一种配电网专用24V直流不间断电源的设计

1    引言

    在变电站中，直流电源对变电站的二次设备以及变电站的实时通信非常重要。如果直流电源不可靠，会导致继电保护失灵，造成停电面积扩大，也使得通信出错，以致发生更大的事故，为此，要求其有较高的可靠性。通常，采用储能电容或蓄电池作后备电源，并且直接作为直流输出，但输出电能质量不高，而且电池管理复杂。因此，本文采用带蓄电池的开关电源提高电源的可靠性，同时输出电能质量高，满足通信的要求。一般情况下，蓄电池的管理是一件非常复杂的工作，该系统采用PIC16C73单片机来实现电池管理，管理方案简单可靠。

2    24V直流不间断电源系统

    24V配电网专用不间断电源系统示意图如图1所示。

图1    变电站配电网专用24V直流电源系统示意图

2.1    电源系统的性能指标

    两路交流输入    90～130V；

    可以用于变电站小型直流电机启动；

    输出直流24±0.03V；

    实时检测电池工作参数，远程监控；

    负载电流3A时备用时间≥10h；

    可以远程，现场实现电池管理操作；

    工作温度范围－40℃～＋80℃。

2.2    电源系统的各个模快

    1）前一级是半桥DC/DC电路，用作充电器。为提高可靠性，输入为两路交流110V，可以工作在交流90～130V，输出为直流28V（蓄电池在充电状态下），既用于对蓄电池充电，又可以通过蓄电池启动小型的直流电机。开关管采用晶体管2SC2625，控制芯片采用TL494。电路自激启动过程：直流母线上的分压电阻使得2SC2625的 V _BE≥0.6V，晶体管导通，电路开始自激，辅组绕组上建立瞬时电压，使得TL494工作，电路进入正常工作状态。

    2）后一级DC/DC电路采用推挽电路结构，变压器双向磁化，有效防止磁饱和^[1]。由于电池端电压可以在21V～27V之间变化，该电路可以实现升降压调节，使输出电压稳定在24V，满足负载要求。

    3）电池管理模块采用PIC16C73，其框图如图2所示。PIC16C73是Microchip公司推出的PIC8位中档单片机，仅35条单字节指令，自带5个A/D转换模块，稳定性好，可以工作在恶劣的环境^[2]。

图2    电池管理框图  [p]

    通过采样电路，实时将电池的端电压，放电电流，充电电流，电池温度，交流停电，充电器故障信号等送给PIC16C73处理。处理后的数据可以送给现场的LCD显示，以便现场巡检；数据送给上位机，可以实现远程监控。

    4）开关电源集成控制器TL494可以输出两路互补的脉冲控制信号，也可以实现单端输出。最小死区为3％而且可调，内有稳压和过流保护运放。

3    电池管理方案及功能实现

    电池管理部分硬件图如图3所示。

图3    电池管理部分硬件图

3.1    电池容量的选择

    按满足交流停电状态下持续放电的要求。在厂家提供蓄电池容量变换系数 K _c的条件下，采用式（1）计算容量 C ^[3]

    C = IG /( K _cδ_Tδ_K)    （1）

式中： I 为按配电网最大负荷电流设计；

      G 为蓄电池独立供电时间，由配电网可靠性等级决定；

            δ_T为蓄电池放电容量温度系数，在15～25℃环境温度下，温度每增高或降低1℃时，容量随温度变化增加或减小0.006至0.007的额定容量，δ_T=1＋0.006( T －25℃)；

            δ_K为蓄电池衰老系数，一般取0.8。

    根据以上原则，并结合实际应用场合，本系统选择了2个12A·h/12V的铅酸蓄电池串联。

3.2    电池管理的硬件实现

    交流上电后，一方面通过 R ₄和D₃对蓄电池充电，同时为后一级提供输入，此时继电器K₁吸合，但由于D₄反偏，蓄电池不对负载放电；在交流停电或蓄电池放电状态时，D₁反偏截止，此时蓄电池通过继电器触点及D₄对负载供电。当检测到电池电压≤21V时，停止供电，系统处于完全停电状态，应当避免这种情况的发生。 R ₇和 R ₈用来检测电池的充放电电流。在充电状态下，28V直流输出恒定，当处于放电状况下，该输出会有变化的。

    1）直流启动    在交流失电的情况下，可以直接按一下S₁，蓄电池为负载供电，同时， R ₅端为高电平，继电器K₁吸合，即使S₁断开，也不会中断供电，对S₁形成自锁。

    2）放电控制    由于在大多数情况下，电池处于充电状态，这对于电池的使用寿命有很大的影响。因此，在一定的时间里应使电池放电。在该系统中，放电分手动放电和自动定时放电。定时的长短根据用户的要求而定，一般定为60天，单片机内部计时器计时到达后，给出放电信号。放电信号通过硬件电路，在 R ₃端并上一电阻 R ₁，使得TL494脚1的电位上升，控制脉冲变窄，输出电压变低，使D₁处于反偏截止，此时，蓄电池单独对负载供电，前一级DC/DC相当于空载状态。根据电池厂家的建议，将电池的放电终了电压设为10.5V×2=21V，当检测到蓄电池电压≤21V时，撤销放电信号，充电器对蓄电池充电，同时为负载提供能量。

    3）电机启动    由于电机启动所需的电流较大，在此系统中通过蓄电池放电来达到这个目的。在启动前，人为发出一个信号，使充电器的电压下跌，此时蓄电池投入工作。

    4）充电电压可控    改变蓄电池的充电电压即是改变充电器的输出，而在 R ₃端并接不同的电阻 R ₁， R ₂即可改变输出电压，用户可以根据需要自行设定电压。 [p]

