基于工作站的直流操作电源综合监控系统的研制

直流操作电源是电力系统中继电保护装置、信号装置、照明装置等重要负载的不停电供电电源，其供电的可靠性关系重大。直流操作电源主要由蓄电池组、充电浮充电装置以及馈电支路开关和熔断器等组成。为保证直流操作电源供电的可靠性，必须对其进行全面的监视与控制调节。
工控机工作站具有功能强大、扩展方便、环境适应性和抗干扰能力强等优点，非常适合于组成直流操作电源综合监控系统。其缺点是价格较高，但对大容量、高可靠性的直流电源系统来说，是可以接受的。考虑到用户的多元化需要，我们和新乡直流电源成套厂合作，开发研制了该监控系统。

1 系统功能要求

根据现场需要，直流操作电源综合监控系统应该具备以下功能：

(1)电池管理功能，即选择最佳的充电方式或充电规律，以提高蓄电池的实际蓄电容量和使用寿命；
(2)交流电源中断时的自动处理功能，即保证在交流电源停电期间蓄电池不过度放电，以及交流电源恢复供电后对蓄电池组补充充电；
(3)对电池(分组)进行实时检测，对电池电压越限应能够进行及时的故障报警；
(4)监视充电机的工作情况
一旦出现故障 应立即将故障组切除 并自动投入备用组且发出声光及远程报警信号，通知维修人员对故障进行及时处理；
(5)对母线和主要支路的熔断器进行监视 若出现熔断器熔断现象 要及时发出声光及远程报警信号，以保证故障的及时排除和熔芯的及时更换；
(6)监视动力母线和控制母线的对地绝缘电阻，当其小于某一设定值时，应能发出声光及远程报警信号；
(7)对检测到的故障数据 如控母电压过高、控母电压过低、控母电压纹波超限、交流失电、缺相等，要及时存储；
(8)要具有远方通讯接口，以保证调度中心对操作电源工作状态的了解及远程控制，也就是说，要具有遥控、遥信、遥调、遥测功能。

2 系统的硬件构成

本文主要针对由两套蓄电池组、两段控制母线、两段合闸母线、三台相控整流充电机(其中两台主机分别为两组电池充电浮充电，另一台作为备用机)组成的直流电源系统的监控需要。因工控机监控系统易扩充和易修改，只要稍加改进，即可用于由高频开关电源模块组成的新型直流操作电源。根据此系统的需要，硬件主要由工控机工作站(AWS-825)、模拟量采集与调理板卡、模拟量输入板卡(PCL-813B)、数字量输入板卡(PCL-722)、模拟量输出板卡(PCL-728)和数字量输出板卡(PCL-735)等组成，如图1所示。

2.1 工作站配置

工作站采用台湾研华公司生产的AWS-825型带15英寸CRT及60键薄膜键盘的一体化工控机，其配置如下：
CPU:PENTIUM 5/200
硬盘：4.3G
内存：32M
软驱：1.44M 3.5英寸软盘驱动器一个
电源类型：PS-250，250W，平均无故障运行时间100000小时。

2.2 监控系统的供电电源

监控系统的工作电源为工作站内的开关电源。为保证在交流电源停电的情况下，直流操作电源监控系统也能正常工作，采用图2所示的开关电源的供电线路。其中，T1为隔离变压器，B1、B2为蓄电池组。平时由交流电源供电，当交流电源停电时，由1＃蓄电池组或2＃蓄电池组为监控系统供电。

2.3 功能电路板及其在监控系统中的作用

(1)PCL-813B(模拟量输入)：32路单端隔离，12位分辨率，可编程输入范围设定，完成对系统中主要物理量(如两台充电机的输出电压、电流，两段控制母线的电压、电流，两套电池组的充电电压和充电电流，三相交流输入电压、电流，环境温度等)的检测、两段直流母线对地绝缘电阻的检测和对蓄电池组的分组巡回检测等。

(2)PCL-728(模拟量输出)：2路12位分辨率光电隔离模拟量输出卡，2块，用于对两台充电机输出电压、输出电流的调节。第三台备用机采用本机自控工作方式，只在两台主充电机中有故障退出而需要备用机投入时，接受监控系统发出的开机命令投入运行，在故障机修复投入运行后便自动退出。

(3)PCL-722(数字量输入)：144路数字量输入／输出卡，模拟8255状态0，用以实现对主要回路熔断器的监视。

(4)PCL-735(数字量输出)：12路继电器输出，用于对各充电机交流电源开关及蓄电池总开关的控制，及电池巡回检测的选组及直流母线绝缘电阻的选线控制。

(5)PCLD-782B(转接线)：24路光电隔离数字量输入板3块，须和PCL-722配合使用。

2.4 模拟量检测电路

该电路包括以下几部分：(1)三相交流电压值和三相交流电流值的检测部分，用交流互感器进行检测；(2)1号、2号充电机输出电压、输出电流值和各直流母线电压、电流值的检测部分，用霍尔模块作检测元件，同时实现信号变换和隔离功能；(3)电池(共分30组)巡回检测电路，包括电池组的切换和电池组电压的输入两部分。电池组切换时，须同时切换电池组的正负两极，电池电压的输入部分应和工控机的工作电源实现电气上的隔离，后者对于保证直流操作电源监控系统的正常工作非常重要；(4)直流母线对地电阻检测电路，分别检测直流正、负母线对地电阻，两段母线共有两套检测电路。直流母线对地电阻的检测，是直流操作电源监控系统中既重要又困难的一个问题，笔者设计出一种新的实用检测电路，很好地解决了这个问题。检测电路原理如图3所示。



