专利名称：直流电源屏智能监控器及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种直流电源屏智能监控器及控制方法，用于10KV以上变电站成套设备，尤指一种用于工厂、医院、宾馆、商场、矿山、地铁、机场等一切都要使用直流电源屏的地方，凡是发电厂不论装机容量多少也都要使用直流电源屏；直流电源屏智能监控器的控制方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术等技术领域，用于直流屏系统中对直流电源柜进行集中控制、检测、保护、报警及显示等直流电源屏智能监控器及控制方法。
背景技术：
目前，国内外对直流电源柜的控制、检测、保护及报警等，采用单片机或单板机对各所要管理部分，如交流、整流器、调压、放电控制；绝缘、母线、单体电池、交流和馈线检测等，全部实行单独控制、检测、保护。存在的问题是可靠性低、系统分散、不利于集中控制和数字量通讯，不能有效的实现人机对话，运行中不能任意改变运行参数，产品停留在中低端的水平等问题。
在直流屏系统中的电池组的单体电池电压检测对判定电池的状况具有及其重要的意义，由于各个电池单体不共地，直接把各个测量点分压后分别测量各电池连接点电位，再通过减法运算求出单体电池电压，会极大地降低测量的精度，在单体电压较低，电池节数较多时这一问题由为突出；为每一个电池单体配备一个独立的测量电路是极不经济的。
现有检测直流系统绝缘的方法主要有电桥平衡原理和变频探测原理，根据电桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小(如附图10、11所示)；用变频探测原理检测接地故障是近几年采用的一种新方法，它所能检测的接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，且注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数；可见，电桥平衡原理和变频探测原理均存在若干难以克服的缺陷。
在许多应用场合，控制器的串行口资源短缺，需要额外加以扩展。可以考虑的方案有很多，最常采用的有三种(1)采用专用集成芯片，这种扩展方式一般成本较高，接口电路较为复杂；(2)采用复杂可编程逻辑器件/现场可编程逻辑器件CPLD/FPGA扩展串口，由于CPLD/FPGA价格高，甚至超过使用专用集成芯片，所以基本不会单单为了实现串口扩展而使用；(3)直接利用单片机的I/O口来扩展，由单片机专们负责串口扩展，可以采用引脚少、成本低的单片机，扩展成本低廉，但是收到单片机处理速度的限制，可以实现的通讯速率较低。
发明内容
为了克服上述不足之处，本发明的目的旨在提供一种由可编程控制器PLC加扩展口和触摸屏的方法实现集中管理，可对直流电源柜进行集中控制、检测、保护、报警及显示等功能系统的直流电源屏智能监控器。
本发明的主要目的旨在提供一种直流电源屏智能监控器的控制方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术等方法，其中电池组的单体电池电压检测旨在提供一种浮动地电位技术及使浮动地稳定工作，克服扰动效果的方法，使地GND的电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量的正常进行；绝缘监测技术用综合判据在线检测直流系统绝缘状况方法，包括检测正、负极母线电压，检测正、负极对地绝缘电阻及检测漏电流判断接地支路的方法；多串口扩展技术旨在提供一种用单片机和通用集成芯片组成的硬件配置和软件设计方法，完成中断服务。
本发明要解决的技术问题是要解决根据模拟量的多少可加模拟量扩展口，根据数字量的多少可加数字量扩展口，根据通讯口要求可加通讯扩展来分别实现，可编程控制器PLC要完成整机的所有控制、检测、报警和保护，并将整机的运行状态、数据通过液晶触摸屏显示等技术问题，其中1).对于电池组的单体电池电压检测，要解决能够在测量时实现参考地电位浮动，使得地电位浮动到所测电池单体的负端，可以实现电池单体电压的精确测量问题；要解决信号电位超过模拟开关电源电压的影响及模拟开关的漏电对测量电路的影响问题及要解决浮动地如何稳定工作等问题；2).对于绝缘监测技术，要解决用绝缘监测装置监视直流系统绝缘性能，灵敏度低，有检测死区，存在不安全因素等问题；要解决用变频探测原理存在的问题所能检测到的接地电阻与支路对地分布电容有关；当系统对地分布电容很大时，该方法找不到接地支路或误判断接地支路及注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数，影响直流系统的安全运行等问题。
3).对于多串口扩展技术，要解决成本较高，接口电路较为复杂等问题，解决若使用单片机专们负责串口扩展，由于单片机处理速度的限制，可以实现的通讯速率较低等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该装置是由智能监控器、二路交流切换电路、充电模块、控制模块、蓄电池、自动调压装置、活化装置、触摸屏、控制馈出回路及合闸馈出回路组成智能直流电源屏中的一部分，其中智能监控器有可编程控制器PLC、扩展口、模拟开关、差分放大模块、比较器、A/D接口及D/A接口等模块组成，可编程控制器PLC的输入输出端分别与扩展口BTS1、数字量扩展口BTS2、模拟量扩展口BTS3及通讯扩展口CEUB的输出输入端相连接，可编程控制器PLC的输出端分别与V-T曲线、电池活化、模块控制及母线电压检测的输入端相连接，其中扩展口BTS1与扩展口BTS1相互并接后，其输入输出端分别与单体电池检测及浮动地电池接线电路的输出输入端相连接，一扩展口BTS1的输出端与母线绝缘检测的输入端相连接；数字量扩展口BTS2的输入输出端与馈出绝缘检测的输出输入端相连接；通讯扩展口CEUB的输入输出端与触摸屏及RS232/RS485通讯接口的输出输入端相连接。
