一种通信用高频开关型整流器监控系统的实现方案

1 引言

近年来，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，以数字程控交换机为代表的各种通信设备正朝着集成化、智能化和模块化方向发展，因而对通信电源系统的要求也越来越高。目前我国电信部门广泛使用的新型高频开关型整流器，具有高频、高效、高可靠性、高功率因数和高功率密度等先进性能，正逐步取代传统的相控型整流器。
正是基于以上考虑，我们研制了一套通信用高频开关型整流器监控系统。该系统采用先进的PWM高频整流技术和微处理控制技术，由模块式结构的整流系统、监控系统组成。本文对其组成、原理和菜单式操作方法进行了深入地研究。

2 监控系统的组成及功能

监控系统是高频开关型整流器的监控中心，监视和协调各整流模块的工作，检测系统的各项参数，处理告警信息，提供人机界面给用户操作，从而控制整个电源系统的运行。监控系统的结构如图1所示。

图1　高频开关型整流器监控系统框图

监控系统主要由告警模块，RS485和RS232通信接口以及整流模块内的单片机等组成。告警模块通过RS485通信接口与各个整流模块连接通信，以监控其运行情况。告警模块同时通过RS232通信接口与外设的PC机或终端机相互通信访问，并通过调制解调器实现“三遥”。
监控系统主要能够实现以下功能：
（1）控制高频开关电源系统的正常运行。监控系统以设定的输出电压值、均衡充电值、输出电流限流值等参考值为标准，控制高频开关型整流器的正常运行。它周期性检测高频开关型整流器运行的主要工作参数，同时通过RS485通信接口访问各个整流模块，收集工作数据，将所获得的信息进行处理并与设定的参考值进行比较，最后根据比较误差来调整整流模块的运行，直到达到设定值要求并且各个整流模块满足均流条件为止。
（2）提供人机界面，接受维护人员对高频开关型整流器的控制。当维护人员对高频开关型整流器操作时，LCD显示屏显示用数字编号的功能菜单。维护人员可按照菜单上的提示，在键盘上按相应的数字键，使监控系统执行指定的功能。
（3）告警。监控系统连续不断地监视高频开关整流器的运行，一旦发现异常情况，就会产生一系列告警动作：
① 市电告警。
（a）若市电电压低于185V或持续低于195V，则发出市电欠压告警；
（b）若市电电压高于265V或持续高于260V，则发出市电过压告警；
（c）若市电中断或市电输入部分发生故障导致整流模块无法工作，则发出相应整流模块市电中断告警。
② 系统实际输出电压超过设定的输出电压或是欠压都会产生相应告警。
③ 整流模块跳闸告警。
（a）整流模块因故障导致输出电压达到或超过硬件所能承受的最高电压时会自动关闭并告警；
（b）整流模块输出电压超过设定的过压闭合电压值时会自动关闭并告警；
④ 整流模块因温度过高而自动关闭时，告警模块会发出对应的整流模块过热告警信息。
⑤ 告警模块与整流模块通信中断时，告警模块会发出某号整流模块通信故障信息。
⑥ 告警模块的数字输入接口信号满足告警触发条件时，会发出相应的告警信息。
（4）对蓄电池实施完善的监控功能
① 电池回路电缆压降自动补偿：当蓄电池组容量较大时，其充放电流大，回路的压降比较明显。当充电电流变化时，回路压降也随之发生变化，但这个压降不能简单地通过提高浮充电压来补偿，否则会影响蓄电池的充电电压精度。为此该监控系统设计了电池回路压降自动补偿的功能。用户在系统安装完成并正常运行后，进入维护信息菜单，把电池回路电缆的电阻值输入告警模块。电源系统运行时，告警模块会自动根据在线电池电流，计算出电池回路的压降，并相应调整系统输出电压进行补偿。
② 均衡充电控制
③ 浮充电压自动温度补偿
④ 电池组的不均衡监测：正常情况下，电池组的各单体电池端电压应该相等。不均衡度超过50mv/cell则表明电池已损坏，为了及时发现电池不均衡的故障，测量电池组中各单体电池的端电压就成为电源系统的日常维护工作之一。
⑤ 检测电池放电性能
⑥ 分析电池单体故障
⑦ 电池容量试验
（5）自动记录、储存高频开关型整流器的运行信息
（6）对整流模块实施完善的监控
① 使整流模块按系统设置运行
② 负载自动均分：告警模块通过整流模块不断监测系统输出电流，若发现个别整流模块的输出电流与系统中所有整流模块的平均输出电流值相差超过4A，则控制所有输出电流过大的整流模块降低一个单位的输出电压，使该模块提高输出电流减少；同时控制所有输出电流过小的整流模块提高输出电压一个单位，使该模块输出电流增加。在告警模块的控制下，整流模块之间自动重新分配负载，从而达到均流工作的目的。
③ 输出过压自动关闭
④ 限制输出电流
⑤ 整流模块运行状态信息自动储存

