一种基于DSP控制的多功能直流屏设计

周朝霞

（厦门大学嘉庚学院 福建·漳州 363105）

0 引言

随着电力系统的发展，特别是国家智能电网的提出，电网对电力操作电源的要求也越来越高，除了要求产品性价比高外，对电力操作电源的安全性，智能化提出了更多的要求。据不完全统计，2020年电力设备事故发生226起，造成了一定人数的人员伤亡和经济损失。将安全的监测、管理的智能化集合在设备本身内，可大大降低系统内的连锁故障和事故，因此本文提出一种多功能直流屏，除了实现基本的整流、充电、容量检测等功能外，还集合了对设备本身及元件的安全监测、报警等功能。通过大型LED屏的警示和告警，可最大程度的杜绝设备本身引发的现场管理人员的触电事故。

1 多功能直流屏的基本工作原理

1.1 基本工作原理

直流屏系统结构如图1所示，传统直流屏一般由充电模块，母线绝缘监测模块，降压硅链，集中监控，电池巡检模块等组成的充电馈线柜和18节12V电池柜组成。充电模块主要功能是将交流380V整流变换为直流250V为蓄电池组充电，有均充和浮充两种充电模式。母线绝缘监测模块检测直流母线的绝缘情况。电池巡显装置主要是对各节电池电压，容量进行检测，可实现对电池好坏的实时监测。充电模块输出直流250V除了给电池充电外，还通过降压模块降电压降为220V作为控母输出，为微机保护，指示灯提供控制电源。以上是传统直流屏的基本组成部分。基于 DSP设计的漏电流检测模块，温度检测模块，GPRS模块及眉头安全警示LED屏为本文章提到的多功能直流屏的主要增加功能，我们将重点进行介绍。

图1：多功能直流屏系统结构图

1.2 漏电流检测

电力设备人身安全的考虑一直是所有安全的重点，针对这一点本文在传统直流屏基本功能上增加了对壳体的漏电流保护和告警。以下是漏电流检测电路原理图，如图2所示。激发信号A引自火线或者直流电压的正端，激发信号B引自外壳接地点。信号通过由Q1,Q2,Q3,Q4二极管组成的全桥比较电路产生差分电流经漏电检测线圈放大后进入U1。U1采用VG54123漏电流保护芯片。VG54123内部电路由稳压电路、基准电压电路、差分放大电路和锁存电路所组成。其工作原理是外接于VG54123(1)脚和(2)脚之间的零电流互感器(ZCT)检测线路中用电设备的漏电电流，ZCT次级输出信号输入到差分放大器电路，差分放大电路又与一个外接电容相结合，把信号放大，再送入锁存电路的输入端。在输入电压信号达到规定值之前，锁存电路输出一直保持为低电平，当漏电流大于规定值时，锁存电路的输出电平升高，触发与锁存电路相连接的可控硅动作，进而产生漏电检测信号，输入到DSP处理单元，由DSP单片机进行处理，从而起到漏电保护作用。

图2：漏电流检测原理图

1.3 漏电流检测处理原理及报警

由图2漏电路检测电路产生的漏电流检测信号输入到DSP处理单元，由DSP单片机进行处理，如图3。DSP检测到漏电流信号后，一是发出命令通过I/O口控制回路去控制继电器或者微型断路器去断开相应漏电部分（比如交流输入系统，直流输出系统），同时通过通讯单元GPRS模块向用户发送短信提示用户产生漏电事故和将“漏电注意安全”提示在直流屏顶端大型 LED显示屏上显示并通过音响回路进行报警。如图5柜体示意图所示，数据送LED屏和GPRS模块均由DSP单片机通过485通讯模式实现。

图3：漏电流信号处理框图

通过以上增加的功能，此新型多功能直流屏能有效防止现场管理人员设备触电现象，保障人身安全和阻止故障和危险的进一步扩大。对于无人值守场合，可以让用户及时掌握故障信息以及及时处理故障。

1.4 温度检测单元

本新型直流屏增加了对柜体内主要元件及蓄电池组的温度监控，防止主要元件因各种故障产生高温引起直流屏柜内着火的危险，同时防止蓄电池（或者锂电池）因为高温影响寿命甚至爆炸的危险。具体检测原理如图4所示，多路温度传感器放在主要发热元件部位，设置不同告警数值，超过告警值时，由DSP单片机发出信号通过I/O口控制回路去控制继电器或者微型断路器去断开相应元件，切断负载回路。同时通过GPRS模块将信息短信发送给管理人员和“元件高温告警”送LED显示屏进行显示和告警如图5。各节电池的温度检测通过在各电池的正负极接上热敏电阻采样，采集各个电池的温度。超过告警值时，由DSP单片机发出信号给I/0控制回路，切断电池供电回路，同时通过GPRS模块将信息短信发送给管理人员和“电池高温告警”送LED显示屏进行告警。

图4：温度检测原理框图

图5：直流屏柜体示意图

通过以上增加的功能，此新型多功能直流屏能有效防止柜体元件故障产生着火的现象，阻止故障和危险的进一步扩大。对元件和电池的安全进行有效的保护，防止元件故障高温产生着火以及电池高温影响性能和发生爆炸的危险等。

1.5 多功能直流屏柜体布置示意图

图5为多功能直流屏柜体功能示意图，LED屏安装在直流屏的眉头上，可非常直观的看到告警信息，告警信息采用红色字体，每隔一秒闪烁显示一次。通过以上增加的功能，可以最大程度防止管理人员在不知情的情况下触碰外壳以及发生触电的危险，对于无人值守场合，可实现在远程实时监测设备的各种参数，及时处理事故。

2 多功能直流屏的应用

多功能直流屏主要为发电厂，变电站，以及大型开闭所的二次控制回路提供控制电源以及为一次回路断路器提供分合闸后备电源。在一次主回路发生故障时，及时有效的提供电源给微机保护控制系统发出命令给断路器分断负载。增加漏电保护，温度保护及告警显示等新功能的直流屏特别适用环境恶劣，安全性要求高的场所（如地下矿井，石油化工），防止元件故障引发事故和有效保障管理人员和场所的安全。

3 结论

本文设计的多功能直流屏通过增加漏电流检测单元，GPRS无线通讯模块以及温度检测单元以及大型告警显示 LED屏，大大增强了设备的安全性，有效防护管理人员的生命安全和阻止故障的进一步扩散。同时具备了物联功能，可方便接入泛在电力物联网，实时对设备进行监测和控制，实现智能化管理。