所述的直流电源屏智能监控器的扩展口BTS1的模拟开关的输出端分别与差分放大模块及窗口比较器的输入端相连接，差分放大模块的输出端与A/D接口的输入端相连接，A/D接口的输出端与控制器的输入端相连接，窗口比较器的输出端与控制器的输入端相连接，控制器输出端分别与模拟开关选通控制及D/A接口的输入端相连接，D/A接口的输出端与浮动地调整电路的输入端相连接，浮动地调整电路分别与接地GND及参考电位相连接；其中窗口比较器的一输入端分别与模拟开关的输出端VC、VD相连接，另一输入端分别与正负电源电压相连接，窗口比较器的输出端分别输出高低逻辑电平与控制器的输入端相连接。
所述的直流电源屏智能监控器的扩展口BTS1分别与单体电池电压测量电路与单体电池电压测量电路输入端相连接，其中单体电池电压测量电路的电池单体的输入端分别与正负电源电压相连接，其输出端与一运算放大器的输入端相连接，一运算放大器的输出端通过电阻与另一运算放大器的输入端相连接，另一运算放大器的输出端一路与反馈电阻相连接，另一路与A/D接口相连接，A/D接口与单片机之间双向连接，单片机的输出端与受控电压的输入端相连接，受控电压的正极与另一运算放大器的输入端正极相连接，其负极与电源电压相连接；单体电池电压测量电路输入端电路由相互并行的模拟开关和蓄电池组组成，每一模拟开关的输入端通过电阻与接入的信号电位相连接，其中一模拟开关的输出端通过电阻R1与运算放大器的一输入端相连接，另一模拟开关的输出端通过电阻R3与运算放大器的另一输入端相连接，蓄电池组的负端为参考点。
所述的直流电源屏智能监控器的浮动地电池接线电路由一支路或一支路以上的模拟开关、限流电阻R及二极管D1、D2组成，二极管D1、D2分别接2.5V和-7.5V，一支路的模拟开关IC1依次与限流电阻R及二极管D1、D2串接后的中间连接点相连接，另一支路的模拟开关IC2依次与限流电阻R及二极管D1、D2串接后的中间连接点相连接。
所述的浮动地调整电路由晶体管和运算放大器组成，D/A接口的输出端与一运算放大器的输入端相连接，一运算放大器的输出端通过电阻与另一运算放大器的输入端相连接，另一运算放大器的输出端一路与反馈电阻相连接，另一路通过电阻与三极管T1、T2的共基极连线处相连接，三极管T1、T2的共发射极通过分压电阻接地，三极管T1的集电极通过二极管与一电阻并接后与电源相连接，三极管T2的集电极通过二极管接参考地。
所述的直流电源屏智能监控器的数字量扩展口BTS2由传感器、负载及检测电阻R组成，在正、负极母线上设有一直流支路或一直流支路以上的支路，电阻R、传感器及负载依次连接在每一条直流支路中。
所述的直流电源屏智能监控器的通讯扩展口CEUB由微处理器MCU、中断请求INTREQ模块、集成异步通信元件16C554、驱动芯片MAX202及串、并行接口RS232/RS485等模块组成，微处理器MCU与中断请求模块相连接，中断请求模块与一并行支路或一并行支路以上的集成异步通信元件相连接，其中一并行支路的集成异步通信元件的输入输出端与驱动芯片的输出输入端相连接，驱动芯片的输入输出端与串、并行接口的输出输入端相连接。
一种直流电源屏智能监控器的控制方法，该方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术，其中电池组的单体电池电压检测采用全电子切换和控制方法及采用浮动地电位技术，通过浮动地调整电路测量电路地电位的浮动，用稳定的负反馈，使GND的电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量的正常进行；绝缘监测技术采用综合判据在线检测直流系统绝缘状况方法，包括检测正、负极母线电压，检测正、负极对地绝缘电阻，上述两个条件，其中一个条件不满足整定值要求，系统就检测各个支路漏电流，并显示支路号，漏电流值及正、负极母线电压值；多串口扩展技术采用单片机和通用集成芯片，根据中断请求和中断使能的状态来决定中断响应。
所述的直流电源屏智能监控器的控制方法的电池组的单体电池电压检测方法的浮动地原理，其具体工作步骤是步骤1.防止模拟开关输入信号超过电源电压1)加入限流电阻及二极管对电池组上任意一只电池，在接线中加入限流电阻R及信号箱位二极管D1、D2，D1、D2；2)输入电压二极管D1、D2，D1、D2分别接2.5V和-7.5V，使模拟开关输入信号对测量地不超过+2V和-7V，其输出端不会被拉向电源电位；步骤2.浮动地调整电路测量电路1)模拟开关选通先由模拟开关选通，使其被测电池两端的电位信号接入测试电路；2)信号输入测试电路信号一方面进入差分放大器；另一方面进入窗口比较器；3)窗口比较器工作在窗口比较器中与固定电位Vr相比较，从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量地的电位是高或低或正好；4)判断若正好，则可以启动A/D进行测量；若高或低，则通过控制器对地电位进行浮动控制；5)控制器工作当需要对地电位进行浮动时，控制器将需要调整地电位的增量送入D/A转换器，D/A转换器形成的相应模拟增量将改变地电位，直到地电位调整到恰当数值。
所述的直流电源屏智能监控器的控制方法的绝缘监测技术的在线检测直流系统绝缘状况方法，具体工作步骤是步骤1.检测正、负极母线电压1)在线检测在线检测并显示正、负极母线电压，当正极电压小于设定值说明正极绝缘下降，当负极电压小于整定值，说明负极绝缘下降；2)判断通过检测电压判断绝缘下降后，装置即报警并启动检测电流单元，以确定哪条支路绝缘下降。