3 告警模块的组成及工作原理

告警模块的系统方框图如图2所示。告警模块的核心是DS80C320单片机，它采用典型的总线结构，将单片机的内部总线延伸到外部，其它部件则并行挂接在系统的总线上。该系统包括：

（1）系统总线，包括地址总线、数据总线和控制总线。地址总线是传递CPU选择要与之交换数据的存储单元或外部设备的信号通道；数据总线是CPU各种储存器以及外部设备交换数据的通道；控制总线是CPU控制其它电路协调工作的通道。
（2）CPU，告警模块的核心，它是程序执行机构，所有软件功能都由CPU控制完成。
（3）可擦除可编程只读存储器EEPROM，它储存的内容在停电期间不会消失，但在系统运行期间可以进行修改。主要用于储存一些重要的运行数据，如密码、设定的参数，运行信号等。
（4）可擦除可编程只读存储器EPROM，用来储存CPU所要执行的程序（即软件），即使停电也不会消失，系统运行期间也不会被改写。
（5）随机存储器ROM，在系统运行期间可作注意读写，用于停电时保存系统运行过程中的可变数据及一些中间数据。
（6）LCD显示屏及键盘，它是维护人员对系统控制操作的工具。显示屏显示系统的运行数据及操作菜单，指导维护人员通过键盘对系统进行控制操作。
（7）V/F单元，它把系统运行中的输出电压、市电输入电压、电池充放电电流及模拟电信号变成数字信号，送给CPU处理。CPU根据这些数据对系统进行控制和调整。
（8）数字输入接口电路，该电路把外界的开关信号转换成CPU可以识别的数字信号并送给CPU处理。它主要用在检测直流熔断器的熔断告警信号。
（9）数字输出接口电路，该电路把CPU要求输出的数字信号放大，驱动相应的告警继电器，以驱动外部的告警设备。
（10）RS485通信接口，计算机通信标准接口。CPU通过一个RS485接口与各整流模块的微处理器通信，以获取整流模块的运行数据，并发出指令控制整流模块的运行。
（11）RS232通信接口，计算机通信标准接口。CPU通过RS232接口连接PC机、打印机、调制解调器，用这些外部设备监控高频开关型整流器。

4 告警模块的监控菜单系统

通过告警模块面板上的操作装置或接在RS232通信接口上的终端，采用菜单式操作方法，可以方便的实现对高频开关型整流器进行监控操作。该菜单包括用户信息菜单和维护信息菜单两大部分：用户信息菜单用于观察系统的参数及工作情况；维护信息菜单则用于观察和更改系统的工作参数。系统运行时，告警模块LCD 显示屏显示系统市电电压，输出电压和电流以及电池电流。按[MENU]键，进入告警模块监控菜单系统，其系统监控菜单如图3所示。

4.1用户信息菜单的功能

在主菜单下按[1]键，进入用户信息菜单，依据菜单提示按键，可实现以下各项功能：（1）告警复位；（2）继电器信息；（3）整流模块信息；（4）系统信息；（5）电压信息。

4.2 维护信息菜单的功能

在主菜单下按[2]键，输入维护密码，进入维护信息菜单，依据菜单的提示按键，可实现以下各项功能：
（1）整流模块控制：① 模块连接；② 模块切断。
（2）系统程序。在维护信息菜单下按[2]键，进入系统程序子菜单，并可实现以下功能：
① 显示信息；② 校准；③ 设置时钟；④ 打印信息；⑤ 测试/操作。
（3）电压设置。在维护信息菜单下按[3]键，进入电压设置子菜单，并可设置以下电压值：
① 电池电压；② 电池过压告警电压；③ 电池欠压告警电压；④ 升压急充电压；⑤ 负载切断电压；⑥ 整流模块切断电压。
（4）系统设置。在维护信息菜单下按[4]键，则进入系统设置子菜单，并可实现以下功能：
① 密码设置；② 删除信息；③ 设模块数；④ 电缆电阻；⑤ 电流限制。
（5）升压控制。在维护信息菜单下按[5]键，则进入升压控制子菜单，并可实现以下功能：
① 定时升压；② 剩余时间；③ 撤消升压；④ 手动升压。

5 结束语

本文首先提出了一种通信用高频开关型整流器监控系统的实现方案，对该监控系统的技术特点和设计方案进行了较为系统的研究，之后对该系统中告警模块的组成、原理及监控菜单系统进行了深入地研究。经实际使用表明：本系统具有高频、高效、高可靠性和高功率密度等优点，对于目前我国电信部门通信电源系统十分适用

作者：张恩利侯振义余侃民

参考文献

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