智能一体化电源系统概述

.核心提示：中华人民共和国电力行业标准电力用直流和交流一体化不间断电源设备DL/T 1074 2007第3.1项定义：一体化电源设备integrated power supply equipment将直流电源、电力用交流不间断电源（UPS）和电力用逆变电源（INV）、通信用直流变换电源（DC/DC）等装置组合为一体，共享直流电源的蓄电池组，并统一监控的成套设备。该组合方式是以直流电源为核心，直流电源与上述任意一种电源及一种以上电源所构成的组合体，均称为一体化电源设备。文章就一体化电源做简单分析。1 概述一体化电源系统是替代传统分立电源（操作电源、通信电源、UPS电源、低压配电屏、事故照明屏）才出现的，主要应用在发电、配电、用电等领域，为所有电力自动化系统、通讯系统、远方执行系统、高压断路器分合闸、继电保护、自动装置、信号装置等提供交/直流不间断电源。与传统的分立电源不同，一体化电源不但直接为变电站设备综合提供各类电源，而且，由于集中监控的启用，大大提升了设备的互操作性。2 系统结构智能一体化电源系统是为全站交直流设备提供可靠的工作电源，所以其输出包括380V/220V交流电源、220V/110V直流电源、48V通信用直流电源。智能一体化电源系统包括了ATS、充电单元、逆变电源、通信电源、蓄电池组及各类监控管理模块。其中通信电源不单独设置48V蓄电池及充电装置，而是使用DC/DC电源模块直接挂接于直流母线。同样地，逆变电源也是挂接于直流母线，为重要交流负荷（如计算机监控设备、事故照明等）供电。智能一体化电源系统典型应用如图1所示。智能一体化电源系统的监控系统架构，共分为站控层、间隔层和过程层三层扁平并联式架构（见图2）。3 系统功能系统最重要的功能就是给用电设备供电，为了保证电源的可靠、稳定，各组件基本功能有以下几种。3.1 智能一体化监控功能人机界面功能：监控主界面采用图形化显示，直观显示系统结构以及主要监测数据。直观显示交流系统、直流系统、UPS系统、通信系统数据，触摸对应模块进入详细信息查询页面。右上角设置有系统快捷菜单，点击可进入相应界面。报警功能：可以对系统检测的任何参量做报警处理，并及时反应系统的报警信息：警报部件名称、报警内容和报警时间。历史记录功能：变化数据自动存储，可显示历史警报记录：报警部件名称、报警内容、报警时间和结束时间。运行记录功能：可显示交流系统、直流系统、通信系统、UPS系统、蓄电池组、绝缘状态的工作情况。逻辑处理功能：如直流绝缘告警，当只有支路漏电流过限报警，而母线绝缘电阻无告警，可自动进行逻辑判断为支路漏电流过限为误报警。程序化联动控制功能：将任务进行编程并固化在一体化监控模块中，一旦程序被激活即可进行相应程序化联动控制。系统联动：根据交流进线运行方式，自动调整直流运行，达到最佳方式运行。二次配电管理：对二次配电进行统一管理，如照明、风机、空调、水泵、门禁等站用非主控设备进行统一智能化管理。3.2 交流电源系统系统输出：380/220VAC给交流设备供电。双电源闭锁切换功能：采用ATS自动转换开关，带机械电气双闭锁功能，同时一体化电源智能控制模块还带有电气闭锁装置，确保任何情况下，两路电源不至于发生碰撞。（1）正常运行方式方式1：1进线电源为主供电源，#2进线电源为热备用电源。方式2：2进线电源为主供电源，#1进线电源为热备用电源。安全自投功能：保证主供电源无电压，且热备用电源电压正常时才能投入热备用电源。自动投入装置延时动作（延时时间可整定，整定范围：0.530s），并且自动动作一次。当交流工作母线故障时或手动断开工作电源时自动投入装置均不动作。主供电源恢复供电后，发预告信号。自动投入装置动作后发预告信号。自恢复功能：主供电源消失后又恢复，系统自动恢复主供电源供电。母联备自投功能：常采用的两进线一联络的进线模式，通过进线监控单元控制备自投闭锁切换。两路进线电压正常时，母线联络断路器断开，当有一路进线失压时，母联断路器在该断路器断开后闭合，另一路进线便给两段母线供电。该进线电压恢复后，对应断路器在母联断路器断开后重新闭合。自锁功能：一旦出现故障，三个断路器处于非有效状态，则进线监控单元就会自锁，跳出备自投模式，防止故障的扩大。（2）进线监控单元测量功能：可测量两路进线的电压、母线电压电流、输入断路器状态、母线联络状态、ATS状态、防雷状态等。采集电能表信息：可连接三相电能表，采集母线输入功率、功率因数、频率、各种电能量等。工作模式切换：支持6种工作模式，自动或手动控制ATS操作。（3）馈线检测单元辅助报警检测：对馈出支路的开关状态和报警状态进行检测并实时在监控中显示。