步骤2.检测正、负极对地绝缘电阻1)投入检测电阻在保证不对系统产生影响的情况下，装置分别向正、负极母线自动投入一个检测电阻；2)检测正、负极对地绝缘电阻；步骤3.检测漏电流判断接地支路1)检测支路漏电流在直流各支路套装传感器，正常情况下入出相等，传感器输出的漏电流为零，当系统绝缘下降，投入检测电阻时，装置检测到传感器输出的漏电流值；2)求接地电阻，显示支路号、漏电流和接地电阻值a.一条支路若一条支路正极经R+接地，当S_闭合，检测电阻投入负极，则传感器检测到的漏电流为la＝U/(R++IZ)，从而由式R＝＜U-IRR)/I*求出该支路的接地电阻，并显示支路号、漏电流和接地电阻值；b.两条支路若有2号和3号两条支路经R.和R十接地，包括两条以上支路接地，在负极投入检测电阻，则IR=UR+//R+′+R·R+′R++R+′]]>IR′=UR+//R+′+R·R+R++R+′]]>c.多条支路对多条支路接地，给负极母线投入检测电阻R，能检测出所有绝缘下降的支路，对负极绝缘下降，给正极母线投入检测电阻R，能检测出所有绝缘下降支路；d.同一支路当同一支路正、负极绝缘同等下降或成比例下降时，分别给直流母线投入正、负极检测电阻，同样能检测出正、负极各支路漏电流值。
所述的直流电源屏智能监控器的控制方法的多串口扩展技术采用单片机和通用集成芯片，通过驱动芯片转换成TTL电平，通过串口异步通信器件输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求INTREQ，再通过复杂可编程逻辑器件CPLD与中断控制器完成中断服务，其中断服务具体工作步骤是
步骤1.中断允许控制位1)设置中断使能中断线INTREQ通过MCU主要是在MCU中设置一个1位的控制寄存器中断使能INTEN，用作中断允许控制位；2)决定MCU响应根据中断请求INTREQ和中断使能INTEN的状态来决定MCU的响应；步骤2.中断服务过程1)逐个检查在中断服务过程中，MCU按顺序逐个检查多个扩展的串口中断源，有中断请求的就给予服务；2)锁存与延迟当刚刚检查过的中断又出现时，一方面靠复杂可编程逻辑器件CPLD中的一位寄存器INTREQ锁存；另一方面，当上一中断服务完毕时，MCU中实现的8位状态机保证了一定时间的延迟；3)恢复在延时中，中断控制把堆栈内容返回给CPU寄存器，恢复能获得响应。
本发明的有益效果是由PLC加扩展口和触摸屏的方法实现集中管理，其智能化、自动化程度高，功能齐全，可靠性高，设计平均无故障运行指标105小时，可实现人机对话，可通过触摸屏对运行参数进行修改，反应运行状态和运行数据，可通过电话线，网络远距离传输、检测、监控，适用于发电厂、变电站无人值守站运行等；本发明的方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术等，具有大功率任意扩展、全自动、自储存数据、自诊断、故障自排除及性价比高的特点，为国内当今领先水平。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图1是本发明在整体结构直流电源屏的方框示意图；附图2是本发明智能监控器的结构方框示意图；附图3是本发明扩展口BTS1结构方框示意图；附图4中的图4A、图4B是本发明窗口比较器电路图；附图5是本发明单体电池电压测量电路原理图；附图6是本发明单体电池电压测量电路输入端原理图；附图7是本发明浮动地电路结构示意图；附图8是本发明浮动地调整电路原理图；附图9是本发明数字量扩展口BTS2结构示意图；附图10是公知的直流系统绝缘监测装置示意图；附图11是公知的直流系统绝缘监测装置等值电路原理图；附图12是本发明通讯扩展口CEUB结构方框示意图；附图13是本发明实现中断使能逻辑图；附图14是本发明中断响应的时序图；附图15是本发明中断控制寄存器的状态图；附图16是本发明在整体结构直流电源屏的电原理图；附图中标号说明1—智能监控器；101—可编程控制器PLC；2—二路交流切换电路； 102—扩展口BTS1；3—充电模块； 1020—单体电池检测；
4—控制模块； 103—数字量扩展口BTS2；5—蓄电池；1030—馈出绝缘检测；6—自动调压装置； 104—模拟量扩展口BTS3；7—活化装置； 105—通讯扩展口CEUB；8—触摸屏；1050—RS232/RS485通讯接口；9—控制馈出回路； 106—V-T曲线；10—合闸馈出回路； 107—电池活化；11—模拟开关； 108—模块控制；12—模拟开关选通控制； 109—母线绝缘检测；13—浮动地调整电路； 110—母线电压检测；14—差分放大模块； 25—中断请求；15—窗口比较器； 26—集成异步通信元件；16—A/D接口； 27—驱动芯片；17—D/A接口； 28—串、并行接口；18—控制器； 29—限流电阻R；19—接地GND； 30—二极管D1；20—参考电位； 31—模拟开关IC1；22—传感器； 32—二极管D2；23—负载； 33—模拟开关IC2；24—微处理器MCU； 35—电池单体；46—中断使能INTEN；36—运算放大器；47—中断延时DLY-IRQ； 37—电阻；48—中断服务请求ISR； 38—受控电压；40—单片机；42—三极管T1、T243—二极管；
具体实施例方式
请参阅附图1、2、16所示，本发明是由智能监控器(1)、二路交流切换电路(2)、充电模块(3)、控制模块(4)、蓄电池(5)、自动调压装置(6)、活化装置(7)、触摸屏(8)、控制馈出回路(9)及合闸馈出回路(10)组成的智能直流电源屏中的一部分，智能监控器(1)位于智能直流电源屏整体装置的中间位置，(如图16所示)，其中智能监控器(1)有可编程控制器PLC(101)、扩展口、模拟开关(11)、差分放大模块(14)、比较器、A/D接口(16)及D/A接口(17)等模块组成，可编程控制器PLC(101)的输入输出端分别与扩展口BTS1(102)、数字量扩展口BTS2(103)、模拟量扩展口BTS3(104)及通讯扩展口CEUB(105)的输出输入端相连接，可编程控制器PLC(101)的输出端分别与V-T曲线(106)、电池活化(107)、模块控制(108)及母线电压检测(110)的输入端相连接，其中扩展口BTS1(102)与扩展口BTS1(102)相互并接后，其输入输出端分别与单体电池检测(1020)及浮动地电池接线电路的输出输入端相连接，一扩展口BTS1(102)的输出端与母线绝缘检测(109)的输入端相连接；数字量扩展口BTS2(103)的输入输出端与馈出绝缘检测(1030)的输出输入端相连接；通讯扩展口CEUB(105)的输入输出端与触摸屏(8)及RS232/RS485通讯接口(1050)的输出输入端相连接；可编程控制器PLC(101)作为直流电源屏的集中管理部分。
