直流屏電池故障檢測系統(tǒng)的設計

冀 友 公 政 葛卉婷 黃鶴松 公茂法

（1.山東科技大學，山東 青島 266510；2.山東電力集團 濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

0 引言

現(xiàn)今為發(fā)電廠和變電站的控制負荷和動力負荷以及直流事故照明負荷等供電的是電力工程直流電源，簡稱為直流屏。主要由蓄電池，充電模塊和監(jiān)控器三部分組成。它為發(fā)電廠和各種變電站中的信號設備、保護、自動裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源，并在外部交流電中斷的情況下，保證繼續(xù)提供可靠直流電源[1]。直流屏蓄電池作為電力系統(tǒng)交流停電時的后備電源，其可靠性和安全性直接影響到電力系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。因此要保證電網(wǎng)正常運行必須加強對直流屏蓄電池的檢測和維護[2]。

1 系統(tǒng)設計總述

整個硬件電路有以下單元組成：MCU 主控制單元、 電池檢測切換電路單元、檢測信號處理單元、A/D 轉(zhuǎn)換單元、繼電器驅(qū)動電路單元。如圖1 所示，系統(tǒng)采用模塊式集散結(jié)構(gòu)，能保證各單元功能的相對獨立性，主控單元與各功能單元采用光電隔離芯片隔離，避免單元故障在整個系統(tǒng)中擴散，因而系統(tǒng)具有極高的可靠性[3]。 主控芯片STC89C52是宏晶公司生產(chǎn)的一款低功耗、 高性能CMOS 8 位單片機， 片內(nèi)自帶8k bytes 的在系統(tǒng)可編程Flash 程序存儲器和512 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，可直接使用串口下載程序。 芯片兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8 位中央處理器和Flash 存儲單元，可適用于本次電池故障檢測任務。

2 檢測系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 電池電壓信號處理電路設計

由于電池檢測切換電路直接測得的U1、U2 為弱信號， 經(jīng)比例運放濾波環(huán)節(jié)處理后送到ADC0804 芯片才能保證測量靈敏度。 我們采用AD620 來處理輸入信號U1、U2， 經(jīng)差分放大后的信號送到A/D。AD620 為儀表放大器，放大器增益通過控制電阻RG 控制[4]。

2.2 AD 轉(zhuǎn)換電路設計

根據(jù)設計需要，選定A/D 芯片ADC0804。 該芯片內(nèi)部帶輸出數(shù)據(jù)鎖存器，轉(zhuǎn)換電路的輸出口能直接連到主控芯片的數(shù)據(jù)總線上，不用再附加邏輯接口電路。

ADC0804 的兩個模擬信號輸入端，能接受單極性、雙極性和差摸輸入信號。 STC89C52 芯片通過P3.6 口經(jīng)光電隔離控制啟動ADC0804， 同時ADC0804 將轉(zhuǎn)換結(jié)束后的電壓信號經(jīng)過隔離送到STC89C52 的P0 口，完成電壓信號檢測。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The Overrall System Block Diagram

2.3 繼電器驅(qū)動電路設計

通過繼電器將電池逐個切換到信號注入和信號檢測電路。繼電器驅(qū)動電路如圖2 所示，STC89C52 芯片P2 口的控制信號通過光耦隔離后，由74LS145 譯碼電路確定哪路繼電器的通斷，可順序檢測蓄電池內(nèi)阻和蓄電池電壓。

