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)標準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，為所有電力自動化系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、遠方執(zhí)行系統(tǒng)、高壓斷路器分合閘、繼電保護、自動裝置、信號裝置等提供交/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，為重要交流負荷（如計算機監(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)，觸摸對應(yīng)模塊進入詳細信息查詢頁面。右上角設(shè)置有系統(tǒng)快捷菜單，點擊可進入相應(yīng)界面。報警功能：可以對系統(tǒng)檢測的任何參量做報警處理，并及時反應(yīng)系統(tǒng)的報警信息：警報部件名稱、報警內(nèi)容和報警時間。歷史記錄功能：變化數(shù)據(jù)自動存儲，可顯示歷史警報記錄：報警部件名稱、報警內(nèi)容、報警時間和結(jié)束時間。運行記錄功能：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，當只有支路漏電流過限報警，而母線絕緣電阻無告警，可自動進行邏輯判斷為支路漏電流過限為誤報警。程序化聯(lián)動控制功能：將任務(wù)進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行相應(yīng)程序化聯(lián)動控制。系統(tǒng)聯(lián)動：根據(jù)交流進線運行方式，自動調(diào)整直流運行，達到最佳方式運行。二次配電管理：對二次配電進行統(tǒng)一管理，如照明、風機、空調(diào)、水泵、門禁等站用非主控設(shè)備進行統(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自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，帶機械電氣雙閉鎖功能，同時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）正常運行方式方式1：1進線電源為主供電源，#2進線電源為熱備用電源。方式2：2進線電源為主供電源，#1進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才能投入熱備用電源。自動投入裝置延時動作（延時時間可整定，整定范圍：0.530s），并且自動動作一次。當交流工作母線故障時或手動斷開工作電源時自動投入裝置均不動作。主供電源恢復供電后，發(fā)預告信號。自動投入裝置動作后發(fā)預告信號。自恢復功能：主供電源消失后又恢復，系統(tǒng)自動恢復主供電源供電。母聯(lián)備自投功能：常采用的兩進線一聯(lián)絡(luò)的進線模式，通過進線監(jiān)控單元控制備自投閉鎖切換。兩路進線電壓正常時，母線聯(lián)絡(luò)斷路器斷開，當有一路進線失壓時，母聯(lián)斷路器在該斷路器斷開后閉合，另一路進線便給兩段母線供電。該進線電壓恢復后，對應(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，三個斷路器處于非有效狀態(tài)，則進線監(jiān)控單元就會自鎖，跳出備自投模式，防止故障的擴大。（2）進線監(jiān)控單元測量功能：可測量兩路進線的電壓、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，自動或手動控制ATS操作。（3）饋線檢測單元輔助報警檢測：對饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報警狀態(tài)進行檢測并實時在監(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。（1）直流電源子監(jiān)控信息采集功能：能實時采集電壓、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，進行均充、浮充自動轉(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、低壓等告警信號對蓄電池的過充電、過放電自動保護。故障報警功能：自動巡檢、故障自動顯示、報警，具備蜂鳴器報警功能。交流斷電時自動控制向母線供電，確保繼電保護、自動裝置、高壓開關(guān)均有控制和操作電源；來電時自動控制投入充電。通信功能：跟一體化主監(jiān)控通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向通信，實時傳輸數(shù)據(jù)。（2）充電模塊防雷功能：充電模塊交流進線回路配置可靠的C級防雷裝置（安裝在電源側(cè)）。絕緣保護功能：充電模塊交流進線回路配置高度的電氣絕緣防護措施，確保系統(tǒng)和人身安全。短路保護功能：即使模塊輸出長期處于短路狀態(tài)也不致?lián)p壞。并聯(lián)保護電路：絕對保證故障模塊自動退出系統(tǒng)，而不影響其它模塊正常工作。保護及告警功能：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。并機均流功能：模塊通過硬件實現(xiàn)并機均流。（3）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個開關(guān)量信號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警功能，并能精確計算出互竄電阻。（4）饋線檢測單元輔助報警檢測：對饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報警狀態(tài)進行檢測并實時在監(jiān)控中顯示。絕緣檢測：對母線和饋出支路的對地絕緣情況進行監(jiān)測，產(chǎn)生告警信號，上報數(shù)據(jù)到監(jiān)控模塊系統(tǒng)，在監(jiān)控模塊中顯示正、負極母線對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，充電模塊對系統(tǒng)的均/浮充電壓通常會高于控制母線允許的波動電壓范圍，所以采用多級硅鏈調(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。