基于CPLD的风光互补发电阀控蓄电池监测系统*

肖闽进,何一鸣,鲍玉军

（常州工学院 电子信息与电气工程学院，江苏 常州213002）

风光互补发电系统中，当发电功率的波动超过额定功率的10%，或是当风力引起叶片转速低于额定转速的10%时，系统主要依靠蓄电池组储、供电能，以保证风光互补发电系统的输出功率稳定。因此，作为辅助电能来源的阀控蓄电池组的工作状态对于发电系统的正常运行极为重要。目前对于普通蓄电池组采用单片机作为主控单元的监控方法[1-2]，但在风光互补发电系统运行中，单片机受到发电机及其他辅助电器的电磁场干扰，其数据采集可靠性下降。本阀控蓄电池组监控系统设计了复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为核心控制器，以全硬件方式工作，具有抗电磁干扰能力强、可靠性高的特点，实现了对蓄电池组的连续实时监控[3-4]。

1 系统组成与工作原理

图1是电池监控器的系统图。图中单个的电池通过适当连接组成电池组；取样电路对电池电压取样并进行电平转换；A/D转换器将取样得到的多路模拟电压转换为数字信号；复杂可编程逻辑器件CPLD是本电池监控系统的核心控制电路，其功能是控制取样电路和A/D转换器进行模数转换，读取转换后的数字电压信号并进行抗干扰数字滤波处理，通过通信接口输出数据到触摸屏人机界面（HMI）实时显示电池电压，当电池低于设定值时输出低电压告警信号；低电压设置电路用于设定正常工作的电池最低电压值，给主控CPLD提供比较基准电压，此基准电压可在触摸屏人机界面上设置。通信接口电路进行硬件电平和通信协议转换，实现系统与上位机或触摸屏人机界面的连接[5-7]。

图2是主控电路原理图。图中JK1是电池组取样输入端子，其中端子1、2和电阻 R1、R2、R3组成电池组中的第1个电池（1#电池）取样电路。与此类似，端子3、4和电阻 R4、R5、R6组成电池组中的 2#电池取样电路，…，端子 15、16和电阻 R22、R23、R24组成电池组中的8#电池取样电路。取样信号输出端IN0，IN1，…，IN7连接到A/D转换器；CMOS集成模拟开关U3、U4分时选择取样电池，模拟开关的控制端 CNT1，CNT2，…，CNT8连接到CPLD的I/O口，由CPLD时序控制。上述取样电路可控制8个电池的取样，当电池组中的电池数量多于8个时，增加取样电路和相应的A/D转换器，可使取样电池数以8的倍数增加，以满足不同的功率配置需求。

电压采样采用8路巡检方式，A/D转换电路采用8路输入的ADC0809，在CPLD的控制下，将取样电路的模拟信号转换为数字信号。SW1拨码开关与RB1排阻电阻器组成电压最小值设置电路，可根据需要，设定电池组正常工作所需要的最低电压值。

图3是通信接口电路，单片机P1口与CPLD数据线连接，读出采样数据；P3口的4个I/O线采用分时方式向CPLD输出8位比较基准电压数据。通信接口芯片MAX232进行电平转换，实现对上位机或触摸屏人机界面（HMI）的通信连接。

2 CPLD模块设计

设计中采用Altera公司具有128逻辑宏单元的复杂可编程逻辑器件（CPLD）EPM7128SLC84作为本电池监控器的核心控制器，内部设计有取样控制模块，A/D转换控制模块，抗干扰数字滤波模块，低电压设置与预判模块；图4是CPLD模块连接图（顶层设计图）。

图中SAMPCNTL为取样控制模块，通过对外部模拟开关CD4066的分时控制,顺序采样各电池的电压数据。

DATAFILT为数字滤波模块，对于风光互补发电系统产生的随机噪声和周期性变化干扰，分别采用改进的二次中值滤波和平均值滤波。其中改进的二次中值滤波算法如下：

设置数据窗 J×K，对于每组的 J个数据进行K组排序，取得每组的中值，得到一次中值序列：

再对一次中值序列(1)进行二次中值滤波，为减少数据时间上的相关性，增加抗突发干扰能力，并限制总的运算量，间隔L个数据对一次中值序列进行取样，若{j（i）}是滤波输入序列 ，{c（i）}是滤波输出序列 ， 滤波算法可表示为：式(2)中，m与取数起点有关，Med{·}表示取中值运算。

ADCNTL为A/D转换控制模块，A/D转换控制设计了5状态有限状态机，图5是有限状态机状态转移图。

图中每个状态生产检测或输出A/D转换器的一组工作信号，并且在时序上满足A/D器件的要求。图6是A/D转换控制模块的时序仿真图。

图5中有限状态机循环转换5个状态State1～State5，实现对A/D0809的连续采样控制。State1是初始化状态，State2开始转换，State3检测转换结束信号 end_conv，若end_conv为低电平，则保持State3状态，等待转换结束，数据线为高阻；若end_conv上跳为高电平，则表示A/D转换完成，数据有效，进入State4读数据状态。State5是输出数据锁存状态，控制lock1输出数据锁存脉冲，在时钟上升沿将转换好的数据锁存到寄存器中。由图中可见，State3的设计实现了高速CPLD与低速A/D转换器件的时序配合[8-9]。

LOWBATTA为低电压设置与预判模块，本模块读入外部拨码开关8位数据及通信接口电路分时8位设置数据并由寄存器保存，当检测数据有效时进行数值比较，若检测电压值低于设置电压值，则输出告警数据。为防止虚警发生，采用了多次比较，多数表决算法。

3 系统在线检测结果

系统应用于风光互补发电系统中阀控蓄电池组检测的工作主界面每10 s记录并显示一组数据：时间、日期、电池组号、电压值，以及电压值超限告警的情况。顶部以走马灯方式显示告警原因，界面上显示故障或低电压电池号。电压值/组号设置及告警显示触摸按钮分别用于低电压值设置、电池组号设置和告警历史情况显示。

实测数据在HMI中的数据结构设计为EXCEL工作表形式，数据包含了当前日期、时间、电池组号、测量电压值等信息，可以存储在大容量U盘或HMI的内置SD卡中，方便将测量结果处理成各种数据图表，为运行管理提供基本数据。

风光互补发电系统中阀控蓄电池组监控装置是系统的重要部件，开发高效率、高可靠的电池在线检测技术对于风光互补发电系统的平稳可靠运行具有重要价值。本电池智能监控系统进行了在线运行试验。结果表明在运行环境中具有较高的抗干扰能力，对于不同电池组配置有良好的适应性，具有一定的实用价值。进一步的研究，可在保证可靠性的前提下，对系统的巡检方式作适当改进，以增加单组电池的数量，提高监测效率，满足更大容量的功率配置。

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