冀 友 公 政 葛卉婷 黃鶴松 公茂法

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266510；2.山東電力集團(tuán) 濰坊供電公司，山東 濰坊 261021）

0 引言

現(xiàn)今為發(fā)電廠和變電站的控制負(fù)荷和動力負(fù)荷以及直流事故照明負(fù)荷等供電的是電力工程直流電源，簡稱為直流屏。主要由蓄電池，充電模塊和監(jiān)控器三部分組成。它為發(fā)電廠和各種變電站中的信號設(shè)備、保護(hù)、自動裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源，并在外部交流電中斷的情況下，保證繼續(xù)提供可靠直流電源[1]。直流屏蓄電池作為電力系統(tǒng)交流停電時(shí)的后備電源，其可靠性和安全性直接影響到電力系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。因此要保證電網(wǎng)正常運(yùn)行必須加強(qiáng)對直流屏蓄電池的檢測和維護(hù)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述

整個(gè)硬件電路有以下單元組成：MCU 主控制單元、 電池檢測切換電路單元、檢測信號處理單元、A/D 轉(zhuǎn)換單元、繼電器驅(qū)動電路單元。如圖1 所示，系統(tǒng)采用模塊式集散結(jié)構(gòu)，能保證各單元功能的相對獨(dú)立性，主控單元與各功能單元采用光電隔離芯片隔離，避免單元故障在整個(gè)系統(tǒng)中擴(kuò)散，因而系統(tǒng)具有極高的可靠性[3]。 主控芯片STC89C52是宏晶公司生產(chǎn)的一款低功耗、 高性能CMOS 8 位單片機(jī)， 片內(nèi)自帶8k bytes 的在系統(tǒng)可編程Flash 程序存儲器和512 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，可直接使用串口下載程序。 芯片兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8 位中央處理器和Flash 存儲單元，可適用于本次電池故障檢測任務(wù)。

2 檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電池電壓信號處理電路設(shè)計(jì)

由于電池檢測切換電路直接測得的U1、U2 為弱信號， 經(jīng)比例運(yùn)放濾波環(huán)節(jié)處理后送到ADC0804 芯片才能保證測量靈敏度。 我們采用AD620 來處理輸入信號U1、U2， 經(jīng)差分放大后的信號送到A/D。AD620 為儀表放大器，放大器增益通過控制電阻RG 控制[4]。

2.2 AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選定A/D 芯片ADC0804。 該芯片內(nèi)部帶輸出數(shù)據(jù)鎖存器，轉(zhuǎn)換電路的輸出口能直接連到主控芯片的數(shù)據(jù)總線上，不用再附加邏輯接口電路。

ADC0804 的兩個(gè)模擬信號輸入端，能接受單極性、雙極性和差摸輸入信號。 STC89C52 芯片通過P3.6 口經(jīng)光電隔離控制啟動ADC0804， 同時(shí)ADC0804 將轉(zhuǎn)換結(jié)束后的電壓信號經(jīng)過隔離送到STC89C52 的P0 口，完成電壓信號檢測。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The Overrall System Block Diagram

2.3 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

通過繼電器將電池逐個(gè)切換到信號注入和信號檢測電路。繼電器驅(qū)動電路如圖2 所示，STC89C52 芯片P2 口的控制信號通過光耦隔離后，由74LS145 譯碼電路確定哪路繼電器的通斷，可順序檢測蓄電池內(nèi)阻和蓄電池電壓。

2.4 內(nèi)阻測量方法與測量電路設(shè)計(jì)