3.3    电池的参数检测

    1）充电电流 I _c和放电电流 I _d    当蓄电池处于充电状态时，由于D₄的箝位作用，负载电流 I _o完全由充电器提供，此时 R ₇的端电压 U_{R 7}= I _o R ₇， I _d=0， I_{R 8}= I _o＋ I _c，取 R ₇= R ₈则

    I _c=（ U_{R 8}－ U_{R 7}）/ R ₇；

    当由蓄电池单独供电时，D₄的箝位作用消失，此时 U_{R 8}=0， I _c=0，因此， I _d= I _o= U_{R 7}/ R ₇，所以，只要将 U_{R 7}和 U_{R 8}通过差分放大器得到0～5V的电流信号，送至PIC16C73的两个A/D转换通道，通过微处理器的处理，可以检测任一时刻的 I _c和 I _d。

    2）电池电压    由于采用两个12V电池串联，所以，应分别检测蓄电池端压，电压输出通过电阻分压获得电压采样值。当检测到电池电压 U _B1（ U _B2）出现|（ U _B1－12）|/12≥δ₀（δ₀是均衡率，此处取4％）时，表示该电池电压充电不均衡，应采取相应的措施。

    3）电池温度    采用AD590温度传感器，将温度采样值送到单片机，当检测到电池温度超过80℃的时间大于10min时，立即撤销放电控制信号，并将R5的高电平变为低电平，使继电器断开。

    4）电池容量    电池容量检测问题一直是蓄电池管理中的难点，通常的做法有:基于电动势的容量预测、基于电池内阻的容量预测、同时基于电池内阻与电动势的容量预测、基于电流放电率的容量预测、基于电流时间积分的容量预测等。在本系统中，由于负载的变化遵从 I _o=0.2 n （ n 为并联负载的个数），因此，容量检测采用电流时间积分的容量预测，会使检测简单可行。电池放电容量 C _Δ= I _dd t ，由于负载的投切，电流发生变化遵从固定的规律，所以 C _Δ=0.2 n ₁ t ₁＋0.2 n ₂ t ₂( n ₁ t ₁， n ₂ t ₂为不同负载作用的时间)。如果知道电池放电前的初始容量 C _o的话，则变化后的电池容量 C _x= C _o－ C _Δ。这种方法相对比较简单，容易实现，而且可以采用系统本身所具有的电流采样电路，无需外加特殊设备。

3.4    剩余时间的预测

    电池容量预测的目的是为了获得电池系统能够提供的工作时间的相关信息，因此，实际上我们只须知道在当前条件下（电压、电流、温度）电池系统还能够提供的工作时间。在某一时刻，电压、电流、温度值可以测量得到，那么，我们就能预测该电池在此电流下恒流放电的可持续时间，即系统中有这样一张表，将电压分成几档，电流也分成几档，如表1所列。

表1    电池容量预测表

    系统所要做的工作就是将该表填满，并且根据某一时刻的端电压和电流，从该表中计算出该电池在该电流下还能够运行的时间。电压电流的分档区间的大小决定了电池剩余容量预测的精度。下面以12A·h/12V的铅酸电池为例来说明该系统的工作过程。

    1）表格的初始化    初始化可以由两种方法，其一，通过电池厂商提供的电池放电曲线获得数据；其二，就是从运行中获得数据。初始化数据并不需要将表格填满，但是初始化数据的多寡决定了系统运行初期剩余容量预测的准确度。我们将电流分为4档：0.05 C /0.1 C /0.15 C /0.2 C ，而电压以0.1V分为一档。

    2）修正电压    在不同的放电电流时，电池内阻以及极化电压是不同的，因此，首先必须获得不同放电电流下的修正电压。以0.05 C 为基准，对电池进行放电实验，得出不同电压点的修正电压。

    3）预测剩余时间    根据初始化的结果，获得预测表中的一部分数据，如果从预测表中已知 t ( V ₁， I ₂)时，预测以 I ₁放电达到 V ₁时剩余的时间，采用换算公式（2）预测。

    t ( V ₁， I ₁)= t ( V ₁－ V_{x 2}＋ V_{x 1}， I ₂)× I ₂/ I ₁（2）

式中： t ( V ₁， I ₁)是以 I ₁放电，当电池电压达到 V ₁时剩余的时间；

      V_xn 是各电流相应的修正电压。 [p]

    I ₂的选择考虑就近的原则以保证预测的准确度。选择最近一次放电结果进行预测，例如：上次用0.1 C 放电，这次要预测0.2 C ，则 I ₂取0.1 C 。这是因为电池的物理化学状态随时在变，时间越靠近，结果应该越准确。该方法预测剩余时间的误差在15min以下，在实际应用中可以提高时间和电压的测量精度从而提高预测的准确度。

    4）预测表的修正    预测表的修正在电池放电至截至电压时进行分为几种情况：

    （1）放电结束前，电池恒流放电，对该恒流值下的放电预测表进行修正；

    （2）放电完毕前，电池经过几种电流放电，通过时间折算公式（2）修正这几种电流相应电压预测表；

    （3）在不同温度下，按－4mV/℃进行修正。

    图4为剩余时间预测程序流程图。

图4    剩余时间预测程序流程图

    这种预测方法的优点在于：

    ——不需要大量的预设曲线；

    ——不需要增加多余的测量设备，充分利用原有系统的电压电流测量系统；

    ——随着运行时间的增加，预测准确度增加；

    ——这种预测方法可以根据需要调整存储器的容量，以提高精度。

4    结语

    本文所介绍的直流不间断电源系统可靠性高，具有较好的EMC性能，电池检测方案简易，控制操作方便，剩余时间的预测方法简单实用，软硬件的设计简单而灵活。通过在变电站现场使用的情况看来，效果很好。