3.3 直流电源系统系统输出：220VDC，给直流设备供电。（1）直流电源子监控信息采集功能：能实时采集电压、电流、故障等遥测、遥信量。充电控制功能：能根据蓄电池充电曲线控制充电模块输出，进行均充、浮充自动转换，定期均充电；并具备放电功能。能根据设定产生过压、过流、低压等告警信号对蓄电池的过充电、过放电自动保护。故障报警功能：自动巡检、故障自动显示、报警，具备蜂鸣器报警功能。交流断电时自动控制向母线供电，确保继电保护、自动装置、高压开关均有控制和操作电源；来电时自动控制投入充电。通信功能：跟一体化主监控通过CAN网络实现双向通信，实时传输数据。（2）充电模块防雷功能：充电模块交流进线回路配置可靠的C级防雷装置（安装在电源侧）。绝缘保护功能：充电模块交流进线回路配置高度的电气绝缘防护措施，确保系统和人身安全。短路保护功能：即使模块输出长期处于短路状态也不致损坏。并联保护电路：绝对保证故障模块自动退出系统，而不影响其它模块正常工作。保护及告警功能：包括输入过/欠压、输出过/欠压、过温、过流等。LED显示：可查询模块的电压、电流、地址及故障信息。充电限流功能：模块具有充电限流功能，延长电池寿命。并机均流功能：模块通过硬件实现并机均流。（3）直流监控单元测量功能：可测量电池电压电流、控母电压电流、合母电压、环境温度等。故障输出功能：通过8个开关量信号可以满足直流故障告警需求。交流窜直流检测：具有交流窜直流的检测和报警功能。直流窜直流检测：具有全国领先的两段直流母线互窜的检测和报警功能，并能精确计算出互窜电阻。（4）馈线检测单元辅助报警检测：对馈出支路的开关状态和报警状态进行检测并实时在监控中显示。绝缘检测：对母线和馈出支路的对地绝缘情况进行监测，产生告警信号，上报数据到监控模块系统，在监控模块中显示正、负极母线对地的电压值和绝缘电阻值。电池巡检单元：电压检测：电池监测模块能在线测量每个单体电池的工作电压，判断性能是否正常。温度测量：配备有温度测量接口，只需外接温度传感器，便可将电池的环境温度上传。降压装置：系统提供合闸馈出和控制馈出两种电压输出。正常工作时，充电模块对系统的均/浮充电压通常会高于控制母线允许的波动电压范围，所以采用多级硅链调压装置串联在合闸母线与控制母线之间，使调压装置的输出电压满足控制母线的要求。3.4 通信电源系统系统输出：48VDC，给通信设备供电。（1）通信电源子监控信息采集功能：能实时采集电压，电流，故障等遥测、遥信量。故障报警功能：自动巡检、故障自动显示、报警，具备蜂鸣器报警功能。控制功能：本地运行模式中可对通信模块实施开/关机控制。通信功能：跟一体化主监控通过CAN网络实现双向通信，实时传输数据。（2）通信模块通信电源模块直接挂于直流母线，电压稳定，抗干扰能力强。短路保护功能：即使模块输出长期处于短路状态也不致损坏。并联保护电路：绝对保证故障模块自动退出系统，而不影响其它模块的正常工作。保护及告警功能：包括输入过/欠压、输出过/欠压、过温保护、过流保护等。LED显示：可查询模块的电压、电流、地址及故障信息。并机均流功能：模块通过硬件实现并机均流。（3）馈线检测单元辅助报警检测：对馈出支路的开关状态和报警状态进行检测并实时在监控中显示。3.5 UPS电源系统系统输出：220VAC，给电站的监控计算机和重要负荷供电。（1）UPS电源子监控：信息采集功能：能实时采集电压，电流，故障等遥测、遥信量。故障报警功能：自动巡检、故障自动显示、报警，具备蜂鸣器报警功能。控制功能：本地运行模式中可对UPS模块实施开/关机控制。通信功能：跟一体化主监控通过CAN网络实现双向通信，实时传输数据。交流不间断输出：电力用交流不间断电源（UPS）直接挂于直流母线，正常运行时由交流输入供应负载电源，一旦交流输入消失，无延时切换到直流输入供电，UPS输出交流电，保证监控计算机、重要负荷不受影响。（2）馈线检测单元辅助报警检测：对馈出支路的开关状态和报警状态进行检测并实时在监控中显示。4 系统组成4.1 一体式主监控一体式主监控界面如图3所示。（1）功能说明内嵌32位400MHz高性能嵌入式处理器和WINCE5.0嵌入式操作系统；配备10.4英寸640480分辨率高亮度真彩TFT触摸屏；可连接充电模块、通信电源模块、逆变器、UPS模块及各种监控单元构成一体化电源系统；支持101000kV各级别变电站一体化电源系统；支持MODBUS、CDT、MODBUS-TCP及IEC61850协议。（2）具体模块示意图如图4所示。4.2 直流模块高频开关整流模块采用先进的LLC谐振软开关技术，效率高；采用无源PFC技术，功率因数高；内置完善的EMC设计，满足GB/T 19826-2005标准中EMC的相关要求；散热风扇采用温度联合电流控制模式，噪音低，风扇寿命长（见图5）。