智能一體化電源系統(tǒng)概述

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. 核心提示：中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》DL/T 1074 — 2007第3.1項(xiàng)定義：一體化電源設(shè)備integrated power supply equipment將直流電源、電力用交流不間斷電源（UPS）和電力用逆變電源（INV）、通信用直流變換電源（DC/DC）等裝置組合為一體，共享直流電源的蓄電池組，并統(tǒng)一監(jiān)控的成套設(shè)備。該組合方式是以直流電源為核心，直流電源與上述任意一種電源及一種以上電源所構(gòu)成的組合體，均稱為一體化電源設(shè)備。文章就一體化電源做簡單分析。 　　1 概述 　　一體化電源系統(tǒng)是替代傳統(tǒng)分立電源（操作電源、通信電源、UPS電源、低壓配電屏、事故照明屏）才出現(xiàn)的，主要應(yīng)用在發(fā)電、配電、用電等領(lǐng)域，為所有電力自動(dòng)化系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、遠(yuǎn)方執(zhí)行系統(tǒng)、高壓斷路器分合閘、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、信號(hào)裝置等提供交/直流不間斷電源。與傳統(tǒng)的分立電源不同，一體化電源不但直接為變電站設(shè)備綜合提供各類電源，而且，由于集中監(jiān)控的啟用，大大提升了設(shè)備的互操作性。 　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　智能一體化電源系統(tǒng)是為全站交直流設(shè)備提供可靠的工作電源，所以其輸出包括380V/220V交流電源、220V/110V直流電源、48V通信用直流電源。智能一體化電源系統(tǒng)包括了ATS、充電單元、逆變電源、通信電源、蓄電池組及各類監(jiān)控管理模塊。其中通信電源不單獨(dú)設(shè)置48V蓄電池及充電裝置，而是使用DC/DC電源模塊直接掛接于直流母線。同樣地，逆變電源也是掛接于直流母線，為重要交流負(fù)荷（如計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備、事故照明等）供電。 　　智能一體化電源系統(tǒng)典型應(yīng)用如圖1所示。 　　智能一體化電源系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，共分為站控層、間隔層和過程層三層扁平并聯(lián)式架構(gòu)（見圖2）。 　　3 系統(tǒng)功能 　　系統(tǒng)最重要的功能就是給用電設(shè)備供電，為了保證電源的可靠、穩(wěn)定，各組件基本功能有以下幾種。 　　3.1 智能一體化監(jiān)控功能 　　人機(jī)界面功能：監(jiān)控主界面采用圖形化顯示，直觀顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及主要監(jiān)測數(shù)據(jù)。直觀顯示交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)，觸摸對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)入詳細(xì)信息查詢頁面。右上角設(shè)置有系統(tǒng)快捷菜單，點(diǎn)擊可進(jìn)入相應(yīng)界面。 　　報(bào)警功能：可以對(duì)系統(tǒng)檢測的任何參量做報(bào)警處理，并及時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的報(bào)警信息：警報(bào)部件名稱、報(bào)警內(nèi)容和報(bào)警時(shí)間。 　　歷史記錄功能：變化數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，可顯示歷史警報(bào)記錄：報(bào)警部件名稱、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。 　　運(yùn)行記錄功能：可顯示交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、蓄電池組、絕緣狀態(tài)的工作情況。 　　邏輯處理功能：如直流絕緣告警，當(dāng)只有支路漏電流過限報(bào)警，而母線絕緣電阻無告警，可自動(dòng)進(jìn)行邏輯判斷為支路漏電流過限為誤報(bào)警。 　　