2.4.1 內(nèi)阻測量方法簡介

通過交流注入法測量蓄電池內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)在線檢測，交流注入法存在易受諧波干擾，影響測量精度的弊端，在硬件電路中應(yīng)添加抗干擾設(shè)計(jì)部分，來提高穩(wěn)定性[5]。 內(nèi)阻測量的系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 中，R 為阻值已知的參考電阻。 交流信號發(fā)生器經(jīng)耦合驅(qū)動電路向蓄電池中注入交流信號，交流信號頻率為1kHz。 采樣電路分別將蓄電池兩端和參考電阻兩端的響應(yīng)信號經(jīng)過處理后，可以得到穩(wěn)定的幅值電壓[6]。 因?yàn)樾铍姵嘏c參考電阻串聯(lián)，所以電流是相同的。 如果蓄電池兩端的響應(yīng)電壓為U1，內(nèi)阻抗為Z，參考電阻R 兩端得到的響應(yīng)電壓為U2，由歐姆定律可得：

圖2 繼電器驅(qū)動電路Fig.2 The Circuit of Relay Driver

圖3 內(nèi)阻測量系統(tǒng)框圖Fig.3 The Block Diagram of Resistance Measurement System

2.4.2 內(nèi)阻測量硬件設(shè)計(jì)

（1）交流信號發(fā)生電路如圖4 所示。 交流信號發(fā)生器采用集成運(yùn)放TL082 構(gòu)成文氏橋正弦波發(fā)生器[7]，其振蕩頻率為1kHz。

圖4 交流信號發(fā)生器Fig.4 AC Signal Generator Circuit

（2）耦合驅(qū)動電路如圖5 所示。 利用音頻集成功放LM386 芯片的三級放大電路，其輸入級為差分放大器能克服交流注入信號易受干擾的弱點(diǎn)，中間級有較高電壓增益，能為輸出級提供足夠的信號電壓，最后經(jīng)輸出級的互補(bǔ)對稱功放電路輸出足夠大的功率。

圖5 耦合驅(qū)動電路Fig.5 Coupled Drive Circuit

（3）交流差分放大及濾波電路如圖6 所示。 經(jīng)過信號采集電路得到的電壓信號很微弱,需放大濾波后才能滿足下一級A/D 處理電路的輸入要求。 采用AD620 儀表放大器以及帶通濾波器組成交流差分放大及濾波電路。

圖6 交流差分放大及濾波電路Fig.6 Cicuit of Filter and AC Differential Aplification

高性能的儀表放大器AD620 的增益可以通過改變腳1 和腳8 之間的電阻RG值來調(diào)節(jié)。 信號放大后， 經(jīng)過帶通濾波器檢測出0.4-3kHz 的帶通信號，送到乘法器的信號端[8]。采用高精度的運(yùn)放OP27 實(shí)現(xiàn)直流放大電路的程控增益放大， 放大器反饋電阻由模擬開關(guān)CD4052 來選擇，通過STC89C52 智能選擇放大倍數(shù)，使信號保持在最佳A/D 采集電壓的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文主要介紹直流屏蓄電池狀態(tài)檢測系統(tǒng)的構(gòu)成和檢測電路硬件電路，重點(diǎn)介紹了電壓測量電路和內(nèi)阻測量電路。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明：本文論述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測量方法測量電路可行有效。

［1］鄭貴林，李金召.一種新型直流屏蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備,2005,25(1): 40-42.

［2］馬福州,楊順江,徐莉,等.分散式直流屏蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)[J].電工技術(shù),2008:69-70.

［3］黃發(fā)雷.一種實(shí)用的光電隔離式串行通信方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006:37-38.

［4］王樹振,單威,宋玲玲.AD620 儀用放大器原理與應(yīng)用[J].微處理機(jī),2008:38-40.

［5］劉登峰,邵天章.蓄電池內(nèi)阻測試儀的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2011,35(3):305-307.

［6］蔣京頤,趙忖,劉秀峰.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(18):4496-4498

［7］周宦銀，房宗良，朱玲贊.文氏橋正弦波發(fā)生器的EWB 仿真研究[C]//第13 屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會論文集.2011.

［8］ANALOG DEVICES,AD620 儀表放大芯片數(shù)據(jù)手冊[Z].2006.