（1）通信電源子監(jiān)控信息采集功能：能實時采集電壓，電流，故障等遙測、遙信量。故障報警功能：自動巡檢、故障自動顯示、報警，具備蜂鳴器報警功能?？刂乒δ埽罕镜剡\行模式中可對通信模塊實施開/關(guān)機控制。通信功能：跟一體化主監(jiān)控通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向通信，實時傳輸數(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。短路保護功能：即使模塊輸出長期處于短路狀態(tài)也不致?lián)p壞。并聯(lián)保護電路：絕對保證故障模塊自動退出系統(tǒng)，而不影響其它模塊的正常工作。保護及告警功能：包括輸入過/欠壓、輸出過/欠壓、過溫保護、過流保護等。LED顯示：可查詢模塊的電壓、電流、地址及故障信息。并機均流功能：模塊通過硬件實現(xiàn)并機均流。（3）饋線檢測單元輔助報警檢測：對饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報警狀態(tài)進行檢測并實時在監(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)控計算機和重要負荷供電。（1）UPS電源子監(jiān)控：信息采集功能：能實時采集電壓，電流，故障等遙測、遙信量。故障報警功能：自動巡檢、故障自動顯示、報警，具備蜂鳴器報警功能?？刂乒δ埽罕镜剡\行模式中可對UPS模塊實施開/關(guān)機控制。通信功能：跟一體化主監(jiān)控通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向通信，實時傳輸數(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，正常運行時由交流輸入供應(yīng)負載電源，一旦交流輸入消失，無延時切換到直流輸入供電，UPS輸出交流電，保證監(jiān)控計算機、重要負荷不受影響。（2）饋線檢測單元輔助報警檢測：對饋出支路的開關(guān)狀態(tài)和報警狀態(tài)進行檢測并實時在監(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。（1）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101000kV各級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，滿足GB/T 19826-2005標準中EMC的相關(guān)要求；散熱風扇采用溫度聯(lián)合電流控制模式，噪音低，風扇壽命長（見圖5）。4.3 通信模塊產(chǎn)品的設(shè)計思想緊跟時代潮流，產(chǎn)品的各項性能指標達到國際水平，滿足20160A電源容量要求，可應(yīng)用于小容量程控交換局、移動基站、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，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,為電腦計算機和應(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，為信號設(shè)備、保護、自動裝置、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、計算機房、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：（1）一體化主監(jiān)控1臺一體化電源主監(jiān)控。（2）交流系統(tǒng)交流柜：采用3面柜體。交流進線監(jiān)控單元：該交流系統(tǒng)為備自投模式，兩路進線分別由#1和#3交流柜輸入，#2交流柜為聯(lián)絡(luò)柜。配備1臺交流進線監(jiān)控單元，三個斷路器的分合由交流進線監(jiān)控單元進行控制。饋線檢測單元：共46路輸出饋線，3臺饋線檢測單元。（3）直流系統(tǒng)充電柜：1面柜體。模塊：5臺10A自冷模塊。直流監(jiān)控單元：1臺直流監(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48V模塊；饋線檢測單元：共12路輸出饋線，1臺饋線檢測單元。（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，輸出饋線達到了1732路之多，配備了一百多臺饋線檢測單元，對整個監(jiān)控系統(tǒng)運行能力是一個較大的考驗，而本產(chǎn)品仍能迅速并準確的完成整個系統(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，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臺交流子監(jiān)控，共6臺，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；饋線檢測單元：共64路輸出饋線；配備4臺饋線檢測單元；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臺饋線檢測單元。（3）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及電池，第三組充電機備用；直流監(jiān)控單元：2臺；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臺電池巡檢單元。（4）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臺饋線檢測單元。（5）逆變系統(tǒng)逆變電源柜：2面；兩臺逆變電源主備運行。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臺饋線檢測單元。6 結(jié)束語一體化電源系統(tǒng)是針對國家電網(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，結(jié)合目前企業(yè)一體化電源產(chǎn)品的優(yōu)點與不足，采用全新設(shè)計理念進行方案設(shè)計，使系統(tǒng)的融合度、冗余度、適應(yīng)性、擴展性及統(tǒng)一監(jiān)控性均有了很大程度提高，已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。.