易于在線調(diào)控的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)

1 前言

在電廠及變電站的二次系統(tǒng)中，為了給控制、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明等設(shè)備用電，必須有可靠的直流電源。直流電源的作用是：正常時(shí)為變電站內(nèi)的斷路器提供合閘直流電源；故障時(shí)，當(dāng)廠、站用電中斷的情況下，為繼電保護(hù)、斷路器跳合閘、載波通訊提供直流電源，其穩(wěn)定運(yùn)行直接影響著電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。變電站直流電源主要由以下四個(gè)部分組成：蓄電池系統(tǒng)、充電模塊部分分為交流整流及穩(wěn)壓整流、微機(jī)監(jiān)控部分、調(diào)壓模塊部分。目前，現(xiàn)代直流電源的發(fā)展正以高頻開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，并兼?zhèn)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/高頻">高頻化、高效率、大功率、無污染和模塊等特點(diǎn)。在管理方式上，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，形成多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控管理系統(tǒng)。

直流電源系統(tǒng)的監(jiān)視系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它的主要作用是把各變電站直流設(shè)備的信息上送到監(jiān)控中心以供查詢，同時(shí)各監(jiān)控中心也向各變電站發(fā)送控制命令，由系統(tǒng)執(zhí)行，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的不正常狀態(tài)，及時(shí)處理。直流電源系統(tǒng)的典型配置如圖1所示。

圖1 直流電源系統(tǒng)的典型配置圖

直流電源系統(tǒng)主要分為三大部分：直流回路的絕緣檢測(cè)單元、交直流參數(shù)監(jiān)控單元、電池巡檢單元。目前各個(gè)廠家的產(chǎn)品還存在以下問題：

（1）直流接地故障率一直排在電氣故障首位，原因是檢測(cè)方法不足，直流傳感器檢測(cè)主要是易損壞、干擾嚴(yán)重，交流傳感檢測(cè)則受分布電容的影響，且須注入一定信號(hào)；

（2）參數(shù)監(jiān)控單元主要是檢測(cè)母線電壓及電流，交流側(cè)電壓及直流側(cè)電流電壓等，目前此部分監(jiān)控系統(tǒng)只是將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單檢測(cè)和直接上調(diào)，缺少自我分析和實(shí)時(shí)自我故障處理能力；

（3）各部分之間使用不同的通訊規(guī)約，使對(duì)綜自系統(tǒng)進(jìn)行通訊時(shí)，必須重新統(tǒng)一軟件規(guī)約；

（4）不同單元間的組態(tài)不便，使得在使用過程中用匯編語言更改或重新編寫軟件時(shí)不方便，容易出錯(cuò)，操作性差。

針對(duì)以上情況，我們推出了PZWG2000系列智能型觸摸屏控制直流高頻開關(guān)電源系統(tǒng)。此系統(tǒng)的信息采集及處理可就地完成，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信號(hào)不受干擾，配線靈活，組態(tài)方便，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)，可在線調(diào)控上傳數(shù)據(jù)，自檢功能完善，強(qiáng)大的多媒體及動(dòng)畫功能，友好的中英文人機(jī)顯示圖界，雙重控制原理，使系統(tǒng)更具可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

2.1 硬件配置

PZWG2000智能型觸摸屏控制直流系統(tǒng)為模塊式結(jié)構(gòu)，模塊間可任意組合，可以根據(jù)不同用戶的不同要求組合系統(tǒng)。一個(gè)完整的系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：監(jiān)控后臺(tái)（主控制單元）、充電管理單元（高頻單元）、電池管理單元（電池巡檢單元）、絕緣檢測(cè)單元及調(diào)壓?jiǎn)卧?。其中主控制單元即監(jiān)控后臺(tái)為本系統(tǒng)的核心部分。

2.1.1監(jiān)控后臺(tái)

監(jiān)控后臺(tái)是通過可觸摸式工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)并作為全面管理電源系統(tǒng)運(yùn)行。它可在線記錄、統(tǒng)計(jì)、分析并實(shí)時(shí)打印各種運(yùn)行數(shù)據(jù)。人機(jī)界面為高亮度的彩色大屏幕LCD顯示屏。具有顯示清晰、直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。通過串行的RS232/RS485口，與變電站內(nèi)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)或地區(qū)調(diào)度聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)四遙功能，即遙測(cè)、遙信、遙控及遙調(diào)功能，從而實(shí)現(xiàn)變電站電源系統(tǒng)的無人值守。