模拟量扩展口BTS3(104)，可分别对二组整流器(高频开关电源模块)、电池活化、电池强—均—浮充电控制(包括V-T曲线)。
请参阅附图3、4所示，所述的直流电源屏智能监控器的扩展口BTS1(102)的模拟开关(11)的输出端分别与差分放大模块(14)及窗口比较器(15)的输入端相连接，差分放大模块(14)的输出端与A/D接口(16)的输入端相连接，A/D接口(16)的输出端与控制器(18)的输入端相连接，窗口比较器(15)的输出端与控制器(18)的输入端相连接，控制器(18)输出端分别与模拟开关选通控制(12)及D/A接口(17)的输入端相连接，D/A接口(17)的输出端与浮动地调整电路(13)的输入端相连接，浮动地调整电路(13)分别与接地GND(19)及参考电位(20)相连接；其中窗口比较器(15)的一输入端分别与模拟开关(11)的输出端VC、VD相连接，另一输入端分别与正负电源电压相连接，窗口比较器(15)的输出端分别输出高低逻辑电平与控制器(18)的输入端相连接。
扩展口BTS1(102)可作为多个扩展口，实现对单体电池和母线绝缘检测，每只BTS1(102)可检测60节单体电池，整机108节电池使用2只BTS1(102)扩展口，BTS1(102)可任意根据电池节数增加。
请参阅附图5、6所示，所述的直流电源屏智能监控器的扩展口BTS1(102)分别与单体电池电压测量电路与单体电池电压测量电路输入端相连接，其中单体电池电压测量电路的电池单体(35)的输入端分别与正负电源电压相连接，其输出端与一运算放大器(36)的输入端相连接，一运算放大器(36)的输出端通过电阻(37)与另一运算放大器(36)的输入端相连接，另一运算放大器(36)的输出端一路与反馈电阻相连接，另一路与A/D接口(16)相连接，A/D接口(16)与单片机(40)之间双向连接，单片机(40)的输出端与受控电压(38)的输入端相连接，受控电压(38)的正极与另一运算放大器(36)的输入端正极相连接，其负极与电源电压相连接；单体电池电压测量电路输入端电路由相互并行的模拟开关(11)和蓄电池组组成，每一模拟开关(11)的输入端通过电阻(37)与接入的信号电位相连接，其中一模拟开关(11)的输出端通过电阻R1与运算放大器(36)的一输入端相连接，另一模拟开关(11)的输出端通过电阻R3与运算放大器(36)的另一输入端相连接，蓄电池组的负端为参考点。
请参阅附图7、8所示，所述的直流电源屏智能监控器的浮动地电池接线电路由一支路或一支路以上的模拟开关(31)、限流电阻R(29)及二极管D1(30)、D2(32)组成，二极管D1(30)、D2(32)分别接2.5V和-7.5V，一支路的模拟开关IC1(31)依次与限流电阻R(29)及二极管D1(30)、D2(32)串接后的中间连接点相连接，另一支路的模拟开关IC2(33)依次与限流电阻R(29)及二极管D1(30)、D2(32)串接后的中间连接点相连接。
请参阅附图8所示，所述的浮动地调整电路(13)由晶体管和运算放大器组成，D/A接口(17)的输出端与一运算放大器(36)的输入端相连接，一运算放大器(36)的输出端通过电阻(37)与另一运算放大器(36)的输入端相连接，另一运算放大器(36)的输出端一路与反馈电阻相连接，另一路通过电阻(37)与三极管T1、T2(42)的共基极连线处相连接，三极管T1、T2(42)的共发射极通过分压电阻接地，三极管T1(42)的集电极通过二极管(43)与一电阻(37)并接后与电源相连接，三极管T2(42)的集电极通过二极管(43)接参考地。
本发明的浮动地原理
1.防止模拟开关输入信号超过电源电压对电池组上任意一只电池，接线如图7所示，在接线中加入了限流电阻R及信号箱位二极管D1、D2，D1、D2分别接2.5V和-7.5V，从而使模拟开关输入信号对测量地(GND)不超过+2V和-7V(在模拟开关电源电压±15V以内)，从而使输出端不会被拉向电源电位(±15V)，使测量电路能正常工作。
2.浮动地原理框图为了让测量电路的地(GND)电位受控，并能浮动到与被测电池电位附近，采用如图3所示的浮动地原理。
每次工作时，先由模拟开关选通，使其被测电池两端的电位信号接入测试电路，此信号一方面进入差分放大器(14)；另一方面进入窗口比较器(15)，在窗口比较器(15)中与固定电位Vr相比较，从窗口比较器(15)输出的开关量状态可识别出当前测量地(GND)的电位是太高，太低或正好(相对于Vr)。如果正好，则可以启动A/D(16)进行测量。如太高或太低，则通过控制器(18)对地(GND)电位行浮动控制。
当需要对地电位进行浮动时控制器将需要调整地电位的增量送入D/A(17)转换器，D/A(17)形成的相应模拟增量将改变地电位，直到地电位调整到恰当数值，使之不影响测量。由于没有机械工作，整个调整速度较快。
3.窗口比较器窗口比较器(15)用来识别当前地电位是否正常，它主要实现定性的逻辑判别，比较电路如图4所示。图5中模拟开关输出端VC，VD。各接一个窗口电路。窗口比较器(15)的另一输入端为±Vr，，Vr选为略小于电源电压即可。调整地(GND)电位使之达到两个目的(1)使在差分放大器(14)中VC和VD相对GND为负信号，减少由于共模信号不同带来的测量误差。(2)使VC或VD中任一个信号幅度藻在窗口之内，使地(GND)电位在被测电池电位附近。
控制器(18)通过窗口比较器(15)输出的逻辑电平来识别当前地电位的高低，控制电路将启动给出数字量，经DA对地电位时行调整。
4.浮动地调整电路测量电路地(GND)电位的浮动由调整电路实现，如图8所示。其高低程度由DA值决定。电路主要依靠两只晶体管T1和T2来实现。T1、T2与运放一起构成稳定的负反馈。
