1 引言

　　電力" title="電力">電力操作電源監(jiān)測系統(tǒng)是隨著電力系統(tǒng)自動化運行而產(chǎn)生的，該系統(tǒng)可以對變電站中的交流供電電源、直流控制電源、備用操作電源以及開關(guān)狀態(tài)等進行參數(shù)監(jiān)測、故障報警等操作。從而及時地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的異常情況，提前做好防范以保證電力系統(tǒng)連續(xù)可靠地運行。同時，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時為繼電器以及斷路器等二次設(shè)備提供備用操作電源，對設(shè)備進行保護。

　　電池巡檢儀是備用電源的檢測裝置，主要的功能是對單體電池的電壓、溫度、容量等參數(shù)進行檢測，提供充電控制以及故障報警等功能，從而可以合理地控制電池，延長電池使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　電源監(jiān)控系統(tǒng)起步于80年代末，當(dāng)時它只能監(jiān)控一個獨立的直流供電系統(tǒng)或一個局（站），且電源監(jiān)控水平不高，可靠性較低。90年代以后尤其是近幾年來，伴隨著計算機、通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和電源裝備水平的提高，電源監(jiān)控也逐漸成熟起來，發(fā)展到可以監(jiān)控多回路甚至是多個系統(tǒng)。

　　電力操作電源監(jiān)控系統(tǒng)配合合理的控制器，通過控制高壓斷路器以及其他的繼電器設(shè)備，可以完全實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全運行和自動調(diào)度，從而滿足現(xiàn)代化電力調(diào)度的需要。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　此電源

管理儀器主要用于中小型變電站的操作電源以及備用電源的監(jiān)測和管理，為了更好的節(jié)約備用電池的能源，選擇低功耗的MSP430F149微控制器作為設(shè)備的處理器。

　　2.1 采樣模塊

　　交流模塊采用ATT7022B交流三相電能計量器件處理交流部分的有功功率、無功功率、諧波、電壓、電流等參數(shù)。ATT7022B價格比較便宜，而且具有SPI（serial peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）接口，能夠方便地與MSP430F149單片機進行通信。

　　開關(guān)量監(jiān)控，包括交流斷路器分合閘狀態(tài)（主、備用電源共兩路）、交流控制電源8路、直流斷路器的分合狀態(tài)。

　　直流量監(jiān)控，包括環(huán)境溫度、電池溫度、單片機溫度、單體電池電壓、直流合閘電源2路、操作電壓和合閘電流。

　　2.2 人機接口模塊

　　鍵盤是主要的輸入來源。為了節(jié)約成本，系統(tǒng)采用掃描方式實現(xiàn)矩陣鍵盤，采用中文液晶顯示。

　　2.3 通信模塊

　　由于單片機內(nèi)具有UART,因此采用RS-232串行通信方式實現(xiàn)與上位機的通信。為了實現(xiàn)與上位機電平匹配，采用SP3220E作為接口電平轉(zhuǎn)換器。設(shè)備的工藝流程如圖1所示。

　　
       根據(jù)圖1，由交流電壓到直流電壓的順序介紹系統(tǒng)的工藝過程。

　　蓄電池組管理。整流后的電壓一般高于蓄電池組電壓以供電池組充電，當(dāng)其用于工作電源時，可通過二極管對其進行降壓，K1、K2等開關(guān)用于選擇降壓值，其通斷由處理器控制，處理器對電池組中單個電池狀況進行巡回檢測，實時反應(yīng)電池的使用狀態(tài)，便于及時了解電池狀況。

　　交流參數(shù)檢測。系統(tǒng)采用專用的電能計量器件ATT7022B對交流電網(wǎng)的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、諧波等參數(shù)進行檢測，并通過該器件自帶的SPI接口與單片機相連。

　　管理系統(tǒng)與上位機以串行方式通信。上位機可對此系統(tǒng)進行檢測，并能修改控制參數(shù)，從而實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等四種遙控功能。

　　設(shè)備的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要功能模塊包括：

　　
       （1） 對交流側(cè)母線電壓、電流、諧波等參數(shù)進行監(jiān)測，對交流電路進行采樣，對離散數(shù)據(jù)進行處理（一個周期采樣20～0次），計算出線路的有功功率、無功功率以及線路的功率因素。這些功能可以采用一個ATT7022B來實現(xiàn)。

　?。?） 對整流后的直流操作電源線路進行監(jiān)測。監(jiān)測其電壓、合閘電流以及操作電源是否發(fā)生故障等。同時，可以采用監(jiān)測得到的電壓作為二極管自動調(diào)壓的依據(jù)，實現(xiàn)操作電源自動分檔調(diào)壓。