圖2 監(jiān)控單元原理框圖

2.1.2充電管理單元

它是主控單元和充電機(jī)的接口部分，通過它控制充電機(jī)按最適合維護(hù)電池的充電曲線自動(dòng)分階段地給電池充電，延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)監(jiān)測(cè)充電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在其出現(xiàn)故障時(shí)通過主控單元向操作者及上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于管理人員及時(shí)排除故障。高頻整流模塊采用目前國(guó)際上先進(jìn)的有源功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC）和軟開關(guān)脈沖寬調(diào)制技術(shù)PWM，自主均流，并可帶電插拔，熱維修，其原理圖見圖3。

圖3 充電管理單元原理框圖

2.1.3 絕緣檢測(cè)單元

除可監(jiān)視母線電壓與絕緣外，還可對(duì)各直流接地支路進(jìn)行判斷。絕緣檢測(cè)單元采用平衡橋及不平衡橋相結(jié)合的原理，檢測(cè)母線對(duì)地絕緣狀態(tài)，不向直流系統(tǒng)輸入信號(hào)，不受制于饋線對(duì)地電容的影響，支路檢測(cè)采用差值計(jì)算方法，可準(zhǔn)確計(jì)算出正負(fù)母線接地阻抗。對(duì)于多條支路同時(shí)發(fā)生一點(diǎn)或平衡接地均可檢測(cè)出。其原理圖見圖4。

圖4 絕緣檢測(cè)單元原理框圖

2.1.4電池管理單元

可對(duì)蓄電池的各種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)蓄電池的電壓、電流、溫度及容量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過LCD屏顯示單體電池信息、整組信息，具有電池過壓、回路過流、電池虧容、電池過溫、整組欠壓等告警功能，并有串行通訊口，可將信息傳送至監(jiān)控單元。電池管理單元采用電壓檢測(cè)和內(nèi)阻檢測(cè)相結(jié)合的方法來判斷電池是否失效。內(nèi)阻測(cè)量采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)、國(guó)際一流的測(cè)試方法，通過向電池組兩端注入低頻交流信息，通過科學(xué)算法，結(jié)合電壓檢測(cè)模塊的單電池采樣，巧妙地計(jì)算出每一節(jié)電池的準(zhǔn)確內(nèi)阻。

圖5 電池管理單元

2.1.5 調(diào)壓?jiǎn)卧?/p>

通過調(diào)壓?jiǎn)卧獙⒊潆姍C(jī)的輸出電壓調(diào)整至合理的供電范圍內(nèi)，更加可靠給饋出單元供電。該單元主要是通過二極管降壓原理，可靈活自動(dòng)配置降壓范圍，一般設(shè)置為15V～35V可調(diào)。

整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)全面，各單元之間相互獨(dú)立，任何一個(gè)單元的退出都不影響其它單元的正常運(yùn)行，系統(tǒng)的監(jiān)控后臺(tái)可控制和監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)，但各單元和監(jiān)控后臺(tái)之間也是相互獨(dú)立的，如果監(jiān)控后臺(tái)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能維持正常供電。

2.2 軟件應(yīng)用

PZWG2000采用ADS2000為主控軟件，采用National Instrument公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI編制而成。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，融合面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)。該軟件運(yùn)行于Windows環(huán)境下，中英文圖形智能界面，實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)?？蓪?shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人值守運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)對(duì)上述智能直流電源硬件系統(tǒng)的有效定理，主控軟件ADS2000采用模塊化設(shè)計(jì)方法，相應(yīng)的模塊主要有數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、打印模塊以及通訊模塊等。

2.3 各模塊的作用

2.3.1系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊完成出廠設(shè)置和維護(hù)設(shè)置，出廠設(shè)置由生產(chǎn)廠通過硬鍵盤進(jìn)行設(shè)置，不連鍵盤不能設(shè)置；維護(hù)設(shè)置由用戶進(jìn)行設(shè)置，使用軟件系統(tǒng)的軟鍵盤進(jìn)行輸入，并且需要輸入維護(hù)級(jí)密碼，設(shè)置錯(cuò)誤可恢復(fù)缺省設(shè)置。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)越限語音報(bào)警，并可進(jìn)行文字提示。

2.3.2 打印模塊

由運(yùn)行界面中的打印按鈕調(diào)用，負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息等內(nèi)容的打印。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

