基于MSP430F149的電力操作電源智能電池巡檢系統(tǒng)的設計

　　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，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時為繼電器以及斷路器等二次設備提供備用操作電源，對設備進行保護。

　　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，串行外圍設備接口)接口，能夠方便地與MSP430F149單片機進行通信。

　　開關量監(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作為接口電平轉換器。

　　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。

　　(1) 對交流側母線電壓、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)。

　　(2) 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。

　　(3) 對備用操作電源設備(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。

　　(5) 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。由定時器設定采樣時間。

　　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。

3 模塊子系統(tǒng)詳細設計方案

3.1 直流采樣硬件設計

　　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、開關量輸入及控制量輸出等硬件設計部分。

　　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轉換器。電池充電回路采用高頻開關整流電源對其充電，部分采用高頻開關充電器作為充電電源，采用繼電器控制電池組充電。當正常供電時，高頻開關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。