1 前言
在電廠及變電站的二次系統(tǒng)中，為了給控制、保護、自動裝置、事故照明等設備用電，必須有可靠的直流電源。直流電源的作用是：正常時為變電站內(nèi)的斷路器提供合閘直流電源;故障時，當廠、站用電中斷的情況下，為繼電保護、斷路器跳合閘、載波通訊提供直流電源，其穩(wěn)定運行直接影響著電力系統(tǒng)的安全可靠運行。變電站直流電源主要由以下四個部分組成：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)展正以高頻開關技術為基礎，并兼?zhèn)涓哳l化、高效率、大功率、無污染和模塊等特點。在管理方式上，結合計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，形成多級計算機網(wǎng)絡的集中監(jiān)控管理系統(tǒng)。
直流電源系統(tǒng)的監(jiān)視系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，它的主要作用是把各變電站直流設備的信息上送到監(jiān)控中心以供查詢，同時各監(jiān)控中心也向各變電站發(fā)送控制命令，由系統(tǒng)執(zhí)行，還可以及時發(fā)現(xiàn)設備運行的不正常狀態(tài)，及時處理。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單元、交直流參數(shù)監(jiān)控單元、電池巡檢單元。目前各個廠家的產(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，原因是檢測方法不足，直流傳感器檢測主要是易損壞、干擾嚴重，交流傳感檢測則受分布電容的影響，且須注入一定信號;
(2)參數(shù)監(jiān)控單元主要是檢測母線電壓及電流，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)簡單檢測和直接上調(diào)，缺少自我分析和實時自我故障處理能力;
(3)各部分之間使用不同的通訊規(guī)約，使對綜自系統(tǒng)進行通訊時，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不方便，容易出錯，操作性差。
針對以上情況，我們推出了PZWG2000系列智能型觸摸屏控制直流高頻開關電源系統(tǒng)。此系統(tǒng)的信息采集及處理可就地完成，實時性強，信號不受干擾，配線靈活，組態(tài)方便，網(wǎng)絡功能強，可在線調(diào)控上傳數(shù)據(jù)，自檢功能完善，強大的多媒體及動畫功能，友好的中英文人機顯示圖界，雙重控制原理，使系統(tǒng)更具可靠等優(yōu)點。
2 系統(tǒng)構成及功能
2.1 硬件配置
PZWG2000智能型觸摸屏控制直流系統(tǒng)為模塊式結構，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)。一個完整的系統(tǒng)由五個部分組成：監(jiān)控后臺(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)、絕緣檢測單元及調(diào)壓單元。其中主控制單元即監(jiān)控后臺為本系統(tǒng)的核心部分。
2.1.1監(jiān)控后臺
監(jiān)控后臺是通過可觸摸式工控機來實現(xiàn)并作為全面管理電源系統(tǒng)運行。它可在線記錄、統(tǒng)計、分析并實時打印各種運行數(shù)據(jù)。人機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。通過串行的RS232/RS485口，與變電站內(nèi)的綜合自動化系統(tǒng)或地區(qū)調(diào)度聯(lián)系，實現(xiàn)四遙功能，即遙測、遙信、遙控及遙調(diào)功能，從而實現(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的接口部分，通過它控制充電機按最適合維護電池的充電曲線自動分階段地給電池充電，延長使用壽命。同時監(jiān)測充電機的運行狀態(tài)，在其出現(xiàn)故障時通過主控單元向操作者及上位機發(fā)出報警信號，便于管理人員及時排除故障。高頻整流模塊采用目前國際上先進的有源功率因數(shù)校正技術(PFC)和軟開關脈沖寬調(diào)制技術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 絕緣檢測單元
除可監(jiān)視母線電壓與絕緣外，還可對各直流接地支路進行判斷。絕緣檢測單元采用平衡橋及不平衡橋相結合的原理，檢測母線對地絕緣狀態(tài)，不向直流系統(tǒng)輸入信號，不受制于饋線對地電容的影響，支路檢測采用差值計算方法，可準確計算出正負母線接地阻抗。對于多條支路同時發(fā)生一點或平衡接地均可檢測出。其原理圖見圖4。
圖4 絕緣檢測單元原理框圖
2.1.4電池管理單元
可對蓄電池的各種狀態(tài)進行檢測，對蓄電池的電壓、電流、溫度及容量進行實時檢測，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和內(nèi)阻檢測相結合的方法來判斷電池是否失效。內(nèi)阻測量采用國內(nèi)首創(chuàng)、國際一流的測試方法，通過向電池組兩端注入低頻交流信息，通過科學算法，結合電壓檢測模塊的單電池采樣，巧妙地計算出每一節(jié)電池的準確內(nèi)阻。
圖5 電池管理單元
2.1.5 調(diào)壓單元
通過調(diào)壓單元將充電機的輸出電壓調(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，可靈活自動配置降壓范圍，一般設置為15V～35V可調(diào)。