4.3 通信模块产品的设计思想紧跟时代潮流，产品的各项性能指标达到国际水平，满足20160A电源容量要求，可应用于小容量程控交换局、移动基站、卫星地球站等场合，尤其适用于农村电话支局和微波中继站的通信设备供电。模块采用立式安装方式，输入输出采用一体化航空接头，内置防反接保护，支持带电热拔插。其工作原理如图6所示。单相交流输入首先进行防雷处理和EMI滤波，然后经整流成高压直流，再通过全桥PWM电路逆变为高频交流，经高频变压器隔离降压后通过高频整流滤波成为直流电，最后，经EMI滤波和防反接保护输出。模块的外形与接口见图7.4.4 逆变模块逆变模块是把直流220V逆变为交流220V，容量一般为5kVA,为电脑计算机和应急照明供电（见图8）。5 系统应用智能一体化电源系统具有极其优秀的可扩展性能，应用范围广，可广泛应用于各类发电厂（如水电、火电、核电等）。同时还可应用于各类变电站和其它使用直流/交流不间断电源的用户，如变电站、配电站、石化、钢铁、电气化铁路、房地产等，为信号设备、保护、自动装置、事故照明及断路器分、合闸操作提供直流电源。它也同样广泛的应用于通信部门、计算机房、医院、矿井、宾馆，以及高层建筑的可靠应急直流/交流电源。根据系统容量不同，智能一体化电源系统可分别应用于10kV、35kV、66kV、110kV、220kV、500kV、750kV等变电站。5.1 应用于66kV变电站的一体化电源系统66kV变电站的一体化电源系统，属于常规配置，仅用了9面柜体，就包含了所有电源系统，每个子系统输出馈线在48路以下，电池容量为200AH.主要配置如下：（1）一体化主监控1台一体化电源主监控。（2）交流系统交流柜：采用3面柜体。交流进线监控单元：该交流系统为备自投模式，两路进线分别由#1和#3交流柜输入，#2交流柜为联络柜。配备1台交流进线监控单元，三个断路器的分合由交流进线监控单元进行控制。馈线检测单元：共46路输出馈线，3台馈线检测单元。（3）直流系统充电柜：1面柜体。模块：5台10A自冷模块。直流监控单元：1台直流监控单元。直流馈电柜：1面柜体。馈线检测单元：共42路输出馈线，3台馈线检测单元。电池柜：2面柜体。56节电池巡检单元：104节电池，2台56节电池巡检单元。（4）通信系统通信电源柜：1面柜体；模块：3台48V模块；馈线检测单元：共12路输出馈线，1台馈线检测单元。（5）逆变系统逆变电源柜：1面柜体；馈线检测单元：共12路输出馈线，1台馈线检测单元。5.2 应用于750kV变电站的一体化电源监控系统该系统较为庞大，输出馈线达到了1732路之多，配备了一百多台馈线检测单元，对整个监控系统运行能力是一个较大的考验，而本产品仍能迅速并准确的完成整个系统的监控作业。由于分电柜与一体化电源主柜间距离过远，故分电柜与主电源柜件使用光纤通讯，每组分电柜配置一台光猫（CAN光），且分电柜间光猫相互串接后引致主电源柜处光猫（光CAN）接入一体化电源通讯网。系统的主要配置如下：（1）一体化主监控1台一体化电源主监控。（2）交流系统交流电源子监控：交流电源及每组分电柜配置1台交流子监控，共6台，便于就地查看数据；交流电源柜：2面柜体，两段交流母线；交流监控单元：2台；馈线检测单元：共64路输出馈线；配备4台馈线检测单元；交流分电柜：5组，共15面柜体；馈线检测单元：每面24路输出馈线，共360路，配备20台馈线检测单元。（3）直流系统充电柜：6面柜体，该系统单母线分段系统，每段母线带一组充电机及电池，第三组充电机备用；直流监控单元：2台；直流馈电柜：4面直流馈电柜；馈线检测单元：共144路输出馈线，配备10台馈线检测单元；直流分电柜：10组，每组2面，共20面直流分电柜；馈线检测单元：每面48路输出馈线，共480路，配备60台馈线检测单元；电池巡检单元：2组电池，每组104节，配备4台电池巡检单元。（4）通信系统通信电源柜：2面；通信馈电柜：2面；馈线检测单元：共96路通信输出馈线，配备6台馈线检测单元。（5）逆变系统逆变电源柜：2面；两台逆变电源主备运行。逆变馈电柜：2面；馈线检测单元：共96路逆变输出馈线，配备6台馈线检测单元。（6）事故照明系统事故照明柜:1面；馈线检测单元：12路输出馈线；共1台馈线检测单元。6 结束语一体化电源系统是针对国家电网提出的一体化电源产品功能需求，以电源系统的网络化、智能化为目标，结合目前企业一体化电源产品的优点与不足，采用全新设计理念进行方案设计，使系统的融合度、冗余度、适应性、扩展性及统一监控性均有了很大程度提高，已达到国内领先水平。.