　?。?） 對備用操作電源設(shè)備（蓄電池）進行巡回檢測（對單體電池檢測），了解電池電量以及相關(guān)參數(shù)并及時更換電池，控制電池充放電狀態(tài)．使電池保持最佳狀態(tài)，有效地延長電池的使用壽命。

　　（4） 由于設(shè)備的功能鍵盤需求不多，可以采用單片機通用I／O口擴展的矩陣鍵盤，顯示部分采用中文液晶顯示模塊。

　?。?） 采用串行通信協(xié)議實現(xiàn)與上位機通信，可以遠程控制與監(jiān)測。

　　根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程可以知道，系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有三大模塊：交流數(shù)據(jù)采樣模塊、蓄電池組管理模塊以及直流操作電源信號分析模塊，另外還有其他小模塊如：顯示、鍵盤、通信模塊等，前三大模塊并列運行，按巡回方式采樣。由定時器設(shè)定采樣時間。系統(tǒng)運行過程如圖3所示。

       MSP430系列單片機具有三種低功耗模式，為了減少能耗，可采用中斷方式。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

　　
       3 模塊子系統(tǒng)詳細設(shè)計方案

　　3.1 直流采樣硬件設(shè)計

　　直流采樣部分主要包括電池充放電控制、監(jiān)測以及整流后對操作電壓、電流的監(jiān)測。對電池的管理還包括其溫度、電壓、容量等。此外，故障報警電路也屬于直流模塊。直流采樣電路可分為電池巡檢電路、整流直流電源監(jiān)測、開關(guān)量輸入及控制量輸出等硬件設(shè)計部分。

　　電池巡檢電路包括電池單體電壓監(jiān)測、溫度檢測、電池充放電以及報警電路。電池單體電壓監(jiān)測包括采樣電路設(shè)計和巡檢邏輯電路。溫度檢測電路主要分為三路，分別為環(huán)境溫度、電池組溫度、單片機內(nèi)部溫度，共采用三路A／D轉(zhuǎn)換器。電池充電回路采用高頻開關(guān)整流電源對其充電，部分采用高頻開關(guān)充電器作為充電電源，采用繼電器控制電池組充電。當(dāng)正常供電時，高頻開關(guān)電源直接給二次電路繼電器供電，一旦主電源出現(xiàn)故障，立即采用備用電源以防止事故的發(fā)生，電池組處于常備用狀態(tài)。報警電路主要驅(qū)動一個蜂鳴器和一個報警發(fā)光二極管，從而實現(xiàn)聲光報警功能。

　　整流直流電源監(jiān)測包括電壓電流監(jiān)測和操作電

源自動調(diào)壓控制。直流電壓監(jiān)測可以采用與單體電池電壓采樣相同的電阻分壓方式，可以與單體電池電壓進行共地。操作電源包括所有二次測的動作電壓，由高頻開關(guān)電源提供。

　　開關(guān)量輸入及控制量輸出主要由信號調(diào)節(jié)電路、控制邏輯電路、驅(qū)動電路、地址譯碼電路、隔離電路等組成，控制量的輸出電路構(gòu)造與之基本相同。

　　3.2 交流采樣硬件設(shè)計

　　交流部分主要用于對交流供電電路的電壓、電流、功率、諧波等參數(shù)進行實時監(jiān)測，以保證供電電路的安全運行，并實時地了解三相交流電源的狀況，消耗的電能以及無功、功率因素等參數(shù)，一旦電源出現(xiàn)故障，可以及時采取故障處理措施。在本設(shè)計中，交流模塊的采樣和計算均由多功能三相電能計量器件ATT7022B實現(xiàn)。為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，本設(shè)計采用外部電源結(jié)合電池組同時供電的方式。

　　3.3 通信及人機接口電路硬件設(shè)計

　　該電路設(shè)計主要包括人機接口電路設(shè)計和串行通信接口電路設(shè)計兩部分。人機接口電路設(shè)計主要包括鍵盤矩陣電路和液晶顯示電路。鍵盤矩陣電路主要用于輸入數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)人機交互，該系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計是采用掃描方式實現(xiàn)矩陣鍵盤。液晶顯示電路作為重要的人機接口元件在智能設(shè)備中是非常重要的，本設(shè)計采用LCM 12864ZK中文液晶顯示屏。通信接口電路設(shè)計屬于系統(tǒng)與主機以及與操作者之間的信息交流部分。本系統(tǒng)與上位機的通信采用UART異步通信方式。