程序化聯(lián)動(dòng)控制功能：將任務(wù)進(jìn)行編程并固化在一體化監(jiān)控模塊中，一旦程序被激活即可進(jìn)行相應(yīng)程序化聯(lián)動(dòng)控制。 　　系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)：根據(jù)交流進(jìn)線運(yùn)行方式，自動(dòng)調(diào)整直流運(yùn)行，達(dá)到最佳方式運(yùn)行。 　　二次配電管理：對(duì)二次配電進(jìn)行統(tǒng)一管理，如照明、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵、門禁等站用非主控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一智能化管理。 　　3.2 交流電源系統(tǒng) 　　系統(tǒng)輸出：380/220VAC給交流設(shè)備供電。 　　雙電源閉鎖切換功能：采用ATS自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，帶機(jī)械電氣雙閉鎖功能，同時(shí)一體化電源智能控制模塊還帶有電氣閉鎖裝置，確保任何情況下，兩路電源不至于發(fā)生碰撞。 　　（1）正常運(yùn)行方式 　　方式1：＃1進(jìn)線電源為主供電源，#2進(jìn)線電源為熱備用電源。 　　方式2：＃2進(jìn)線電源為主供電源，#1進(jìn)線電源為熱備用電源。 　　安全自投功能：保證主供電源無電壓，且熱備用電源電壓正常時(shí)才能投入熱備用電源。自動(dòng)投入裝置延時(shí)動(dòng)作（延時(shí)時(shí)間可整定，整定范圍：0.5～30s），并且自動(dòng)動(dòng)作一次。當(dāng)交流工作母線故障時(shí)或手動(dòng)斷開工作電源時(shí)自動(dòng)投入裝置均不動(dòng)作。主供電源恢復(fù)供電后，發(fā)預(yù)告信號(hào)。自動(dòng)投入裝置動(dòng)作后發(fā)預(yù)告信號(hào)。 　　自恢復(fù)功能：主供電源消失后又恢復(fù)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)主供電源供電。 　　母聯(lián)備自投功能：常采用的兩進(jìn)線一聯(lián)絡(luò)的進(jìn)線模式，通過進(jìn)線監(jiān)控單元控制備自投閉鎖切換。 　　兩路進(jìn)線電壓正常時(shí)，母線聯(lián)絡(luò)斷路器斷開，當(dāng)有一路進(jìn)線失壓時(shí)，母聯(lián)斷路器在該斷路器斷開后閉合，另一路進(jìn)線便給兩段母線供電。該進(jìn)線電壓恢復(fù)后，對(duì)應(yīng)斷路器在母聯(lián)斷路器斷開后重新閉合。 　　自鎖功能：一旦出現(xiàn)故障，三個(gè)斷路器處于非有效狀態(tài)，則進(jìn)線監(jiān)控單元就會(huì)自鎖，跳出備自投模式，防止故障的擴(kuò)大。 　?。?）進(jìn)線監(jiān)控單元 　　測量功能：可測量兩路進(jìn)線的電壓、母線電壓電流、輸入斷路器狀態(tài)、母線聯(lián)絡(luò)狀態(tài)、ATS狀態(tài)、防雷狀態(tài)等。 　　采集電能表信息：可連接三相電能表，采集母線輸入功率、功率因數(shù)、頻率、各種電能量等。 　　工作模式切換：支持6種工作模式，自動(dòng)或手動(dòng)控制ATS操作。 　?。?）饋線檢測單元 　　輔助報(bào)警檢測：對(duì)饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行檢測并實(shí)時(shí)在監(jiān)控中顯示。 　　3.3 直流電源系統(tǒng) 　　系統(tǒng)輸出：220VDC，給直流設(shè)備供電。 　?。?）直流電源子監(jiān)控 　　信息采集功能：能實(shí)時(shí)采集電壓、電流、故障等遙測、遙信量。 　　充電控制功能：能根據(jù)蓄電池充電曲線控制充電模塊輸出，進(jìn)行均充、浮充自動(dòng)轉(zhuǎn)換，定期均充電；并具備放電功能。能根據(jù)設(shè)定產(chǎn)生過壓、過流、低壓等告警信號(hào)對(duì)蓄電池的過充電、過放電自動(dòng)保護(hù)。 　　故障報(bào)警功能：自動(dòng)巡檢、故障自動(dòng)顯示、報(bào)警，具備蜂鳴器報(bào)警功能。 　　交流斷電時(shí)自動(dòng)控制向母線供電，確保繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、高壓開關(guān)均有控制和操作電源；來電時(shí)自動(dòng)控制投入充電。 　　