运放与T1、T2构成负反馈支路，使一定的Vi，可以对应一定的地电位。使浮动地稳定工作，克服扰动的分析如下 对一定的Vi，如果任一扰动使测量地电位升高，则经负反馈后又会抑制其升高。T1和z的放大倍数越高，这一负反馈越灵敏。实际中对T1和T2的放大倍数要求越大越好，否则可能不能达到稳定浮动地的效果。
请参阅附图9所示，所述的直流电源屏智能监控器的数字量扩展口BTS2(103)由传感器(22)、负载(23)及检测电阻R组成，在正、负极母线上设有一直流支路或一直流支路以上的支路，电阻R、传感器(22)及负载(23)依次连接在每一条直流支路中。
数字量扩展口BTS2(103)可对每一个馈出支路绝缘检测，每只BTS2(103)可检测24路，若馈出支路大于24路，可再增加N个BTS2(103)。
请参阅附图12、13、14、15所示，所述的直流电源屏智能监控器的通讯扩展口CEUB(105)由微处理器MCU(24)、中断请求(25)INTREQ模块、集成异步通信元件(26)，如16C554等型号，驱动芯片(27)，如MAX202等型号及串、并行接口(28)，如RS232/RS485等模块组成，微处理器MCU(24)与中断请求(25)模块相连接，中断请求(25)模块与一并行支路或一并行支路以上的集成异步通信元件(26)相连接，其中一并行支路的集成异步通信元件(26)的输入输出端与驱动芯片(27)的输出输入端相连接，驱动芯片(27)的输入输出端与串、并行接口(28)的输出输入端相连接。
CEUB(105)作为RS232/RS485通讯扩展口，使其可用数字通讯方式对整流器、触摸屏(8)、上位机进行通讯。
1)总体设计方案本发明多串口扩展技术方案的基本原理结构如图12所示。RS232(28)串口通过驱动芯片MAX202(27)转换成TTL电平，通过串口异步通信器件16C554(26)输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求INTREQ(25)，再通过CPLD与中断控制器相连接。中断线INTREQ通过MCU主要是在MCU中做了一个1位的控制寄存器INTEN，用作中断允许控制位，并且根据16C554的中断请求INTREQ(25)和中断使能INTEN(46)的状态来最终决定MCU的响应。在中断服务过程中，MCU按顺序逐个检查多个扩展的串口中断源，有中断请求的就给予服务。当刚刚检查过的中断又出现时，一方面靠CPLD中的一位寄存器INTREQ锁存；另一方面，当上一中断服务完毕时，MCU中实现的8位状态机保证了一定时间的延迟。此延时中，中断控制把堆栈内容返回给CPU寄存器，恢复能获得响应。这样，即使在多个串口中断密集发生的环境下，扩展的多个串行口仍可获得实时性和可靠性较高的中断响应。
2)硬件配置(1)MAX202Maxim公司的MAX202芯片是标准的RS232电平转换器，是符合RS232通信标准的接口芯片；功耗低，集成度高，只用单一5V电源，每片有2个驱动器和2个接收器，具有2组接收和发送通道；全部接口电路简单，可靠性高，可实现TTL电平和RS232电平的直接转换。
(2)16C55416C554是集成异步通信元件。在FIFO模式，传输和接收前数据缓冲为16字节数据包，减了CPU的中断数量。包含4个改良16C550异步传输器件，使得串行I/O更加可靠。每个信道实现串行和并行2种连接方式的转换；每个信道的状态可以通过CPU的操作读取，可以获取操作情况或任何的错误状态。三态输出为双向数据总线和控制总线提供TTL驱动能力、优先级中断系统控制、可编程的串行接口特性。
3)采用的设计方法在MCU中做1个1位寄存器，称为INTEN中断允许，由1个8位状态机根据16C554的中断请求线产生的INTREQ及INTEN状态来最终生成中断延时DLY_IRQ(47)。图13是实现INTEN的逻辑图，中断响应的时序图如图14所示。
在中断服务请求ISR(48)置位期间，有中断请求INTREQ产生时，此时如果触发了中断，则会使上次中断服务无法完成，因而造成中断丢失。因此，在ISR配置期间，将中断允许INTEN设置为0，防止其它中断请求触发中断，并用INTREQ锁存未被响应的中断请求。退出中断服务后，得中断允许INTEN设置为1，保证其它中断请求能够被响应，并延迟50μs，以确保此次中断服务完全退出。
中断控制寄存器的状态图(描述8位状态机的转换)如图15所示。
在退出中断时，将INTEN设置为1，从状态S3转换到状态S0。时间上延迟了5Δt＝50μs，确保当前中断完全退出。INTREQ锁存中断请求，以确保下一中断能获得响应。
4)采用的软件设计在设计中断服务程序时，要注意中断服务程序必须具备自我保护能力，并能访问到所有当前段地址和堆栈指针；接管中断向量前要关中断；在中断程序入口处要立即开中断；以允许较高级的中断产生；中断程序执行IRET指令前，应向中断控制器发出结束中断命令。在安装中断时，将INTEN设置为1，在中断服务中轮流检查多个串口，如果有中断服务产生，则将INTEN设置为0；退出中断服务的时候，将INTEN设置为1。
本公司的方案大大节省了单片机CPU时间的开销，在确保了通讯的速率的同时较大限度的降低了扩展成本，且大大领先于同行业。
一种直流电源屏智能监控器的控制方法，该方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术，其中电池组的单体电池电压检测采用全电子切换和控制方法及采用浮动地电位技术，通过浮动地调整电路测量电路地电位的浮动，用稳定的负反馈，使GND的电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量的正常进行；绝缘监测技术采用综合判据在线检测直流系统绝缘状况方法，包括检测正、负极母线电压，检测正、负极对地绝缘电阻，上述两个条件，其中一个条件不满足整定值要求，系统就检测各个支路漏电流，并显示支路号，漏电流值及正、负极母线电压值；
多串口扩展技术采用单片机和通用集成芯片，根据中断请求和中断使能的状态来决定中断响应。