　　4 軟件設(shè)計

　　4.1 直流模塊軟件設(shè)計

　　由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，所以各個模塊可以獨立編程。直流模塊的軟件設(shè)計主要包括對單體電池電壓、溫度以及系統(tǒng)的開關(guān)量輸入輸出控制等參數(shù)進行采樣．涉及到采樣的巡回時間間隔、溫度巡檢時間間隔、數(shù)據(jù)處理方式等內(nèi)容。

　?。?） 電池巡檢回路的監(jiān)測主要包括對電池的單體電壓、電池溫度、環(huán)境溫度以及電池的充放電狀態(tài)等參數(shù)的測量。溫度檢測共包括三個子程序，采用中斷方式進入溫度采集子模塊，實現(xiàn)溫度采集。

　?。?） 整流直流母線電源的監(jiān)控包括電壓電流監(jiān)測和操作電源自動調(diào)壓裝置。該軟件模塊實現(xiàn)的功能主要包括電壓檢測、合閘電流檢測以及操作電源自動調(diào)壓裝置三部分。

　　4.2 交流采樣軟件設(shè)計

　　交流采樣部分用于對交流供電電路的電壓、電流進行實時采樣，并對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，以獲得電網(wǎng)的有功功率、無功功率、諧波等參數(shù)。這些功能都可以用一個專用電能計量器件ATT7022B實現(xiàn)。

　　4.3 通信及人機接口軟件設(shè)計

　　人機接口是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。人機接口是智能設(shè)備中不可缺少的部分．它是了解與控制智能設(shè)備的關(guān)鍵，本設(shè)計中主要包括鍵盤設(shè)計、液晶中文顯示兩個部分。

　　鍵盤輸入部分由矩陣掃描鍵盤、鍵盤總共設(shè)置10個功能鍵，包括：系統(tǒng)復(fù)位、電池參數(shù)顯示、交流參數(shù)顯示、直流參數(shù)顯示、開關(guān)狀態(tài)顯示、溫度顯示、上翻、下翻、報警狀態(tài)復(fù)位。另外，還留有一個供擴展的鍵盤。

　　結(jié)合鍵盤電路的設(shè)計，液晶顯示的模式采用默認和中斷處理兩種方法，在沒有任何鍵輸入的情況下，液晶模塊顯示交流采樣數(shù)據(jù)：一旦有鍵輸入，如電池巡檢參數(shù)顯示，顯示模塊則立即進入電池參數(shù)顯示狀態(tài)。

　　串口通信實現(xiàn)單片機與上位機的通信，從而將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行處理和控制。        4.4 主程序處理模塊

　　主程序處理模塊作為系統(tǒng)的框架，主要負責(zé)對各個模塊之間的協(xié)調(diào)處理和數(shù)據(jù)交互。主程序處理模塊首先初始化，主要包括對單片機各個引腳功能的定義以及相應(yīng)寄存器的賦值，這其中還包括對各個功能模塊控制寄存器的賦值和參數(shù)的設(shè)定。然后進入主程序的處理過程，這中間包括SPI通信和液晶顯示兩個模塊。主程序處理流程如圖5所示。整個程序基本采用中斷服務(wù)結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)中斷程序與主程序之間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)亩x一些全局變量和全局緩存區(qū)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

　　主程序經(jīng)過參數(shù)設(shè)定后立即進入SPI通信，將交流數(shù)據(jù)的值存入單片機寄存器中，保存并進行參數(shù)整定，然后立即進行開關(guān)量狀態(tài)的掃描（掃描I／O狀態(tài)）。

　　由圖5可以看出，主程序處理只有兩個簡單的功能模塊，然后是負責(zé)標(biāo)志判斷和標(biāo)志設(shè)置。另外就是從指定的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)暫存到指定的緩沖區(qū)。其他所有的功能模塊都由中斷處理來完成，主程序只對這些模塊進行數(shù)據(jù)交互。

　　
       5 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)是基于MSP430F149單片機的一個多任務(wù)處理系統(tǒng)，主要面向中小型變電站的自動化運行綜合管理，具有專用性強、可靠性高以及造價低等特點。該系統(tǒng)包括蓄電池組單體電壓測量、電池以及環(huán)境溫度檢測、操作電源電壓及電流檢測、交流電壓（電流、功率因數(shù)）的檢測（SPI通信部分）、開關(guān)量狀態(tài)檢測、操作電源自動調(diào)壓控制、電池低壓自

動充電控制、鍵盤及顯示、通信等共9個主體模塊，同時還保留有一定的擴展空間，基本上能夠滿足中小型變電站的檢測與控制需要。另外。由于該系統(tǒng)的處理器具有運行可靠和多種低功耗運行模式，所以特別適用于變電站這種能量控制單位的使用。