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(cè)部分，用交流互感器進(jìn)行檢測(cè)；（2）2號(hào)、2號(hào)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(cè)部分，用霍爾模塊作檢測(cè)元件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換和隔離功能；（3）電池（共分30組）巡回檢測(cè)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(shí)，須同時(shí)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(duì)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(duì)地電阻檢測(cè)電路，分別檢測(cè)直流正、負(fù)母線對(duì)地電阻，兩段母線共有兩套檢測(cè)電路。直流母線對(duì)地電阻的檢測(cè)，是直流操作電源監(jiān)控系統(tǒng)中既重要又困難的一個(gè)問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)出一種新的實(shí)用檢測(cè)電路，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。檢測(cè)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(duì)地電阻。CB為來(lái)自工控機(jī)工作站的控制信號(hào)，給CB以高電平，VT1導(dǎo)通，繼電器K1帶電，常開(kāi)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(kāi)觸點(diǎn)、地、直流負(fù)母線對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)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(jì)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(lái)控制一些主要電氣開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)，由于繼電器觸點(diǎn)容量有限，必須考慮用中間繼電器等來(lái)加大觸點(diǎn)容量。

3 軟件設(shè)計(jì)

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(chǎng)工作站的檢測(cè)與控制程序，其二是上位機(jī)（中調(diào)計(jì)算機(jī)）的四遙（遙控、遙測(cè)、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(chǎng)工作站的檢測(cè)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(dòng)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(cè)、電池巡檢、故障檢測(cè)與診斷等構(gòu)成。口令保護(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(kāi)關(guān)機(jī)控制、充電方式切換、主要參量調(diào)節(jié)、核對(duì)性放電等四個(gè)子菜單，分別實(shí)現(xiàn)人為的開(kāi)關(guān)機(jī)操作和充電方式切換及對(duì)主要給定時(shí)的在線調(diào)節(jié)等功能。為易于進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，充電方式切換、主要參量調(diào)節(jié)和核對(duì)性放電等三個(gè)子菜單分別啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能的三個(gè)子窗口。主要參量調(diào)節(jié)設(shè)置了每個(gè)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(duì)性放電監(jiān)視電池電壓，當(dāng)電池電壓下降到其下限值時(shí)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(shí)，停止核對(duì)性放電。在放電子窗口中，顯示放電過(guò)程中電池電壓和放電電流的實(shí)際值及上次放電終了時(shí)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(cè)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(cè)精度，對(duì)每一個(gè)主要檢測(cè)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(dòng)巡檢、手動(dòng)抽檢、查看故障電池等三個(gè)檢測(cè)方式，并顯示出當(dāng)前電池的編號(hào)和電壓值及所故障電池的編號(hào)。故障監(jiān)視及診斷設(shè)有交流失電、缺相，控制母線過(guò)壓、欠壓、紋波越限，充電機(jī)過(guò)流，直流母線對(duì)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(yǔ)音報(bào)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(tái)充電機(jī)的工作狀態(tài)等信息。

3.1.3 自動(dòng)程序

自動(dòng)程序用主窗口定時(shí)器控件來(lái)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(tái)充電機(jī)的充電過(guò)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(lái)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(cè)；

（7）向上位機(jī)發(fā)送運(yùn)行信息。

軟件設(shè)計(jì)中的輸入輸出操作，通過(guò)調(diào)用研華公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DDL）來(lái)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)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(gè)了解操作電源運(yùn)行信息和對(duì)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(jì)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(duì)一的對(duì)等通信方式，通過(guò)Mscomm控件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用發(fā)送和接收定長(zhǎng)數(shù)據(jù)段的通信方法。對(duì)操作電源的運(yùn)行信息，進(jìn)行定時(shí)發(fā)送；對(duì)來(lái)自上位機(jī)的遙控、遙調(diào)命令，采用中斷接收、定時(shí)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(shí)處理、隨時(shí)發(fā)送遙控及遙調(diào)命令的編程方式。為可靠起見(jiàn)，對(duì)每一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有當(dāng)這三個(gè)數(shù)據(jù)中有兩個(gè)以上相同時(shí)，才認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)發(fā)周期短、易于設(shè)計(jì)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(jì)思路來(lái)提高系統(tǒng)性能等顯著優(yōu)點(diǎn)。