所述的直流电源屏智能监控器的控制方法的电池组的单体电池电压检测方法的浮动地原理，其具体工作步骤是步骤1.防止模拟开关输入信号超过电源电压1)加入限流电阻及二极管对电池组上任意一只电池，在接线中加入限流电阻R及信号箱位二极管D1、D2，D1、D2；2)输入电压二极管D1、D2，D1、D2分别接2.5V和-7.5V，使模拟开关输入信号对测量地不超过+2V和-7V，其输出端不会被拉向电源电位；步骤2.浮动地调整电路测量电路1)模拟开关选通先由模拟开关选通，使其被测电池两端的电位信号接入测试电路；2)信号输入测试电路信号一方面进入差分放大器；另一方面进入窗口比较器；3)窗口比较器工作在窗口比较器中与固定电位Vr相比较，从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量地的电位是高或低或正好；4)判断若正好，则可以启动A/D进行测量；若高或低，则通过控制器对地电位进行浮动控制；5)控制器工作当需要对地电位进行浮动时，控制器将需要调整地电位的增量送入D/A转换器，D/A转换器形成的相应模拟增量将改变地电位，直到地电位调整到恰当数值。
所述的直流电源屏智能监控器的控制方法的绝缘监测技术的在线检测直流系统绝缘状况方法，具体工作步骤是步骤1.检测正、负极母线电压1)在线检测在线检测并显示正、负极母线电压，当正极电压小于设定值说明正极绝缘下降，当负极电压小于整定值，说明负极绝缘下降；2)判断通过检测电压判断绝缘下降后，装置即报警并启动检测电流单元，以确定哪条支路绝缘下降。
步骤2.检测正、负极对地绝缘电阻1)投入检测电阻在保证不对系统产生影响的情况下，装置分别向正、负极母线自动投入一个检测电阻；2)检测正、负极对地绝缘电阻；步骤3.检测漏电流判断接地支路1)检测支路漏电流在直流各支路套装传感器，正常情况下入出相等，传感器输出的漏电流为零，当系统绝缘下降，投入检测电阻时，装置检测到传感器输出的漏电流值；2)求接地电阻，显示支路号、漏电流和接地电阻值a.一条支路若一条支路正极经R+接地，当S_闭合，检测电阻投入负极，则传感器检测到的漏电流为la＝U/(R++IZ)，从而由式R＝＜U-IRR)/I*求出该支路的接地电阻，并显示支路号、漏电流和接地电阻值；b.两条支路若有2号和3号两条支路经R.和R十接地，包括两条以上支路接地，在负极投入检测电阻，则IR=UR+//R+′+R·R+′R++R+′]]>IR′=UR+//R+′+R·R+R++R+′]]>c.多条支路对多条支路接地，给负极母线投入检测电阻R，能检测出所有绝缘下降的支路，对负极绝缘下降，给正极母线投入检测电阻R，能检测出所有绝缘下降支路；d.同一支路当同一支路正、负极绝缘同等下降或成比例下降时，分别给直流母线投入正、负极检测电阻，同样能检测出正、负极各支路漏电流值。
所述的直流电源屏智能监控器的控制方法的多串口扩展技术采用单片机和通用集成芯片，通过驱动芯片转换成TTL电平，通过串口异步通信器件输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求INTREQ(25)，再通过复杂可编程逻辑器件CPLD与中断控制器完成中断服务，其中断服务具体工作步骤是步骤1.中断允许控制位1)设置中断使能中断线INTREQ通过MCU主要是在MCU中设置一个1位的控制寄存器中断使能INTEN(46)，用作中断允许控制位；2)决定MCU响应根据中断请求INTREQ(25)和中断使能INTEN(460的状态来决定MCU的响应；步骤2.中断服务过程1)逐个检查在中断服务过程中，MCU按顺序逐个检查多个扩展的串口中断源，有中断请求的就给予服务；2)锁存与延迟当刚刚检查过的中断又出现时，一方面靠复杂可编程逻辑器件CPLD中的一位寄存器INTREQ锁存；另一方面，当上一中断服务完毕时，MCU中实现的8位状态机保证了一定时间的延迟；3)恢复在延时中，中断控制把堆栈内容返回给CPU寄存器，恢复能获得响应。
可编程控制器PLC本机可对交流输入二路切换，对调压装置、电池活化(107)、V-T曲线(106)、电池充电进行控制，对整机各数据检测、保护；实现对各部分进行控制、检测、保护、报警和数据传输，使用自行与科研机构联合开发的软件，用汇编语言编制，并用通讯方法远距离传输实现“四遥”，即可实现遥测、遥信、遥控、遥调，实现远距离与上位机通信。
扩展口BTS检测每个蓄电池的电压，各馈出回路的绝缘电阻，所检测数据传输至PLC处理，根据蓄电池个数、馈出回路可任意扩展；通讯扩展口CEUB(105)可任意对通讯口扩展，实现控制数据传输；屏体为本单位自行设计，框架采用拼装式，前门为大玻璃到底的钢化玻璃，后门为直列双开门，防护等级可达IP54；触摸屏(8)从通讯扩展口CEUB(105)接收整机所有的工作状态、运行参数、保护设定、报警参数进行显示。
智能直流电源屏最大已生产至3000Ah/220V。
本发明的工作原理及实施例如下由可编程控制器PLC检测二路交流电供电状态，选择一路供电，若一路失电，缺相欠电压过电压时切换至另一路供电，并在触摸屏上显示。
由PLC通过BTS3对一组充电高频开关电源模块电源模块(简称充电模块3)和一组控制高频开关电源模块电源模块(简称控制模块4)进行控制检测保护，一组控制模块(4)对控制母线(Wc)提供恒定高品质电源，一组充电模块对蓄电池(5)进行强充(恒流)——均充(恒压)—浮充(恒压)的三阶段充电控制，并在触摸屏8上显示。
由PLC通过BTS3对调压装置进行控制，确保电池由于不同充电状态引起对控制母线的电位差部分进行降压，确保控母电压不超过标准值，由交流失电时对调压装置调压，确保控母电压维持标准值，并在触摸屏(8)上显示。
由PLC通过BTS3对蓄电池(5)进行活化，自动检测放电电流放电时间，自动计算放电容量，并在触摸屏(8)上显示。
由PLC通过BTS1对每节单体电池共计可达216节进行检测报警，可在触摸屏(8)上显示直方图、数据图和充放电曲线。
由PLC通过BTS2对输出每个回路的绝缘进行检测，并在触摸屏(8)上显示。由PLC通过通讯扩展口CEUB对系统，如触摸屏(8)、控制模块(4)、充电模块(3)及BTS1等进行数字量通讯控制，并与变电站或发电厂中央控制室进行数据传输。
