1 概述
發電廠、變電站中的直流系統正常情況下給控制、保護電路供電，事故情況下，在交流電源全停時，要保證1～2h的供電時間，而且要求提供給直流母線的電壓不低于額定值的90％。該備用容量由蓄電池組提供，蓄電池組的使用壽命和有效容量取決于充電機的技術指標（穩壓精度、穩流精度、紋波系數）。在充電機長達10～20年的使用中，技術指標不可避免地會發生變化，嚴重時會造成蓄電池組充電容量不足，在變電站交流停電時，蓄電池組不能可靠地供電，而導致全站保護及開關拒動，造成主設備損壞、電網瓦解等重大事故。
目前電力系統中運行的直流充電設備達到的技術指標，都是由生產廠家在設備出廠試驗時提供的數據。現場檢修維護人員因不具備相應的測試手段，難以確認設備的技術指標是否滿足要求。而且隨著運行時間的推移，設備的技術指標會發生偏移，典型的后果是因充電機指標下降，穩壓、穩流、紋波系數超標，造成蓄電池失效，直接威脅電網的安全運行。
因此，有必要研制一種采用微型計算機控制技術的檢測設備，通過對充電機等被測設備的交流輸入電壓、輸出負載按標準規定的設定值進行調節，同時檢測裝置自動進行采樣計算，組成一個可移動的自動化檢測系統，以便對直流電源設備的技術指標進行現場的全面測試。
2 總體方案
2.1 系統結構
系統結構圖如圖1所示。
圖1 系統結構圖
2.2 技術指標
三相交流輸入電壓 380V，50Hz；
三相交流輸出電壓 342V、380V、418V；
直流輸出穩壓時電流 0～50A；
直流輸出穩流時電壓 180～300V；
紋波峰峰值范圍為 1.5～5.5V；
測量精度
測量穩壓精度時，直流電壓測量精度≤±0.5％，紋波電壓精度≤±0.5％；
測量穩流精度時，直流電流測量精度≤±0.5％。
3 主要技術問題及解決
3.1 采集精度
3.1.1 采集精度的要求
電壓、電流信號采集是本系統一切控制、測量及計算的基礎，對充電機輸出直流電壓波形進行高速采集，且采集精度高，是該系統能否研制成功的關鍵。
3.1.2 保證采集精度的措施
1）電流、電壓采樣元件選用高質量霍爾傳感器，具有高波形保真率、快速響應，良好的電氣隔離等特點。
2）來自傳感器的電壓，電流信號經同相放大、有源濾波等模擬信號電路處理后，送至A／D轉換器，轉換后的數字量由數據總線送入中央處理器。由于A/D的時鐘為工頻整倍數，所以能抑制工頻干擾。模擬信號處理電路選用高精度、低溫度漂移系數、耐干擾性能好的器件組成。
3）紋波電壓信號經帶通濾波、峰值保持等處理后，到高速A/DTLC2543進行模數轉換,轉換時間<10μs，轉換后的數字量由數據總線送入中央處理器，進行處理。
3.2 抗干擾
由于該監控系統工作于強電磁輻射環境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統，輕則會引起誤報，嚴重時就會導致整個系統癱瘓，甚至造成重大事故。為此，本系統從硬件和軟件兩方面考慮抗干擾措施，以保證監控系統的可靠運行。
3.2.1 硬件抗干擾措施
1）光電隔離在輸入和輸出通道上，采用光電耦合器件進行信號隔離傳輸，這樣一來可以較好地防止串模干擾，干擾單片機的正常工作。
2）去耦電路在電源進線端加去耦電路，消除各類高頻干擾。
3）合理布置地線系統中的數字地與模擬地分開，最后在一點相連，避免了模擬信號對數字信號的干擾。
3.2.2 軟件抗干擾措施
1）利用可編程邏輯看門狗將單片機從死循環和跑飛狀態中拉出，使單片機復位。
2）對模擬量的采樣和處理，采用數字濾波技術。
3）采用指令冗余和軟件陷阱，防止程序跑飛。
3.3 模塊化結構
為方便運輸與搬運，交流調壓裝置及負載調整裝置均設計為模塊化組裝結構。該系統由以下幾個模塊組成：
1）交流調壓模塊；
2）負載調整模塊；
3）檢測(系統主機)模塊。
4 直流監測系統主機
該部分是整體設備的測量控制中心，其主要是以串行口控制電動調壓器以及負載調整裝置，使充電機達到測試所需的狀態；測量被測充電機的有關輸出量并對結果實施分析計算，最終得出穩壓精度、穩流精度、紋波系數三大參數。采用觸摸液晶顯示器、微型打印機作為人機界面，用于參數的設定、調整及結果的顯示。
4.1 數據采集
4.1.1 充電電壓
采集電壓通過共扼線圈濾除雜波后，經由CPU控制的模擬開關到達運放，由精密四運算放大器TL052構成精密運放器，輸入到TC7109CPL進行A/D變換。
4.1.2 充電電流
采集電壓通過共扼線圈濾除雜波后，經由CPU控制的模擬開關到達運放器，輸入到TC7109CPL，進行A/D變換。
4.1.3 紋波系數
取直流輸出的交流分量，首先通過共扼線圈，濾除干擾信號，再通過由精密運放TL052構成的帶通濾波器（只允許接近工頻范圍的信號通過）同步跟隨后，到達精密全橋整流電路，將峰峰值相疊加后，輸入到TLC2543進行A/D變換。
4.2 串口通信電路
主機采用模擬開關CD4052擴展通信口，實現主機CPU與輔機交流電壓調整裝置、直流輸出負載調整裝置的交互式通信及觸摸屏通信。
通信電路擴展如圖2所示。
圖2 通信電路示意圖
4.3 人機界面
本系統采用YD612，8色/6英寸（15.24cm）觸摸液晶屏做為系統顯示輸入部件。它具有顯示信息量大（中文15行×20列，圖形點陣320×240）、畫面豐富（32K）的特點，它的使用使系統大量的數據輸入變得簡單易行，呈現給用戶的畫面更加友好，操作變得簡單快捷。用戶只要翻閱儲存在系統中的簡要使用說明，就可操作本系統，方便易學。
4.4 微型打印機
本系統采用TPUP－40微型打字機做為系統的打印輸出設備,它與單片機89C55通過74HC574相連，接口簡單。只要測得P3.5（BUSY）為低電平，即可向打印機發送命令和數據。它能夠打印中文字體，使得計算出的穩壓精度、穩流精度、紋波系數以表格形式，方便地輸出給用戶。
5 結語
本檢測設備的研制成功，解決了目前國內各變電站直流系統現場使用、維護單位不能進行直流電源現場檢測的難題，對保障電網安全運行具有重要意義。檢測系統采用微型單片計算機控制及測量技術，通過對被測設備的交流輸入電壓、直流輸出負載按標準進行調節，同時自動進行采樣計算，實現直流充電設備技術指標的現場標準檢測。在技術上主要采用磁補償原理、IGBT技術、觸摸屏技術、多機通信技術、高速采樣技術，使檢測設備達到可移動式，且具備檢測精度高的特點。