系統(tǒng)采用了集散式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的信息采集與處理由“充電管理單元”、“饋線管理單元”和“電池管理單元”三個(gè)獨(dú)立的模塊分別完成，各模塊內(nèi)部都有獨(dú)立的控制器，各單元可獨(dú)立于控制單元和其它單元工作，使產(chǎn)品的可靠性及可維護(hù)性大大提高，三個(gè)獨(dú)立的模塊各自有自己的通訊口，具備自己的通訊功能。數(shù)據(jù)采集和處理模塊負(fù)責(zé)通過串口接受三個(gè)單元上傳的數(shù)據(jù)，并按照各自的通訊協(xié)議進(jìn)行處理，然后由數(shù)據(jù)顯示模塊加以顯示。

2.3.4通信模塊

通訊模塊將存儲(chǔ)文件通過MODEM傳輸?shù)街付ňW(wǎng)絡(luò)地址，ADS2000采取計(jì)算機(jī)組網(wǎng)方式，異地異域甚至可以通過Internet組網(wǎng)，軟件面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)通過Windows系統(tǒng)支持的任何一種網(wǎng)絡(luò)和通訊與上位機(jī)通訊。

2.3.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

負(fù)責(zé)為用戶輸入和數(shù)據(jù)提供友好界面，除主運(yùn)行界面外，還包括直流電源系統(tǒng)圖、蓄電池監(jiān)測(cè)、絕緣監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)設(shè)置、打印日志、歷史紀(jì)錄以及幫助等子界面。在幫助子界面中使用語言導(dǎo)向，可幫助用戶進(jìn)行故障問題的分析及處理。

2.3.6語音報(bào)警模塊

語音報(bào)警模塊在系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，為用戶提供多媒體語音報(bào)警，提醒值班人員及時(shí)處理問題，避免重大問題的發(fā)生。

2.3.7主程序運(yùn)行模塊

主程序運(yùn)行模塊完成模塊的有機(jī)結(jié)合，負(fù)責(zé)軟件系統(tǒng)的運(yùn)行管理。

2.4系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

⑴直流電源系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地將運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障記錄生成相應(yīng)的文件自動(dòng)存入計(jì)算機(jī)，用戶可以隨時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)配備多媒體音箱，一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，將會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的語音報(bào)警。故障清除后音響自動(dòng)解除。

⑵系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶只要點(diǎn)擊界面上的幫助欄，即可找到故障原因及相應(yīng)的處理方法，大大縮短故障排除時(shí)間，減少用戶損失。

⑶系統(tǒng)配備詳盡的資料庫(kù)，其中包含元件庫(kù)、使用說明書、圖紙庫(kù)。系統(tǒng)中所使用元件及相應(yīng)型號(hào)及圖紙?jiān)趲?kù)中均可隨時(shí)查閱。方便用戶日常維護(hù)。

3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)在線化

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化使傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)產(chǎn)生質(zhì)的飛越，網(wǎng)絡(luò)化大大地減少了設(shè)備連接方式，通訊智能化設(shè)備以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的產(chǎn)品在線維護(hù)及升級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，主控制模塊將故障設(shè)備信息上傳至指定網(wǎng)址，并通過分析在線排除故障，更快更安全地保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了在線升級(jí)，PZWG2000系統(tǒng)中配置了在線升級(jí)功能，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并在線下載，經(jīng)過識(shí)別后即可分別寫入各管理單元中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的在線升級(jí)，減少用戶的運(yùn)行成本，滿足用戶的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

4 結(jié)束語

智能型高頻開關(guān)直流電源系統(tǒng)是變電站二次設(shè)備的生命線，直流系統(tǒng)故障直接影響到電網(wǎng)穩(wěn)定和設(shè)備安全。裝設(shè)智能型直流電源設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，可實(shí)時(shí)監(jiān)控直流系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，實(shí)現(xiàn)前瞻式管理，確保后備電源系統(tǒng)可靠、安全、高效運(yùn)行，并且可以減少人工檢測(cè)因誤操作可能引起的設(shè)備損害。智能型高頻開關(guān)直流電源在線式系統(tǒng)的應(yīng)用將大幅度提高直流電源設(shè)備的管理和維護(hù)。

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作者簡(jiǎn)介

閆麗萍1973年6月13日生， 女， 大學(xué)本科， 電氣工程師,從事電力工程設(shè)計(jì) 。■