基于模塊化設(shè)計(jì)的電源功率監(jiān)控與分析裝置研究

潘少祠，陳光黎，雷久淮

（廣東省科學(xué)院電子電器研究所，廣東廣州 510400）

前言

電源是電力設(shè)備系統(tǒng)的核心部件，日常維護(hù)和維修中對(duì)電源的監(jiān)測(cè)與分析是必不可少的，快速采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析是維護(hù)和維修工作中很重要的一部分，而且工作量較大，而結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理可以大幅降低人工工作量，同時(shí)保證可靠性和提高工作效率。經(jīng)研究分析，采用模塊化設(shè)計(jì)的基于串口通信數(shù)據(jù)采集的電源功率監(jiān)測(cè)與分析是可行的有效方法。

1 串口通訊

1.1 通訊協(xié)議

串口通信是按位發(fā)送和接收字節(jié)的通信方式，是非常簡(jiǎn)單而實(shí)用的通信方式[1-2]。通過RS485 轉(zhuǎn)換只需要兩根通信線即可完成通信，非常適合用于小范圍內(nèi)設(shè)備通信和級(jí)聯(lián)。研究?jī)?nèi)容結(jié)構(gòu)模型見圖1，采用RS485 通信協(xié)議下的級(jí)聯(lián), 在短距離局域范圍內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)高速串行通訊。

圖1 串口RS485 通信模型

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括硬件采集電路和軟件數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)分析。下位機(jī)硬件部分主要是采集和通訊電路，上位機(jī)則包括計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)工具；下位機(jī)模塊采集設(shè)計(jì)頻率覆蓋直流到13.56 MHz，功率500 W 以內(nèi)的電源單元可適用。

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)和框圖見圖2。程序控制整個(gè)采樣過程，包括數(shù)據(jù)緩存和接收指令發(fā)送數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 下位機(jī)程序邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

數(shù)據(jù)采集的下位機(jī)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采樣、MCU 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)發(fā)送、通訊電路的數(shù)據(jù)傳輸，主要完成數(shù)據(jù)的采集、緩存、發(fā)送和傳輸[3]。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3，如果應(yīng)用多電源模式的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以將圖3 結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)匯集到計(jì)算機(jī)，根據(jù)采集到數(shù)據(jù)和電源類型的模型，上位機(jī)進(jìn)行綜合分析。此操作可以同時(shí)進(jìn)行而不受中途加入設(shè)備的影響，只需在新增設(shè)備中選擇對(duì)應(yīng)新加入設(shè)備即可繼續(xù)采集數(shù)據(jù)和分析[4-5]。

圖3 數(shù)據(jù)采集硬件框圖

2 電源功率監(jiān)測(cè)與分析

內(nèi)容主要包括電源功率監(jiān)測(cè)采樣電路和上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析及相關(guān)模型。

2.1 功率監(jiān)測(cè)

電源功率監(jiān)測(cè)模型，根據(jù)P=VIcos(θ),監(jiān)測(cè)功率需要采集變量電壓V 和電流I 以及兩者相位θ。圖4中(a)模型只能用于電源頻率不是很高的采樣；(b)模型增加了高頻電容對(duì)較高頻率的電源電壓采樣可以改善，但是圖4 中的兩個(gè)模型在相位采集中存在很大的采樣難題，特別是電壓頻率大于10 MHz 時(shí)，對(duì)相位的捕捉及相差θ 的分析存在困難。因?yàn)榇四Ｊ较碌母哳l率相位采集需要更高速度的微控制器，這樣會(huì)增加設(shè)計(jì)和應(yīng)用成本。通過改進(jìn)采樣電路有效改善高頻率電源的相位數(shù)據(jù)采集問題。

圖4 采樣模型

采用電流互感模式，設(shè)計(jì)合適電路可以解決高頻相位采樣問題[4]。如圖5 所示功率采集監(jiān)測(cè)電路簡(jiǎn)圖，雖然電路中存在二極管，非線性的二極管電流，可能影響采樣的線性度；但是在互感器輸出端對(duì)地連接小于20 Ω 電阻，相當(dāng)于源端內(nèi)阻抗很低，而負(fù)載阻抗為高阻，大于10 kΩ；那么流過二極管的電流很小，但是對(duì)外輸出電動(dòng)勢(shì)幾乎是等于采樣的反饋量。考慮高頻情況下電流互感初級(jí)線圈影響，應(yīng)盡量減小初級(jí)耦合距離，對(duì)于高頻效應(yīng)的分布參數(shù)，對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能盡量消除相差，而在做電流互感器時(shí)應(yīng)該將互感器的次級(jí)線圈做扁平環(huán)狀，縮短采樣路徑的穿過長(zhǎng)度，降低寄生電感。