通信功能：跟一體化主監(jiān)控通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向通信，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。 　?。?）充電模塊 　　防雷功能：充電模塊交流進(jìn)線回路配置可靠的C級(jí)防雷裝置（安裝在電源側(cè)）。 　　絕緣保護(hù)功能：充電模塊交流進(jìn)線回路配置高度的電氣絕緣防護(hù)措施，確保系統(tǒng)和人身安全。 　　短路保護(hù)功能：即使模塊輸出長期處于短路狀態(tài)也不致?lián)p壞。 　　并聯(lián)保護(hù)電路：絕對(duì)保證故障模塊自動(dòng)退出系統(tǒng)，而不影響其它模塊正常工作。 　　保護(hù)及告警功能：包括輸入過/欠壓、輸出過/欠壓、過溫、過流等。 　　LED顯示：可查詢模塊的電壓、電流、地址及故障信息。 　　充電限流功能：模塊具有充電限流功能，延長電池壽命。 　　并機(jī)均流功能：模塊通過硬件實(shí)現(xiàn)并機(jī)均流。 　?。?）直流監(jiān)控單元 　　測量功能：可測量電池電壓電流、控母電壓電流、合母電壓、環(huán)境溫度等。 　　故障輸出功能：通過8個(gè)開關(guān)量信號(hào)可以滿足直流故障告警需求。 　　交流竄直流檢測：具有交流竄直流的檢測和報(bào)警功能。 　　直流竄直流檢測：具有全國領(lǐng)先的兩段直流母線互竄的檢測和報(bào)警功能，并能精確計(jì)算出互竄電阻。 　　（4）饋線檢測單元 　　輔助報(bào)警檢測：對(duì)饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行檢測并實(shí)時(shí)在監(jiān)控中顯示。 　　絕緣檢測：對(duì)母線和饋出支路的對(duì)地絕緣情況進(jìn)行監(jiān)測，產(chǎn)生告警信號(hào)，上報(bào)數(shù)據(jù)到監(jiān)控模塊系統(tǒng)，在監(jiān)控模塊中顯示正、負(fù)極母線對(duì)地的電壓值和絕緣電阻值。 　　電池巡檢單元： 　　電壓檢測：電池監(jiān)測模塊能在線測量每個(gè)單體電池的工作電壓，判斷性能是否正常。 　　溫度測量：配備有溫度測量接口，只需外接溫度傳感器，便可將電池的環(huán)境溫度上傳。 　　降壓裝置：系統(tǒng)提供合閘饋出和控制饋出兩種電壓輸出。正常工作時(shí)，充電模塊對(duì)系統(tǒng)的均/浮充電壓通常會(huì)高于控制母線允許的波動(dòng)電壓范圍，所以采用多級(jí)硅鏈調(diào)壓裝置串聯(lián)在合閘母線與控制母線之間，使調(diào)壓裝置的輸出電壓滿足控制母線的要求。 　　3.4 通信電源系統(tǒng) 　　系統(tǒng)輸出：48VDC，給通信設(shè)備供電。 　?。?）通信電源子監(jiān)控 　　信息采集功能：能實(shí)時(shí)采集電壓，電流，故障等遙測、遙信量。 　　故障報(bào)警功能：自動(dòng)巡檢、故障自動(dòng)顯示、報(bào)警，具備蜂鳴器報(bào)警功能。 　　控制功能：本地運(yùn)行模式中可對(duì)通信模塊實(shí)施開/關(guān)機(jī)控制。 　　通信功能：跟一體化主監(jiān)控通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向通信，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。 　　（2）通信模塊 　　通信電源模塊直接掛于直流母線，電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。 　　短路保護(hù)功能：即使模塊輸出長期處于短路狀態(tài)也不致?lián)p壞。 　　并聯(lián)保護(hù)電路：絕對(duì)保證故障模塊自動(dòng)退出系統(tǒng)，而不影響其它模塊的正常工作。 　　保護(hù)及告警功能：包括輸入過/欠壓、輸出過/欠壓、過溫保護(hù)、過流保護(hù)等。 　　LED顯示：可查詢模塊的電壓、電流、地址及故障信息。 　　并機(jī)均流功能：模塊通過硬件實(shí)現(xiàn)并機(jī)均流。 　　（3）饋線檢測單元 　　輔助報(bào)警檢測：對(duì)饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行檢測并實(shí)時(shí)在監(jiān)控中顯示。 　　3.5 UPS電源系統(tǒng) 　　系統(tǒng)輸出：220VAC，給電站的監(jiān)控計(jì)算機(jī)和重要負(fù)荷供電。 　　（1）UPS電源子監(jiān)控： 　　信息采集功能：能實(shí)時(shí)采集電壓，電流，故障等遙測、遙信量。 　　故障報(bào)警功能：自動(dòng)巡檢、故障自動(dòng)顯示、報(bào)警，具備蜂鳴器報(bào)警功能。 　　