基于物聯網的智能分布式直流操作電源系統

范新權，何用輝

（1.福建瑞盛電力科技有限公司，福建 福州350003；2.福建信息職業技術學院，福建 福州350003）

0 引 言

直流操作電源是電力系統的重要設備，作為智能電網自動化配網設備和變電站等場合的自動控制、保護、開關分合等的重要電源，其性能和質量的好壞直接關系到電網的穩定運行和設備安全［1］。直流操作電源現在主要以直流屏的集中式供電為主，但由于采用集中供電，一旦電源系統失效時會造成大范圍的故障發生，危險性高。由于電力系統對電源可靠性和穩定性要求苛刻，分布式供電直流操作電源已成為電力系統設備供電電源的發展趨勢。

同時，由于操作電源應用場合特殊性和電力系統設備分布廣泛，造成有線網絡化工程龐大、聯網困難、成本高和維護不便等缺陷，對其信息采集不能做到及時有效。因此，隨著信息化建設和智能電網的需要，基于物聯網的智能分布式直流操作電源市場需求與日俱增，使其正朝著遠程信息化、智能化的方向發展。

1 系統總體結構及功能

基于以上原因分析，本文設計了一種集嵌入式計算機、高效電源變換、蓄電池智能管理和基于GPRS的物聯網等技術于一體的智能分布式直流電力操作電源系統，能有效解決效率低、維護難度大、運行風險高等問題，為智能電網自動化配網設備等提供高性價比電源。該直流操作電源系統結構框圖如圖1所示，其主要由嵌入式控制系統、高效電源變換系統、智能蓄電池管理系統、無線通訊系統以及現場監控系統等五大部分組成。

圖1 系統結構框圖

該電源各組成部分的功能如下：

（1）嵌入式控制系統基于高速的ARM核心控制處理平臺，在嵌入式控制中高效實現特定算法，進行精確的數據分析與處理，協調整個電源系統的智能控制運行，主要實現對高頻開關電源變換電路，蓄電池智能管理電路、無線通訊和現場監控部件的控制，以達到整機的智能控制與管理。

（2）高效電源變換系統可自動依據負荷情況調整供電模式，實現交流電源或蓄電池供電的高效變換處理，以輸出可靠的不間斷操作電源。

（3）蓄電池智能管理系統用于后備蓄電池的智能充電管理，通過實時在線監測系統軟件實時在線監測蓄電池的電壓、內阻及溫度等信息，來判斷其健康狀態。

（4）無線通信系統主要應用基于GPRS無線通訊技術實現電源系統的遠程物聯管理，將操作電源設備聯入智能電網綜合配電自動化系統，共享利用實時信息，實現遠程智能化和互動化的功能目標，其系統過程如圖2所示。

圖2 電源系統與服務器數據傳輸過程

（5）現場監控系統通過友好的人機界面實現對系統中輸出電壓、電流，蓄電池內阻、端電壓、溫度等各種重要參數的現場實時監控［2］。

2 系統主要模塊技術實現

為了實現該電源的以上功能，本系統按照如下功能模塊展開設計，分別為基于嵌入式控制器的系統監控模塊、交流轉換成直流的AC／DC模塊、直流轉換成直流的DC／DC模塊、電池充電Charger和在線監測模塊以及GPRS無線通信模塊，如圖3所示。基于嵌入式控制器的系統監控模塊是該電源的處理核心，協調控制其他模塊有序穩定工作，高效實現系統算法，完成對系統監測、保護、設置和通信等任務。AC／DC模塊把電網的交流電轉換成一定規格的直流電；DC／DC模塊則是把AC／DC輸出的直流電或者蓄電池輸出電源轉換成滿足負載要求的各種規格直流電源；電池充電Char ger和在線監測模塊實現對電池Cells進行智能充電和蓄電池的工作狀態監測；GPRS無線通信模塊用于電源系統的無線物聯網連接，實現遠程監控，滿足智能電網的要求。

圖3 系統功能模塊

2.1 AC／DC模塊電路的設計

考慮輸出功率、效率和可靠性，AC／DC電路采用有源功率因數校正和雙軟開關電路。

（1）前端采用有源功率因數校正（APFC）電路［3］，其校正方法是在輸入端加入一個高頻電感、一個二極管、一個高頻開關管以及相應的控制器，組成升壓變換器，控制器通過采集交流輸入的電壓信號和電流信號，控制開關管的開通與關斷，從而使輸入電流波形始終跟隨輸入電壓波形，使高頻開關電源模塊的功率因數達到0.99以上，諧波失真小于5%。

（2）軟開關技術應用諧振的原理，解決硬開關變換器中的硬開關損耗問題、容性開通問題、感性關斷問題及二極管反向恢復問題，而且還能解決由硬開關引起的EMI等問題。在本電路設計上采用了無損耗緩沖技術和諧振技術組合而成的新型軟開關技術。該技術能有效解決通用的軟開關技術在電路中由于并聯或串聯諧振網絡而產生的諧振損耗及電路受到固有影響的問題。