由PLC通过BTS4对每个输出回路的工作状态进行检测，并在触摸屏(8)上显示。
由于采用了PLC加扩展口的形式，用触摸屏(8)显示，使整机相当可靠、集中管理、系统更简便、显示更直观。
本发明的方案中的所有元器件及芯片的功能与型号，仅为实施例而言，可以是多种型号，不一定指定为某一种型号，只要是常用的功能一样的均可。本方案大大节省了单片机CPU时间的开销，在确保了通讯的速率的同时较大限度的降低了扩展成本，且大大领先于同行业。
权利要求
1.一种直流电源屏智能监控器，该装置是由智能监控器(1)、二路交流切换电路(2)、充电模块(3)、控制模块(4)、蓄电池(5)、自动调压装置(6)、活化装置(7)、触摸屏(8)、控制馈出回路(9)及合闸馈出回路(10)组成的智能直流电源屏，其中智能监控器(1)有可编程控制器PLC(101)、扩展口、模拟开关(11)、差分放大模块(14)、窗口比较器(15)、A/D接口(16)及D/A接口(17)，其特征在于可编程控制器PLC(101)的输入输出端分别与扩展口BTS1(102)、数字量扩展口BTS2(103)、模拟量扩展口BTS3(104)及通讯扩展口CEUB(105)的输出输入端相连接，可编程控制器PLC(101)的输出端分别与V-T曲线(106)、电池活化(107)、模块控制(108)及母线电压检测(110)的输入端相连接，其中扩展口BTS1(102)与扩展口BTS1(102)相互并接后，其输入输出端分别与单体电池检测(1020)及浮动地电池接线电路的输出输入端相连接，一扩展口BTS1(102)的输出端与母线绝缘检测(109)的输入端相连接；数字量扩展口BTS2(103)的输入输出端与馈出绝缘检测(1030)的输出输入端相连接；通讯扩展口CEUB(105)的输入输出端与触摸屏(8)及RS232/RS485通讯接口(1050)的输出输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的直流电源屏智能监控器，其特征在于所述的扩展口BTS1(102)的模拟开关(11)的输出端分别与差分放大模块(14)及窗口比较器(15)的输入端相连接，差分放大模块(14)的输出端与A/D接口(16)的输入端相连接，A/D接口(16)的输出端与控制器(18)的输入端相连接，窗口比较器(15)的输出端与控制器(18)的输入端相连接，控制器(18)的输出端分别与模拟开关选通控制(12)及D/A接口(17)的输入端相连接，D/A接口(17)的输出端与浮动地调整电路(13)的输入端相连接，浮动地调整电路(13)分别与接地GND(19)及参考电位(20)相连接；其中窗口比较器(15)的一输入端分别与模拟开关(11)的输出端VC、VD相连接，另一输入端分别与正负电源电压相连接，窗口比较器(15)的输出端分别输出高低逻辑电平与控制器(18)的输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的直流电源屏智能监控器，其特征在于所述的扩展口BTS1(102)分别与单体电池电压测量电路与单体电池电压测量电路输入端相连接，其中单体电池电压测量电路的电池单体(35)的输入端分别与正负电源电压相连接，其输出端与一运算放大器(36)的输入端相连接，一运算放大器(36)的输出端通过电阻(37)与另一运算放大器(36)的输入端相连接，另一运算放大器(36)的输出端一路与反馈电阻相连接，另一路与A/D接口(16)相连接，A/D接口(16)与单片机(40)之间双向连接，单片机(40)的输出端与受控电压(38)的输入端相连接，受控电压(38)的正极与另一运算放大器(36)的输入端正极相连接，其负极与电源电压相连接；单体电池电压测量电路输入端电路由相互并行的模拟开关(11)和蓄电池组组成，每一模拟开关(11)的输入端通过电阻(37)与接入的信号电位相连接，其中一模拟开关(11)的输出端通过电阻R1与运算放大器(36)的一输入端相连接，另一模拟开关(11)的输出端通过电阻R3与运算放大器(36)的另一输入端相连接，蓄电池组的负端为参考点。
4.根据权利要求1、2所述的直流电源屏智能监控器，其特征在于所述的浮动地电池接线电路由一支路或一支路以上的模拟开关(31)、限流电阻R(29)及二极管D1(30)、D2(32)组成，二极管D1(30)、D2(32)分别接2.5V和-7.5V，一支路的模拟开关IC1(31)依次与限流电阻R(29)及二极管D1(30)、D2(32)串接后的中间连接点相连接，另一支路的模拟开关IC2(33)依次与限流电阻R(29)及二极管D1(30)、D2(32)串接后的中间连接点相连接。所述的浮动地调整电路(13)由晶体管和运算放大器组成，D/A接口(17)的输出端与一运算放大器(36)的输入端相连接，一运算放大器(36)的输出端通过电阻(37)与另一运算放大器(36)的输入端相连接，另一运算放大器(36)的输出端一路与反馈电阻相连接，另一路通过电阻(37)与三极管T1、T2(42)的共基极连线处相连接，三极管T1、T2(42)的共发射极通过分压电阻接地，三极管T1(42)的集电极通过二极管(43)与一电阻(37)并接后与电源相连接，三极管T2(42)的集电极通过二极管(43)接参考地。
5.根据权利要求1所述的直流电源屏智能监控器，其特征在于所述的数字量扩展口BTS2(103)由传感器(22)、负载(23)及检测电阻R组成，在正、负极母线上设有一直流支路或一直流支路以上的支路，电阻R、传感器(22)及负载(23)依次连接在每一直流支路中。
6.根据权利要求1所述的直流电源屏智能监控器，其特征在于所述的通讯扩展口CEUB(105)由微处理器MCU(24)、中断请求(25)、集成异步通信元件(26)、驱动芯片(27)及串、并行接口(28)组成，微处理器MCU(24)与中断请求(25)模块相连接，中断请求(25)模块与一并行支路或一并行支路以上的集成异步通信元件(26)相连接，其中一并行支路的集成异步通信元件(26)的输入输出端与驱动芯片(27)的输出输入端相连接，驱动芯片(27)的输入输出端与串、并行接口(28)的输出输入端相连接。