圖5 功率采集監(jiān)測(cè)電路簡(jiǎn)圖

圖6 功率采集監(jiān)測(cè)模塊的3D 模型

模塊化的設(shè)計(jì)可以在應(yīng)用中具有獨(dú)立性，擴(kuò)展性，嵌入特性。對(duì)技術(shù)更新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用具有良好的實(shí)現(xiàn)效果。

2.2 功率分析

功率分析通過上位機(jī)程序根據(jù)需要監(jiān)測(cè)的電源模型選定監(jiān)測(cè)選項(xiàng)進(jìn)行操作。在選定電源模型后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，數(shù)據(jù)的采集可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合采用不同策略：

（1） 連續(xù)采樣的方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但是會(huì)增加資源消耗，降低了在多模塊并聯(lián)情況下的功率監(jiān)測(cè)分析效率。

（2） 同步采樣的方式可以更好的實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的功率精確監(jiān)測(cè)，但是同樣不利于多設(shè)備混合并聯(lián)工作[3，6]。

（3） 主從模式的分布式采集分析模型，可以提高多設(shè)備混合并聯(lián)工作效率。采用分布式并聯(lián)工作方式能兼顧數(shù)據(jù)的時(shí)效性，方便實(shí)現(xiàn)一對(duì)多，一對(duì)一，易于擴(kuò)展應(yīng)用，見圖7。

圖7 主從模式分布監(jiān)測(cè)采集模型

在監(jiān)控系統(tǒng)中如圖8 所示，輸入信號(hào)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)

圖8 輸入信號(hào)X(s)作用下的系統(tǒng)

式中：X(s)為輸入量，Y(s)為輸出量，G1(s)G2(s)為前向傳遞函數(shù)，B(s)為反饋量，H(s)為反饋通路傳遞函數(shù)。

電源功率監(jiān)測(cè)模型是功率采集監(jiān)測(cè)電路結(jié)合不同的電源建立的應(yīng)用模型，而功率采集監(jiān)測(cè)電路可以理解為監(jiān)控系統(tǒng)中沒有反饋控制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在反饋函數(shù)通路斷開，把反饋函數(shù)放置在前向傳遞函數(shù)通路的不同位置，將得到不同的采集量值[8]。

結(jié)合功率采集監(jiān)測(cè)電路和公式(2)得到各變量采集數(shù)學(xué)模型

式中：V(s)為電壓采集量，I(s)為電流采集量，PH(s)為相位采集量，X(s)為輸入量，Y(s)為輸出量，Gu(s)為電壓采樣函數(shù),Gm(s)為互感器參數(shù)，Gp(s)為相位量采樣函數(shù)。

通過建模仿真得到結(jié)果見圖9，由仿真結(jié)果分析，要實(shí)現(xiàn)0～13.56MHz 頻帶，單個(gè)電流互感器耦合是無(wú)法實(shí)現(xiàn)全頻段覆蓋的，需要頻率分段設(shè)計(jì)，通過分布總線集成，而這恰恰是模塊化設(shè)計(jì)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，只需要更換其中關(guān)鍵部件即可實(shí)現(xiàn)模塊需要的功能。

圖9 建模采集線性度仿真結(jié)果

3 結(jié)論

基于串口通訊數(shù)據(jù)采集，采用模塊化設(shè)計(jì)思路的電源功率監(jiān)測(cè)與分析裝置的應(yīng)用研究，經(jīng)研究得出的方法和模型，對(duì)工業(yè)設(shè)備中類似設(shè)備的監(jiān)測(cè)具有參考意義。在0～13.56MHz 頻帶使用多路不同電流互感器實(shí)現(xiàn)頻帶覆蓋，體現(xiàn)了這種模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。模塊化分段集成方法易于設(shè)備的擴(kuò)展應(yīng)用，對(duì)研究多路、多頻電源功率的監(jiān)測(cè)有實(shí)際參考價(jià)值。該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于其他需要通信和監(jiān)測(cè)的工業(yè)設(shè)備，結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈融合可以應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的電力電子設(shè)備生態(tài)中。