2.2 DC／DC穩壓電路的設計

為確保電網失電處于電池供電模式時，DC／DC模塊能夠為負載提供穩定可靠的電源，并且提高系統冗余能力，DC／DC模塊采用兩個模塊并聯供電。為使兩個模塊輸出均流，采用基于最大電流法的均流控制策略。由于系統中蓄電池充放電時電池端電壓的差異，如24 V的蓄電池電壓為21～36 V，DC／DC模塊輸入電壓范圍較寬，當采用動態特性較好的電流型控制芯片如UC2843時，需要增加斜率補償電路。模塊采用的斜率補償電路如圖4所示，在斜率補償控制環路設計調試中，需要兼顧系統的穩定性和動態特性。

2.3 蓄電池在線監測的設計

蓄電池在線監測主要是在線實時監測蓄電池的端電壓、電池溫度、定期測試蓄電池內阻。對蓄電池的端電壓采用精密的采樣電路，通過高精度的AD變換，實現精確的電壓檢測，電池溫度采用高穩定、低溫漂的傳感器進行采集。蓄電池內阻采用“瞬間放電法”測試，由電池產生一個瞬間負載電流，然后測出電池極柱上電壓的瞬間變化，通過負載接通時瞬間電壓降和斷開負載時瞬間電壓恢復可以推導出相應的內阻。

圖4 基于UC2843芯片的補償電路

同時采用高精度、高速度的AD采樣技術取得電壓變化曲線后，通過ARM進行快速軟件濾波，并分析取得變化的特征點，然后推導出內阻值。

2.4 GPRS通訊應用設計

在系統中嵌入了GPRS模塊，運用它最具優勢的短信功能，將采集的數據以短信的方式發送到監控終端，監控終端也以短信方式實現對本系統的實時監控和管理，其應用結構如圖5所示。系統中各項參數經采集模塊采集后，送入MCU處理，再通過MCU串口將處理后的數據發送給GPRS通訊模塊。數據按照GPRS通信協議由GPRS模塊發送到GSM基站，再由GSM基站發送到另一個GPRS終端［4］。

由于GSM網絡無靜態IP地址，故其他通信設備不能向它提出建立連接請求，監控終端必須擁有一個固定的IP，以便監測終端可以在登陸GSM網絡后通過該IP找到監控終端，用戶只需在電信申請相應的服務就可以了。監控終端可以是個人計算機、掌上電腦PDA、手機等，在監控終端安裝監控軟件，用戶通過該軟件而實現遠程自動控制。

圖5 GPRS模塊應用設計

3 系統遠程監控軟件開發

為了實現物聯網下所有聯網直流操作電源的實時監控與管理，采用VB語言開發設計了一套基于PC機的智能分布式直流電源在線監測系統軟件，通過后臺數據庫可方便實現與智能電網管理系統連接［5］。該軟件主要由安全登錄界面、分組監控界面及故障報警界面等組成，主要是實現對現場各電源運行數據進行實時分組監測與管理，并提供給工作人員一個良好的人機交互界面，使工作人員可遠程實時巡檢現場的運行狀況，并快速查找故障及分析故障原因。

在分組監控界面中主要實現對所選組別電源現場數據的直觀圖形化顯示，如圖6所示，它主要由站點信息分組區和狀態信息區組成。站點信息分組區是對各站點的控制顯示，狀態信息區是用于顯示各個站點的狀態信息，具體顯示信息包括操作電源的輸出電壓、輸出電流、蓄電池的內阻、端電壓以及溫度等數據，如圖7所示。

圖6 圖形化監控界面

圖7 數據列表監控界面

為了保證整個電源系統的可靠運行，軟件上還設計了相關報警等功能界面，當某項監測數據超出報警設定的限值時，在報警界面上顯示出相關報警信息，方便工作人員對現場系統的故障檢查及維護。另外，該軟件系統還設計了實時報告，生成固定的歷史記錄，工作人員可實時查詢相應時間段電源運行的狀況。

4 結束語

該智能分布式直流操作電源符合智能電網的建設發展要求，可更好地替代現有的配網直流電源設備，為各種智能配網終端、智能化設備、微機保護等提供更加可靠、高效的直流操作電源，確保重要生產領域的供電安全，廣泛應用于環網柜、開閉所等場合。目前產品銷量很好，市場前景巨大。該電源系統的廣泛使用能有效降低成本、提高維護效率、降低供電風險，具有很好的社會經濟效益。

［1］ 廖革文.電力系統直流操作電源的發展趨勢［J］.電工技術雜志，2003，5：1－4.

［2］ 于仲安，韓笑天.電力直流操作電源監控模塊設計［J］.低壓電器，2009，1：55 58.

［3］ 孫寶文.電力操作電源主電路參數設計［J］.電子設計應用，2006，6：116－118.

［4］ 林梅金，羅 飛，李如雄.GPRS網絡的遠程監控系統［J］.計算機工程，2006，32（3）：240－247.

［5］ 張艷莉，費萬民.直流操作電源綜合監控系統［J］.華東電力，2001，5：35－37.