1  引言

直流电源设备是电力系统不可缺少的辅机设备。供给断路器分合闸用电，后备电池充电以及二次回路的仪器仪表等低压设备用电都采用直流电源。目前国内发电厂及变电站使用的直流电源设备已广泛采用高频整流模块为功率单元,为了对整个直流系统进行合理的实时监控、管理，本文设计了一种基于西门子s7-200plc[1]的高频直流监控器。其功能主要是实时采集直流系统的电压、电流及供电支路的开关状态等运行参数，并对数据进行分析处理，判断直流系统的运行工况，并根据pid控制理论进行实时运行控制和故障处理，并对蓄电池进行在线监测，为电力综合自动化系统提供安全、稳定、可靠的直流电源。

2  系统硬件组成及工作原理

系统硬件组成原理框图如图1所示。系统主要由高频直流监控器（以下简称监控器）、模拟量采样板、高频整流模块等组成。其中监控器是整个系统的核心部分,主要由西门子s7-216cpu配以em-235模拟量模块、台湾人机电子mt-510t触摸屏等组成。

图1  系统组成原理框图

系统交流供电采用两路三相三线制方式实现主备用供电电源的自动切换，经过交流配电输入单元供电给智能高频整流模块，智能高频整流模块按监控器控制方式输出所需的直流电压供合闸母线、控制母线、蓄电池充电用。监控器通过plc各开关量输入通道采集各模块报警量输入、各馈线开关量输入、各熔断器信号输入等开入量；通过模拟量采样板将模块采集交流输入电压、直流输出电压、合母电压、蓄电池电压、输出电流、控母电流、合母电流、充电电流等模拟转化为0-5vdc电压量或4-20ma电流量由em-235模块12位a/d通道采样；通过程序内部数据处理，按照程序设定的控制曲线，利用比例微分积分pid（proportional integral differential）控制算法[2]，产生调节量，由em-235模拟量输出口产生0-10vdc电压量，控制高频整流模块的输出电流、电压，实现闭环控制。

监控器采集现场各种运行参数，系统故障时发报警信息；系统事故时保护动作，保护充电设备和电池安全。触摸屏是整个监控器的人机接口部分，通过rs485与plc通讯，显示直流系统的各种信息，如系统直流电压、电流参数，系统状态信息、故障信息、系统设置参数等，并可设置系统各参数，控制监控器的运行状态。可通过rs485通信接口与上位计算机及智能通讯设备通讯，以实现“四遥”功能[3]。

3  程序设计

3.1 程序流程图设计

plc终端软件采用stl语言编写，程序设计采用模块化，功能化结构，便于维护、扩展。为提高终端的抗干扰能力，软件控制中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。装置plc主要程序流程如图2所示，主要由初始化程序、数据采集处理子程序、时钟处理子程序、充电转换子程序、故障报警及保护子程序、交流中断子程序、pid调节计算子程序、硅链投切控制子程序等组成。

图2  程序流程图

主程序始终处于循环运行状态，其中初始化程序主要完成系统的初始化，设定各寄存器、计数器、plc工作模式、定时器中断、通讯方式等参数初始值等。然后不断调用模拟量采集及处理子程序对系统数据进行实时采集；调用充电程序运行方式子程序决定监控器的运行方式；调用故障报警及保护子程序判断故障报警及保护继电器输出；调用时钟处理子程序对蓄电池充电程序各种运行时间累计；调用交流电中断子程序保证系统在交流中断后自动恢复；调用硅链投切子程序根据系统设置的控母电压定值对硅链进行自动投切控制；调用通讯子程序（中断方式）实现与上位机监控系统及其它智能设备通讯。

3.2 主要子程序原理

(1) 充电转换子程序：通过判断标志字v152的值来决定监控器的运行方式。当标志字为0时调用浮充电子程序；当标志字为1时调用恒流充电子程序；当标志字为2时调用均充电子程序。各充电子程序之间通过程序内部自动进行转换。系统初次上电后用0.1c10a给定恒流充电，电压达到整定值（2.30-2.40）v×n（n为单体电池节数）时，自动转为恒压均充电；当充电电流逐渐减小，达到0.01c10a时，plc开始计时，均充计时达3小时后，自动转为浮充电状态运行，充电电压为（2.23-2.28）v×n。正常运行浮充状态下每隔720小时,自动转入恒流充电状态运行，按阀控式密封铅酸蓄电池正常充电程序进行充电。

(2) 交流电中断子程序：当电网事故停电，这时充电装置停止工作，蓄电池通过降压模块，无间断地向二次控制母线送电，同时监控器发出告警信号。交流电源中断超过0.5小时以上，恢复送电运行时，plc控制充电装置自动进入恒流充电状态运行，按阀控式密封铅酸蓄电池正常充电程序进行充电。

(3) 通讯子程序：接受命令采用中断处理，通过atch指令使中断事件8在接受不同特征命令下执行不同的程序。对串行通讯的超时限制则通过内部定时中断来控制，其事件号为10，定时时间由smb34来确定。为减少通讯的误码，采用crc16校验措施[4]。

4  装置功能特点

检测高频整流模块的输出电流和故障状态：当模块有故障时，监控器发出声光报警信号，并重新均分整流模块负载；可本地或远端控制整流模块的开/关机、自动控制电池充电均浮充转换；可本地或远端连续设置整流模块的输出电压；监测各直流馈电输出的电压、电流，各馈电输出开关状态、熔断器状态、绝缘状态，当发生异常情况时发出声光报警；监测电池电压及充放电电流：当市电中断由蓄电池维持向负载供电时，如果电池电压降至低压告警值，监控模块发出声光报警；当市电恢复后监控系统可对电池进行自动均衡充电管理；提供硅链控制口，可支持5级、7级硅链自动控制；支持母线分段支路绝缘监测，绝缘阻值过低报警；采用原电力部颁标准通讯协议，rs232或rs485串行通讯接口，可方便的与电力自动化系统对接，实现电源系统的“遥信，遥测，遥控，遥调”四遥功能；监控器对重要故障信息提供继电器输出，故障内容可按用户需要自行设定；当监控器检测到输出过压、过流等保护信号时，保护继电器动作，跳高频模块交流输入空开，从而保护高频整流模块。

5  结束语

本文利用西门子s7-200和人机电子mt-510t为核心组成高频直流监控器，充分利用了s7-200plc的各种智能功能，实现了智能化的管理、丰富的人机接口。目前，随着高频整流模块的智能化，现已实现整流模块与监控器的直接通讯，可由监控器直接将控制量下发到整流模块，减少了中间调节转换环节，可更快速、精准、可靠地完成对整流模块的实时监控。通过几十套的现场运行实践表明，该监控器功能强、可靠性高、维护量少、操作方便，同时可方便地通过通讯接入综合自动化系统，可为电力综合自动化系统提供安全、稳定、可靠的直流电源，有着显著的社会经济效益。

作者简介

杨胜仪（1975-）  男  工程师  主要从事电力系统自动化产品设计开发与应用。