整個系統(tǒng)監(jiān)測全面，各單元之間相互獨立，任何一個單元的退出都不影響其它單元的正常運行，系統(tǒng)的監(jiān)控后臺可控制和監(jiān)視整個系統(tǒng)，但各單元和監(jiān)控后臺之間也是相互獨立的，如果監(jiān)控后臺出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能維持正常供電。
2.2 軟件應用
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。軟件采用模塊化設計，融合面向?qū)ο缶幊碳夹g。該軟件運行于Windows環(huán)境下，中英文圖形智能界面，實時顯示、監(jiān)測、控制系統(tǒng)運行狀態(tài)。可實現(xiàn)全自動無人值守運行。為實現(xiàn)對上述智能直流電源硬件系統(tǒng)的有效定理，主控軟件ADS2000采用模塊化設計方法，相應的模塊主要有數(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)設置模塊
系統(tǒng)設置模塊完成出廠設置和維護設置，出廠設置由生產(chǎn)廠通過硬鍵盤進行設置，不連鍵盤不能設置;維護設置由用戶進行設置，使用軟件系統(tǒng)的軟鍵盤進行輸入，并且需要輸入維護級密碼，設置錯誤可恢復缺省設置。系統(tǒng)運行時越限語音報警，并可進行文字提示。
2.3.2 打印模塊
由運行界面中的打印按鈕調(diào)用，負責系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)以及報警信息等內(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)結構，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”三個獨立的模塊分別完成，各模塊內(nèi)部都有獨立的控制器，各單元可獨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性大大提高，三個獨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)采集和處理模塊負責通過串口接受三個單元上傳的數(shù)據(jù)，并按照各自的通訊協(xié)議進行處理，然后由數(shù)據(jù)顯示模塊加以顯示。
2.3.4通信模塊
通訊模塊將存儲文件通過MODEM傳輸?shù)街付ňW(wǎng)絡地址，ADS2000采取計算機組網(wǎng)方式，異地異域甚至可以通過Internet組網(wǎng)，軟件面向網(wǎng)絡設計，系統(tǒng)通過Windows系統(tǒng)支持的任何一種網(wǎng)絡和通訊與上位機通訊。
2.3.5 數(shù)據(jù)顯示模塊
負責為用戶輸入和數(shù)據(jù)提供友好界面，除主運行界面外，還包括直流電源系統(tǒng)圖、蓄電池監(jiān)測、絕緣監(jiān)測、系統(tǒng)設置、打印日志、歷史紀錄以及幫助等子界面。在幫助子界面中使用語言導向，可幫助用戶進行故障問題的分析及處理。
2.3.6語音報警模塊
語音報警模塊在系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，為用戶提供多媒體語音報警，提醒值班人員及時處理問題，避免重大問題的發(fā)生。
2.3.7主程序運行模塊
主程序運行模塊完成模塊的有機結合，負責軟件系統(tǒng)的運行管理。
2.4系統(tǒng)優(yōu)點
⑴直流電源系統(tǒng)可實時地將運行數(shù)據(jù)及故障記錄生成相應的文件自動存入計算機，用戶可以隨時調(diào)用。系統(tǒng)配備多媒體音箱，一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，將會啟動相應的語音報警。故障清除后音響自動解除。
⑵系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，用戶只要點擊界面上的幫助欄，即可找到故障原因及相應的處理方法，大大縮短故障排除時間，減少用戶損失。
⑶系統(tǒng)配備詳盡的資料庫，其中包含元件庫、使用說明書、圖紙庫。系統(tǒng)中所使用元件及相應型號及圖紙在庫中均可隨時查閱。方便用戶日常維護。
3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡在線化
計算機網(wǎng)絡化使傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)產(chǎn)生質(zhì)的飛越，網(wǎng)絡化大大地減少了設備連接方式，通訊智能化設備以實現(xiàn)在網(wǎng)絡環(huán)境下的產(chǎn)品在線維護及升級。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，主控制模塊將故障設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)的安全運行。同時，產(chǎn)品實現(xiàn)了在線升級，PZWG2000系統(tǒng)中配置了在線升級功能，通過網(wǎng)絡傳輸并在線下載，經(jīng)過識別后即可分別寫入各管理單元中實現(xiàn)產(chǎn)品的在線升級，減少用戶的運行成本，滿足用戶的經(jīng)濟效益最大化。
4 結束語
智能型高頻開關直流電源系統(tǒng)是變電站二次設備的生命線，直流系統(tǒng)故障直接影響到電網(wǎng)穩(wěn)定和設備安全。裝設智能型直流電源設備在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后，可實時監(jiān)控直流系統(tǒng)的運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，實現(xiàn)前瞻式管理，確保后備電源系統(tǒng)可靠、安全、高效運行，并且可以減少人工檢測因誤操作可能引起的設備損害。智能型高頻開關直流電源在線式系統(tǒng)的應用將大幅度提高直流電源設備的管理和維護。