图中，Rd1和Rd2分别表示直流正负母线对地电阻。CB为来自工控机工作站的控制信号，给CB以高电平，VT1导通，继电器K1带电，常开触点闭合，则由直流正母线＋KM1、限流电阻R2、光耦O1、K1的常开触点、地、直流负母线对地电阻Rd2到直流负母线－KM1，形成一电流通路。该电流经光耦隔离、转换、阻容滤波后，输入计算机，根据该电流的数值和直流母线电压值及限流电阻值，可计算出Rd2的数值。给CB以低电平，VT1关断，K1失电，常闭触点闭合，则由直流正母线+KM1、直流正母线对地电阻Rd1到地、K1的常闭触点、光耦O2、限流电阻R1、直流负母线－KM1，形成一电流通路。该电流经O2隔离、转换、阻容滤波后，输入计算机，同样的方法，可以求出Rd1的数值。(5)数字量输出电路。本系统采用继电器输出来控制一些主要电气开关的闭合与断开，由于继电器触点容量有限，必须考虑用中间继电器等来加大触点容量。

3 软件设计

监控系统采用VASUAL BASIC 6.0进行编程，分三部分：其一是现场工作站的检测与控制程序，其二是上位机(中调计算机)的四遥(遥控、遥测、遥信、遥调)接口界面程序，其三是工作站和上位机之间的串行通讯程序。

3.1 现场工作站的检测与控制程序

该部分程序分主窗口菜单程序、正常屏显和自动程序等三部分。

3.1.1 主窗口菜单程序

主窗口菜单程序由口令保护、调节与控制、物理量检测、电池巡检、故障检测与诊断等构成。口令保护用于限制非授权人员的操作；调节与控制菜单设有开关机控制、充电方式切换、主要参量调节、核对性放电等四个子菜单，分别实现人为的开关机操作和充电方式切换及对主要给定量的在线调节等功能。为易于进行人机对话，充电方式切换、主要参量调节和核对性放电等三个子菜单分别启动实现对应功能的三个子窗口。主要参量调节设置了每个参数的上下限，以保证系统主要参量的调节在允许的范围内进行。核对性放电监视电池电压 当电池电压下降到其下限值时或电池电压不到下限值但放出的电池容量已达到电池的额定容量时 停止核对性放电。在放电子窗口中，显示放电过程中电池电压和放电电流的实际值及上次放电终了时的电池电压以及上次实际放出的电池容量，供电池维护人员参考。物理量检测给用户提供了了解系统中任意物理量的实际数值的用户界面。为保证主要物理量的检测精度，对每一个主要检测支路和A/D输入都采用10段3点二次插值法进行数值处理。电池巡检给用户提供了自动巡检、手动抽检、查看故障电池等三个检测方式，并显示出当前电池的编号和电压值及所有故障电池的编号。故障监视及诊断设有交流失电、缺相，控制母线过压、欠压、纹波越限，充电机过流，直流母线对地绝缘电阻越限和主要回路熔断器熔断等故障监视和声光及语音报警功能。

3.1.2 正常屏显

正常屏显主要显示两段控制母线的电压、电流值和三台充电机的工作状态等信息。

3.1.3 自动程序

自动程序用主窗口定时器控件来实现。主要完成以下任务：

(1)采集系统主要参量，并判断其数值是否越限；
(2)控制两台充电机的充电过程，保证蓄电池组处于最佳的充电状态；
(3)分析并执行来自上位机的遥控、遥调命令；
(4)刷新显示；
(5)监视主要熔断器状态；
(6)蓄电池巡回检测；
(7)向上位机发送运行信息。

软件设计中的输入输出操作，通过调用研华公司提供的动态链接库(DDL)来实现。自动程序框图如图4所示。

3.2上位机程序

上位机程序的目的是为操作管理人员提供一个了解操作电源运行信息和对操作电源进行遥控、遥调的远程交互接口。程序主要由界面程序和通信程序两部分组成，界面设计完全仿照工控机工作站的程序界面，通信程序在下面介绍。

3.3 串行通信程序

串行通信程序的任务是实现直流操作电源的四遥功能，采用一对一的对等通信方式，通过MScomm控件实现。该系统采用发送和接收定长数据段的通信方法。对操作电源的运行信息，进行定时发送；对来自上位机的遥控、遥调命令，采用中断接收、定时处理的编程方法。上位机中的通信程序采用中断接收、定时处理、随时发送遥控及遥调命令的编程方式。为可靠起见，对每一个数据信息包都连续发送三次。接收程序则要取连续接收的三个数据进行比较，只有当这三个数据中有两个以上相同时，才认为是有效数据。

现场试运行表明，基于工作站的操作电源综合监控系统具有抗干扰能力强、可靠性高、易于扩充和改进、开发周期短、易于设计出友好的人机界面、易于采用虚拟仪器技术等新的设计思路来提高系统性能等显著优点。