一種基于DSP控制的多功能直流屏設計

周朝霞

（廈門大學嘉庚學院 福建·漳州 363105）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是國家智能電網的提出，電網對電力操作電源的要求也越來越高，除了要求產品性價比高外，對電力操作電源的安全性，智能化提出了更多的要求。據(jù)不完全統(tǒng)計，2020年電力設備事故發(fā)生226起，造成了一定人數(shù)的人員傷亡和經濟損失。將安全的監(jiān)測、管理的智能化集合在設備本身內，可大大降低系統(tǒng)內的連鎖故障和事故，因此本文提出一種多功能直流屏，除了實現(xiàn)基本的整流、充電、容量檢測等功能外，還集合了對設備本身及元件的安全監(jiān)測、報警等功能。通過大型LED屏的警示和告警，可最大程度的杜絕設備本身引發(fā)的現(xiàn)場管理人員的觸電事故。

1 多功能直流屏的基本工作原理

1.1 基本工作原理

直流屏系統(tǒng)結構如圖1所示，傳統(tǒng)直流屏一般由充電模塊，母線絕緣監(jiān)測模塊，降壓硅鏈，集中監(jiān)控，電池巡檢模塊等組成的充電饋線柜和18節(jié)12V電池柜組成。充電模塊主要功能是將交流380V整流變換為直流250V為蓄電池組充電，有均充和浮充兩種充電模式。母線絕緣監(jiān)測模塊檢測直流母線的絕緣情況。電池巡顯裝置主要是對各節(jié)電池電壓，容量進行檢測，可實現(xiàn)對電池好壞的實時監(jiān)測。充電模塊輸出直流250V除了給電池充電外，還通過降壓模塊降電壓降為220V作為控母輸出，為微機保護，指示燈提供控制電源。以上是傳統(tǒng)直流屏的基本組成部分。基于 DSP設計的漏電流檢測模塊，溫度檢測模塊，GPRS模塊及眉頭安全警示LED屏為本文章提到的多功能直流屏的主要增加功能，我們將重點進行介紹。

圖1：多功能直流屏系統(tǒng)結構圖

1.2 漏電流檢測

電力設備人身安全的考慮一直是所有安全的重點，針對這一點本文在傳統(tǒng)直流屏基本功能上增加了對殼體的漏電流保護和告警。以下是漏電流檢測電路原理圖，如圖2所示。激發(fā)信號A引自火線或者直流電壓的正端，激發(fā)信號B引自外殼接地點。信號通過由Q1,Q2,Q3,Q4二極管組成的全橋比較電路產生差分電流經漏電檢測線圈放大后進入U1。U1采用VG54123漏電流保護芯片。VG54123內部電路由穩(wěn)壓電路、基準電壓電路、差分放大電路和鎖存電路所組成。其工作原理是外接于VG54123(1)腳和(2)腳之間的零電流互感器(ZCT)檢測線路中用電設備的漏電電流，ZCT次級輸出信號輸入到差分放大器電路，差分放大電路又與一個外接電容相結合，把信號放大，再送入鎖存電路的輸入端。在輸入電壓信號達到規(guī)定值之前，鎖存電路輸出一直保持為低電平，當漏電流大于規(guī)定值時，鎖存電路的輸出電平升高，觸發(fā)與鎖存電路相連接的可控硅動作，進而產生漏電檢測信號，輸入到DSP處理單元，由DSP單片機進行處理，從而起到漏電保護作用。

圖2：漏電流檢測原理圖

1.3 漏電流檢測處理原理及報警

由圖2漏電路檢測電路產生的漏電流檢測信號輸入到DSP處理單元，由DSP單片機進行處理，如圖3。DSP檢測到漏電流信號后，一是發(fā)出命令通過I/O口控制回路去控制繼電器或者微型斷路器去斷開相應漏電部分（比如交流輸入系統(tǒng)，直流輸出系統(tǒng)），同時通過通訊單元GPRS模塊向用戶發(fā)送短信提示用戶產生漏電事故和將“漏電注意安全”提示在直流屏頂端大型 LED顯示屏上顯示并通過音響回路進行報警。如圖5柜體示意圖所示，數(shù)據(jù)送LED屏和GPRS模塊均由DSP單片機通過485通訊模式實現(xiàn)。

圖3：漏電流信號處理框圖

通過以上增加的功能，此新型多功能直流屏能有效防止現(xiàn)場管理人員設備觸電現(xiàn)象，保障人身安全和阻止故障和危險的進一步擴大。對于無人值守場合，可以讓用戶及時掌握故障信息以及及時處理故障。

1.4 溫度檢測單元

本新型直流屏增加了對柜體內主要元件及蓄電池組的溫度監(jiān)控，防止主要元件因各種故障產生高溫引起直流屏柜內著火的危險，同時防止蓄電池（或者鋰電池）因為高溫影響壽命甚至爆炸的危險。具體檢測原理如圖4所示，多路溫度傳感器放在主要發(fā)熱元件部位，設置不同告警數(shù)值，超過告警值時，由DSP單片機發(fā)出信號通過I/O口控制回路去控制繼電器或者微型斷路器去斷開相應元件，切斷負載回路。同時通過GPRS模塊將信息短信發(fā)送給管理人員和“元件高溫告警”送LED顯示屏進行顯示和告警如圖5。各節(jié)電池的溫度檢測通過在各電池的正負極接上熱敏電阻采樣，采集各個電池的溫度。超過告警值時，由DSP單片機發(fā)出信號給I/0控制回路，切斷電池供電回路，同時通過GPRS模塊將信息短信發(fā)送給管理人員和“電池高溫告警”送LED顯示屏進行告警。

圖4：溫度檢測原理框圖

圖5：直流屏柜體示意圖

通過以上增加的功能，此新型多功能直流屏能有效防止柜體元件故障產生著火的現(xiàn)象，阻止故障和危險的進一步擴大。對元件和電池的安全進行有效的保護，防止元件故障高溫產生著火以及電池高溫影響性能和發(fā)生爆炸的危險等。

1.5 多功能直流屏柜體布置示意圖

圖5為多功能直流屏柜體功能示意圖，LED屏安裝在直流屏的眉頭上，可非常直觀的看到告警信息，告警信息采用紅色字體，每隔一秒閃爍顯示一次。通過以上增加的功能，可以最大程度防止管理人員在不知情的情況下觸碰外殼以及發(fā)生觸電的危險，對于無人值守場合，可實現(xiàn)在遠程實時監(jiān)測設備的各種參數(shù)，及時處理事故。

2 多功能直流屏的應用

多功能直流屏主要為發(fā)電廠，變電站，以及大型開閉所的二次控制回路提供控制電源以及為一次回路斷路器提供分合閘后備電源。在一次主回路發(fā)生故障時，及時有效的提供電源給微機保護控制系統(tǒng)發(fā)出命令給斷路器分斷負載。增加漏電保護，溫度保護及告警顯示等新功能的直流屏特別適用環(huán)境惡劣，安全性要求高的場所（如地下礦井，石油化工），防止元件故障引發(fā)事故和有效保障管理人員和場所的安全。

3 結論

本文設計的多功能直流屏通過增加漏電流檢測單元，GPRS無線通訊模塊以及溫度檢測單元以及大型告警顯示 LED屏，大大增強了設備的安全性，有效防護管理人員的生命安全和阻止故障的進一步擴散。同時具備了物聯(lián)功能，可方便接入泛在電力物聯(lián)網，實時對設備進行監(jiān)測和控制，實現(xiàn)智能化管理。