控制功能：本地運(yùn)行模式中可對(duì)UPS模塊實(shí)施開/關(guān)機(jī)控制。 　　通信功能：跟一體化主監(jiān)控通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向通信，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。 　　交流不間斷輸出：電力用交流不間斷電源（UPS）直接掛于直流母線，正常運(yùn)行時(shí)由交流輸入供應(yīng)負(fù)載電源，一旦交流輸入消失，無延時(shí)切換到直流輸入供電，UPS輸出交流電，保證監(jiān)控計(jì)算機(jī)、重要負(fù)荷不受影響。 　?。?）饋線檢測單元 　　輔助報(bào)警檢測：對(duì)饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行檢測并實(shí)時(shí)在監(jiān)控中顯示。 　　4 系統(tǒng)組成 　　4.1 一體式主監(jiān)控 　　一體式主監(jiān)控界面如圖3所示。 　?。?）功能說明 　　內(nèi)嵌32位400MHz高性能嵌入式處理器和WINCE5.0嵌入式操作系統(tǒng)； 　　配備10.4英寸640480分辨率高亮度真彩TFT觸摸屏； 　　可連接充電模塊、通信電源模塊、逆變器、UPS模塊及各種監(jiān)控單元構(gòu)成一體化電源系統(tǒng)； 　　支持10~1000kV各級(jí)別變電站一體化電源系統(tǒng)； 　　支持MODBUS、CDT、MODBUS-TCP及IEC61850協(xié)議。 （2）具體模塊示意圖如圖4所示。 　　4.2 直流模塊 　　高頻開關(guān)整流模塊采用先進(jìn)的LLC諧振軟開關(guān)技術(shù)，效率高；采用無源PFC技術(shù)，功率因數(shù)高；內(nèi)置完善的EMC設(shè)計(jì)，滿足GB/T 19826-2005標(biāo)準(zhǔn)中EMC的相關(guān)要求；散熱風(fēng)扇采用溫度聯(lián)合電流控制模式，噪音低，風(fēng)扇壽命長（見圖5）。 　　4.3 通信模塊 　　產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想緊跟時(shí)代潮流，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國際水平，滿足20~160A電源容量要求，可應(yīng)用于小容量程控交換局、移動(dòng)基站、衛(wèi)星地球站等場合，尤其適用于農(nóng)村電話支局和微波中繼站的通信設(shè)備供電。模塊采用立式安裝方式，輸入輸出采用一體化航空接頭，內(nèi)置防反接保護(hù)，支持帶電熱拔插。其工作原理如圖6所示。 　　單相交流輸入首先進(jìn)行防雷處理和EMI濾波，然后經(jīng)整流成高壓直流，再通過全橋PWM電路逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后通過高頻整流濾波成為直流電，最后，經(jīng)EMI濾波和防反接保護(hù)輸出。 　　模塊的外形與接口見圖7. 　　4.4 逆變模塊 　　逆變模塊是把直流220V逆變?yōu)榻涣?20V，容量一般為5kVA,為電腦計(jì)算機(jī)和應(yīng)急照明供電（見圖8）。 　　5 系統(tǒng)應(yīng)用 　　智能一體化電源系統(tǒng)具有極其優(yōu)秀的可擴(kuò)展性能，應(yīng)用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于各類發(fā)電廠（如水電、火電、核電等）。同時(shí)還可應(yīng)用于各類變電站和其它使用直流/交流不間斷電源的用戶，如變電站、配電站、石化、鋼鐵、電氣化鐵路、房地產(chǎn)等，為信號(hào)設(shè)備、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源。它也同樣廣泛的應(yīng)用于通信部門、計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院、礦井、賓館，以及高層建筑的可靠應(yīng)急直流/交流電源。根據(jù)系統(tǒng)容量不同，智能一體化電源系統(tǒng)可分別應(yīng)用于10kV、35kV、66kV、110kV、220kV、500kV、750kV等變電站。 　　5.1 應(yīng)用于66kV變電站的一體化電源系統(tǒng) 　　66kV變電站的一體化電源系統(tǒng)，屬于常規(guī)配置，僅用了9面柜體，就包含了所有電源系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)輸出饋線在48路以下，電池容量為200AH.主要配置如下： 　?。?）