2.4 內(nèi)阻測量方法與測量電路設計

2.4.1 內(nèi)阻測量方法簡介

通過交流注入法測量蓄電池內(nèi)阻，實現(xiàn)在線檢測，交流注入法存在易受諧波干擾，影響測量精度的弊端，在硬件電路中應添加抗干擾設計部分，來提高穩(wěn)定性[5]。 內(nèi)阻測量的系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 中，R 為阻值已知的參考電阻。 交流信號發(fā)生器經(jīng)耦合驅(qū)動電路向蓄電池中注入交流信號，交流信號頻率為1kHz。 采樣電路分別將蓄電池兩端和參考電阻兩端的響應信號經(jīng)過處理后，可以得到穩(wěn)定的幅值電壓[6]。 因為蓄電池與參考電阻串聯(lián)，所以電流是相同的。 如果蓄電池兩端的響應電壓為U1，內(nèi)阻抗為Z，參考電阻R 兩端得到的響應電壓為U2，由歐姆定律可得：

圖2 繼電器驅(qū)動電路Fig.2 The Circuit of Relay Driver

圖3 內(nèi)阻測量系統(tǒng)框圖Fig.3 The Block Diagram of Resistance Measurement System

2.4.2 內(nèi)阻測量硬件設計

（1）交流信號發(fā)生電路如圖4 所示。 交流信號發(fā)生器采用集成運放TL082 構(gòu)成文氏橋正弦波發(fā)生器[7]，其振蕩頻率為1kHz。

圖4 交流信號發(fā)生器Fig.4 AC Signal Generator Circuit

（2）耦合驅(qū)動電路如圖5 所示。 利用音頻集成功放LM386 芯片的三級放大電路，其輸入級為差分放大器能克服交流注入信號易受干擾的弱點，中間級有較高電壓增益，能為輸出級提供足夠的信號電壓，最后經(jīng)輸出級的互補對稱功放電路輸出足夠大的功率。

圖5 耦合驅(qū)動電路Fig.5 Coupled Drive Circuit

（3）交流差分放大及濾波電路如圖6 所示。 經(jīng)過信號采集電路得到的電壓信號很微弱,需放大濾波后才能滿足下一級A/D 處理電路的輸入要求。 采用AD620 儀表放大器以及帶通濾波器組成交流差分放大及濾波電路。

圖6 交流差分放大及濾波電路Fig.6 Cicuit of Filter and AC Differential Aplification

高性能的儀表放大器AD620 的增益可以通過改變腳1 和腳8 之間的電阻RG值來調(diào)節(jié)。 信號放大后， 經(jīng)過帶通濾波器檢測出0.4-3kHz 的帶通信號，送到乘法器的信號端[8]。采用高精度的運放OP27 實現(xiàn)直流放大電路的程控增益放大， 放大器反饋電阻由模擬開關CD4052 來選擇，通過STC89C52 智能選擇放大倍數(shù)，使信號保持在最佳A/D 采集電壓的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文主要介紹直流屏蓄電池狀態(tài)檢測系統(tǒng)的構(gòu)成和檢測電路硬件電路，重點介紹了電壓測量電路和內(nèi)阻測量電路。經(jīng)現(xiàn)場試驗表明：本文論述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測量方法測量電路可行有效。

［1］鄭貴林，李金召.一種新型直流屏蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動化設備,2005,25(1): 40-42.

［2］馬福州,楊順江,徐莉,等.分散式直流屏蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)[J].電工技術,2008:69-70.

［3］黃發(fā)雷.一種實用的光電隔離式串行通信方案[J].現(xiàn)代電子技術,2006:37-38.

［4］王樹振,單威,宋玲玲.AD620 儀用放大器原理與應用[J].微處理機,2008:38-40.

［5］劉登峰,邵天章.蓄電池內(nèi)阻測試儀的設計[J].電源技術,2011,35(3):305-307.

［6］蔣京頤,趙忖,劉秀峰.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分的設計[J].科學技術與工程,2010,10(18):4496-4498

［7］周宦銀，房宗良，朱玲贊.文氏橋正弦波發(fā)生器的EWB 仿真研究[C]//第13 屆中國系統(tǒng)仿真技術及其應用學術年會論文集.2011.

［8］ANALOG DEVICES,AD620 儀表放大芯片數(shù)據(jù)手冊[Z].2006.