7.一种直流电源屏智能监控器的控制方法，该方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术，其特征在于其中电池组的单体电池电压检测采用全电子切换和控制方法及采用浮动地电位技术，通过浮动地调整电路测量电路地电位的浮动，用稳定的负反馈，使GND的电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量的正常进行；绝缘监测技术采用综合判据在线检测直流系统绝缘状况方法，包括检测正、负极母线电压，检测正、负极对地绝缘电阻，上述两个条件，其中一个条件不满足整定值要求，系统就检测各个支路漏电流，并显示支路号，漏电流值及正、负极母线电压值；多串口扩展技术采用单片机和通用集成芯片，根据中断请求和中断使能的状态来决定中断响应。
8.根据权利要求7所述的直流电源屏智能监控器的控制方法，其特征在于所述的电池组的单体电池电压检测方法的浮动地原理，其具体工作步骤是步骤1.防止模拟开关输入信号超过电源电压1)加入限流电阻及二极管对电池组上任意一只电池，在接线中加入限流电阻R及信号箱位二极管D1、D2，D1、D2；2)输入电压二极管D1、D2，D1、D2分别接2.5V和-7.5V，使模拟开关输入信号对测量地不超过+2V和-7V，其输出端不会被拉向电源电位；步骤2.浮动地调整电路测量电路1)模拟开关选通先由模拟开关选通，使其被测电池两端的电位信号接入测试电路；2)信号输入测试电路信号一方面进入差分放大器；另一方面进入窗口比较器；3)窗口比较器工作在窗口比较器中与固定电位Vr相比较，从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量地的电位是高或低或正好；4)判断若正好，则可以启动A/D进行测量；若高或低，则通过控制器对地电位进行浮动控制；5)控制器工作当需要对地电位进行浮动时，控制器将需要调整地电位的增量送入D/A转换器，D/A转换器形成的相应模拟增量将改变地电位，直到地电位调整到恰当数值。
9.根据权利要求7所述的直流电源屏智能监控器的控制方法，其特征在于所述的绝缘监测技术的在线检测直流系统绝缘状况方法，具体工作步骤是步骤1.检测正、负极母线电压1)在线检测在线检测并显示正、负极母线电压，当正极电压小于设定值说明正极绝缘下降，当负极电压小于整定值，说明负极绝缘下降；2)判断通过检测电压判断绝缘下降后，装置即报警并启动检测电流单元，以确定哪条支路绝缘下降。步骤2.检测正、负极对地绝缘电阻1)投人检测电阻在保证不对系统产生影响的情况下，装置分别向正、负极母线自动投人一个检测电阻；2)检测正、负极对地绝缘电阻；步骤3.检测漏电流判断接地支路1)检测支路漏电流在直流各支路套装传感器，正常情况下入出相等，传感器输出的漏电流为零，当系统绝缘下降，投人检测电阻时，装置检测到传感器输出的漏电流值；2)求接地电阻，显示支路号、漏电流和接地电阻值a.一条支路若一条支路正极经R+接地，当S_闭合，检测电阻投人负极，则传感器检测到的漏电流为1a＝U/(R++IZ)，从而由式R＝＜U-IRR)/I*求出该支路的接地电阻，并显示支路号、漏电流和接地电阻值；b.两条支路若有2号和3号两条支路经R.和R十接地，包括两条以上支路接地，在负极投人检测电阻，则IR=UR+//R+′+R+R+′R++R+′]]>IR′=UR+//R+′+R+R+R++R+′]]>c.多条支路对多条支路接地，给负极母线投人检测电阻R，能检测出所有绝缘下降的支路，对负极绝缘下降，给正极母线投人检测电阻R，能检测出所有绝缘下降支路；d.同一支路当同一支路正、负极绝缘同等下降或成比例下降时，分别给直流母线投入正、负极检测电阻，同样能检测出正、负极各支路漏电流值。
10.根据权利要求7所述的直流电源屏智能监控器的控制方法，其特征在于所述的多串口扩展技术采用单片机和通用集成芯片，通过驱动芯片转换成TTL电平，通过串口异步通信器件输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求INTREQ(25)，再通过复杂可编程逻辑器件CPLD与中断控制器完成中断服务，其中断服务具体工作步骤是步骤1.中断允许控制位1)设置中断使能中断线INTREQ通过MCU主要是在MCU中设置一个1位的控制寄存器中断使能INTEN(46)，用作中断允许控制位；2)决定MCU响应根据中断请求INTREQ(25)和中断使能INTEN(46)的状态来决定MCU的响应；步骤2.中断服务过程1)逐个检查在中断服务过程中，MCU按顺序逐个检查多个扩展的串口中断源，有中断请求的就给予服务；2)锁存与延迟当刚刚检查过的中断又出现时，一方面靠复杂可编程逻辑器件CPLD中的一位寄存器INTREQ锁存；另一方面，当上一中断服务完毕时，MCU中实现的8位状态机保证了一定时间的延迟；3)恢复在延时中，中断控制把堆栈内容返回给CPU寄存器，恢复能获得响应。
全文摘要
一种涉及电站成套设备直流电源屏智能监控器及控制方法，尤指一种用于变电站、发电厂、工厂及机场等一切都要使用直流屏的地方，用于10KV以上变电站和任何容量发电厂的成套设备，要解决直流屏系统中对直流电源柜进行集中控制、检测、保护、报警及显示等装置。该方法包括电池组的单体电池电压检测、绝缘监测技术及多串口扩展技术等技术领域。本发明的优点可实现集中管理，其智能化、自动化程度高，功能齐全，可靠性高，可实现人机对话，可通过触摸屏对运行参数进行修改，反应运行状态和运行数据等；具有大功率任意扩展、全自动、自储存数据、自诊断、故障自排除及性价比高的特点。
文档编号H02J7/00GK1588255SQ20041005317
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月27日 优先权日2004年7月27日
发明者杨得志 申请人:杨得志