一體化主監(jiān)控 　　1臺(tái)一體化電源主監(jiān)控。 　?。?）交流系統(tǒng) 　　交流柜：采用3面柜體。 　　交流進(jìn)線監(jiān)控單元：該交流系統(tǒng)為備自投模式，兩路進(jìn)線分別由#1和#3交流柜輸入，#2交流柜為聯(lián)絡(luò)柜。配備1臺(tái)交流進(jìn)線監(jiān)控單元，三個(gè)斷路器的分合由交流進(jìn)線監(jiān)控單元進(jìn)行控制。 　　饋線檢測單元：共46路輸出饋線，3臺(tái)饋線檢測單元。 　　（3）直流系統(tǒng) 　　充電柜：1面柜體。 　　模塊：5臺(tái)10A自冷模塊。 　　直流監(jiān)控單元：1臺(tái)直流監(jiān)控單元。 　　直流饋電柜：1面柜體。 　　饋線檢測單元：共42路輸出饋線，3臺(tái)饋線檢測單元。 　　電池柜：2面柜體。 　　56節(jié)電池巡檢單元：104節(jié)電池，2臺(tái)56節(jié)電池巡檢單元。 　　（4）通信系統(tǒng) 　　通信電源柜：1面柜體； 　　模塊：3臺(tái)48V模塊； 　　饋線檢測單元：共12路輸出饋線，1臺(tái)饋線檢測單元。 　　（5）逆變系統(tǒng) 　　逆變電源柜：1面柜體； 　　饋線檢測單元：共12路輸出饋線，1臺(tái)饋線檢測單元。 　　5.2 應(yīng)用于750kV變電站的一體化電源監(jiān)控系統(tǒng) 　　該系統(tǒng)較為龐大，輸出饋線達(dá)到了1732路之多，配備了一百多臺(tái)饋線檢測單元，對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行能力是一個(gè)較大的考驗(yàn)，而本產(chǎn)品仍能迅速并準(zhǔn)確的完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控作業(yè)。 　　由于分電柜與一體化電源主柜間距離過遠(yuǎn)，故分電柜與主電源柜件使用光纖通訊，每組分電柜配置一臺(tái)光貓（CAN→光），且分電柜間光貓相互串接后引致主電源柜處光貓（光→CAN）接入一體化電源通訊網(wǎng)。系統(tǒng)的主要配置如下： 　　（1）一體化主監(jiān)控 　　1臺(tái)一體化電源主監(jiān)控。 　　（2）交流系統(tǒng) 　　交流電源子監(jiān)控：交流電源及每組分電柜配置1臺(tái)交流子監(jiān)控，共6臺(tái)，便于就地查看數(shù)據(jù)； 　　交流電源柜：2面柜體，兩段交流母線； 　　交流監(jiān)控單元：2臺(tái)； 　　饋線檢測單元：共64路輸出饋線；配備4臺(tái)饋線檢測單元； 　　交流分電柜：5組，共15面柜體； 　　饋線檢測單元：每面24路輸出饋線，共360路，配備20臺(tái)饋線檢測單元。 　?。?）直流系統(tǒng) 　　充電柜：6面柜體，該系統(tǒng)單母線分段系統(tǒng)，每段母線帶一組充電機(jī)及電池，第三組充電機(jī)備用； 　　直流監(jiān)控單元：2臺(tái)； 　　直流饋電柜：4面直流饋電柜； 　　饋線檢測單元：共144路輸出饋線，配備10臺(tái)饋線檢測單元； 　　直流分電柜：10組，每組2面，共20面直流分電柜； 　　饋線檢測單元：每面48路輸出饋線，共480路，配備60臺(tái)饋線檢測單元； 　　電池巡檢單元：2組電池，每組104節(jié)，配備4臺(tái)電池巡檢單元。 　?。?）通信系統(tǒng) 　　通信電源柜：2面； 　　通信饋電柜：2面； 　　饋線檢測單元：共96路通信輸出饋線，配備6臺(tái)饋線檢測單元。 　　（5）逆變系統(tǒng) 　　逆變電源柜：2面；兩臺(tái)逆變電源主備運(yùn)行。 　　逆變饋電柜：2面； 　　饋線檢測單元：共96路逆變輸出饋線，配備6臺(tái)饋線檢測單元。 　　（6）事故照明系統(tǒng) 　　事故照明柜:1面； 　　饋線檢測單元：12路輸出饋線；共1臺(tái)饋線檢測單元。 　　6 結(jié)束語 　　一體化電源系統(tǒng)是針對(duì)國家電網(wǎng)提出的一體化電源產(chǎn)品功能需求，以電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化為目標(biāo)，結(jié)合目前企業(yè)一體化電源產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與不足，采用全新設(shè)計(jì)理念進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的融合度、冗余度、適應(yīng)性、擴(kuò)展性及統(tǒng)一監(jiān)控性均有了很大程度提高，已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。 .