論UPS電源智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

引言

    UPS供電系統(tǒng)是電力、通信、銀行等行業(yè)的必備電源，從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有幾十年的發(fā)展歷程，在技術(shù)不斷發(fā)展和改進的過程中，其保護功能也在不斷地發(fā)生變化。UPS根據(jù)主機內(nèi)逆變器的工作狀態(tài)可分為：后備式、在線式及在線互動式。他們的作用是對市電進行濾波、穩(wěn)壓調(diào)整，以便向負(fù)載提供更為穩(wěn)定的電壓，同時，通過充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池內(nèi)，一旦電力中斷、電網(wǎng)電壓或電網(wǎng)頻率超出UPS的輸入范圍，可在極短的時間內(nèi)開啟自身的儲備電源，向負(fù)載供電。

    本文所設(shè)計的UPS智能監(jiān)控系統(tǒng)具備以下環(huán)節(jié)和功能：能在各種復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下運行；在運行中不會對市電產(chǎn)生附加的干擾；輸出電性能指標(biāo)應(yīng)該是全面的、高質(zhì)量的，能滿足負(fù)載的各項要求；UPS本身應(yīng)具有很高的效率，有接近實際市電的輸出能力；是一臺智能化程度很高的設(shè)備，有高度智能化的自檢功能，自動顯示、報警、狀態(tài)記憶功能以及通訊功能。

1、總體設(shè)計

    該設(shè)計由主監(jiān)控單元、交流檢測單元、電池檢測與巡檢單元、饋線檢測及調(diào)壓單元、絕緣監(jiān)察及接地選線單元等單元模塊組成。這些模塊之間通過內(nèi)部RS485進行通信，實現(xiàn)對電源柜的交流配電、蓄電池充放電過程、電池狀態(tài)、調(diào)壓狀態(tài)、母線對地電阻、饋出線開關(guān)狀態(tài)的實時監(jiān)測、控制和報警處理。整個系統(tǒng)通過RS232和上位機進行通信以進行歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計。

2、各單元介紹

    2.1主監(jiān)控單元

    主監(jiān)控單元調(diào)度整個系統(tǒng)的運行。主監(jiān)控單元由主監(jiān)控板、320X240點陣液晶顯示屏、鍵盤及指示燈等組成，完成蓄電池充放電管理，運行及控制參數(shù)的設(shè)定和顯示，告警記錄的存儲、查詢，通過RS232和上位機通信，通過RS485控制內(nèi)部各單元。

    2.2交流檢測單元

    該單元主要完成三相交流電壓、電流及頻率的采集；同時具有交流失電、缺相、過壓、欠壓等告警功能；告警時繼電器告警接點閉合。通過調(diào)節(jié)板上電位器可校正三相交流電壓顯示值。

    2.3電池檢測與巡檢單元

    該單元由電池檢測板和電池巡檢板組成（可選），主要完成電池組電壓（合母電壓）、充放電電流、環(huán)境溫度及單體電池電壓的采集；電池熔絲狀態(tài)檢測；可通過輸出模擬電壓、電流給定來控制其他廠家的模塊或相控電源三相觸發(fā)板的電壓或電流給定(具體情況與廠家協(xié)商)，提高了系統(tǒng)的兼容性；按時計量；同時完成合母過欠壓、電池過充、電池饋電及單體電池失效告警等功能；通過調(diào)節(jié)電池檢測板和電池巡檢板上的電位器可分別校正合母電壓和單體電池電壓顯示值。如圖2中所示。

    2.4饋線檢測及硅鏈調(diào)壓單元

    由饋線檢測CPU板、開關(guān)量輸入板組成，實時檢測合母和控母的饋線開關(guān)狀態(tài)。通過開關(guān)量擴展口，可以檢測24路饋線。當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)變位或控母電壓越限時告警并通過硅鏈自動調(diào)節(jié)控母電壓（最多7節(jié)硅鏈調(diào)壓）。通過調(diào)節(jié)饋線檢測板上電位器可校整控母電壓顯示值。

    2.5絕緣監(jiān)察及接地選線單元

    由絕緣監(jiān)察檢測板和接地選線擴展板組成，主要功能是實時監(jiān)測母線對地電阻，自定位接地支路。當(dāng)母線對地電阻低于告警設(shè)定值時，告警繼電器閉合；通過接地選線擴展口連接接地選線，最多支持24路選線。

3、關(guān)鍵電路單元設(shè)計

    3.1電流檢測電路

    電池充放電電流的大小尤為關(guān)鍵。電路圖如圖1所示，因為是既檢測充電電流也檢測放電電流，故在小電阻上的電壓又是兩個方向，在電路檢測中用兩個通道分別檢測，這樣也便于分別進行信號的調(diào)理，同時也便于用AD轉(zhuǎn)換器的一個輸入通道來測量。

    圖1電流檢測電路

    3.2合母電壓的監(jiān)測

    合母電壓監(jiān)測電路如圖2所示。合母電壓流過電阻R16、R17、R54，在電阻R17上取樣，故而電阻R17應(yīng)選用高精度電阻。R16和R54因為要比電阻R17大得多，又是出現(xiàn)在分母上，故而不必選用高精度電阻。LL的作用是抑制共模干擾。可以通過調(diào)節(jié)電位器Rp的大小來使所要監(jiān)測電壓的大小符合AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求。

    圖2合母電壓的監(jiān)測電路

    3.3AD轉(zhuǎn)換

    AD轉(zhuǎn)換芯片采用TLV1544。TLV1544的主要特點是：寬范圍的單電源供電，VCC可為2援7耀5援5V；芯片內(nèi)部有著較高的轉(zhuǎn)換速率，轉(zhuǎn)換時間小于10滋s；芯片提供4路外部輸入通道，通過編程給芯片不同的狀態(tài)字設(shè)置可以任意選擇4個輸入通道之一；芯片有4個端口作為同步串行接口，通過SPI總線的形式與微處理器連接；11位AD轉(zhuǎn)換，足以滿足系統(tǒng)的要求。如圖3所示。    

    圖3AD芯片電路

    控制對從選定的通道中輸入的模擬信號的采樣開始。由高變低開始模擬輸入信號的采樣；由低變高使采樣和保持功能處于保持狀態(tài)，并開始模數(shù)轉(zhuǎn)換。獨立于輸入輸出時鐘信號，當(dāng)為高時，開始工作。為低的持續(xù)時間控制開關(guān)電容陣列采樣周期的持續(xù)時間。當(dāng)不用時，接高電平。引腳（EOC）在A轅D轉(zhuǎn)換結(jié)束時變?yōu)楦唠娖絹肀砻鬓D(zhuǎn)換完成。本單元通過查詢EOC電平來判斷是否轉(zhuǎn)換完成從而進行數(shù)據(jù)的讀取。

    3.4通信電路設(shè)計

    整個系統(tǒng)內(nèi)部通過RS485進行通信。具體電路如圖4所示。因為控制芯片都采用AT89C52，作為主監(jiān)控單元CPU只有一個串口，而其并口也沒有充分利用起來，故通過可編程串行接口芯片8250擴展串口，用并口來模擬串口。