產(chǎn)品詳情
UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路的應用
0 引言
隨著鐵路運行規(guī)模的不斷擴大，為鐵路用電設備提供可靠的工作電源，對保障鐵路系統(tǒng)的安全運行有著重要意義，UPS能夠向負載提供更為穩(wěn)定的電壓，一旦輸入電源中斷，可在極短的時間內(nèi)開啟自身的儲備電源，向負載供電。
隨著UPS電源的廣泛應用，需要對UPS運行參數(shù)及狀態(tài)進行監(jiān)測，UPS監(jiān)測系統(tǒng)成為了UPS供電的重要組成部分，系統(tǒng)主要實現(xiàn)對UPS供電過程中的輸入、輸出電壓、電流、功率、頻率、不平衡度、電池容量等參數(shù)及輸出狀態(tài)、旁路運行狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、充放電狀態(tài)、市電狀態(tài)、故障狀態(tài)等實現(xiàn)監(jiān)測，同時對整個電網(wǎng)系統(tǒng)進行監(jiān)控、管理及控制，確保了UPS用電設備安全運行，減少人員現(xiàn)場工作量;蓄電池也是UPS供電較為重要的部分，因此需要對蓄電池實時在線監(jiān)測、管理，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)就是用來實現(xiàn)對各個電池組電壓、電流、溫度、電阻等運行參數(shù)、蓄電池各項性能狀況監(jiān)控，便于發(fā)現(xiàn)蓄電池在運行中的安全隱患，為蓄電池的穩(wěn)定、可靠運行提供重要保障，整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、諧波分析，為鐵路用電系統(tǒng)提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)電能。
本文以鐵路UPS監(jiān)測管理為例，提出利用觸摸屏和UPS電源、諧波表ACR及蓄電池監(jiān)測模塊等研制一套UPS監(jiān)測系統(tǒng)應用在鐵路中，為鐵路用電設備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并實現(xiàn)實時監(jiān)測、管理。
1、用戶需求
為了實現(xiàn)對鐵路UPS運行狀況、運行數(shù)據(jù)集中監(jiān)控，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)監(jiān)測管理水平，對所設計的UPS監(jiān)測系統(tǒng)提出以下需求：
實時顯示:
UPS：1#UPS、2#UPS電壓、電流、有功功率、視在功率、不平衡度等基本參數(shù)與逆變輸出狀態(tài)、旁路運行、旁路相序、整流狀態(tài)等，通過人機界面能夠?qū)崟r觀測到UPS運行參數(shù)及運行狀 況;
逆變輸出：逆變器溫度、電流狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、充電器狀態(tài)顯示，實時了解到UPS供電逆變輸出時的逆變器運行狀態(tài);
蓄電池：蓄電池組總電流、電壓、電池充放電狀態(tài)、電池連接狀態(tài)、32組電池中每節(jié)的電壓、溫度、內(nèi)阻參數(shù)，用戶通過數(shù)據(jù)顯示能清楚的了解到蓄電池工作情況;
進線回路：市電、電流、功率、功率因數(shù)、不平衡度、波峰系數(shù)、波形因子、諧波棒圖實時顯示，讓用戶實時監(jiān)測到當前電網(wǎng)電能質(zhì)量;
參數(shù)設置:
完成對ACR諧波儀表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度等參數(shù)報警值設置，電網(wǎng)電能參數(shù)超過系統(tǒng)設置的限值，自動發(fā)生報警指示，保證用電設備能夠得到高質(zhì)量電網(wǎng)電能;
蓄電池組的內(nèi)阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，當發(fā)生報警時，在人機界面直觀的顯示，為蓄電池的穩(wěn)定、可靠運行提供保障;
故障記錄:
主要實現(xiàn)對1#UPS及2#UPS運行過程中出現(xiàn)的電池未連接、無輸出等故障進行記錄顯示，便于用戶實時了解到UPS當前運行情況，對出現(xiàn)的故障進行及時處理，保證系統(tǒng)的正常運行。
2、設計方案
該項目基于用戶對UPS監(jiān)測系統(tǒng)的需求，采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC7062KX與安科瑞ACR320ELH諧波儀表、伊頓UPS、禾嘉科技蓄電池絕緣監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對UPS的輸入、輸出、旁路電壓、電流、功率、頻率、不平衡度、電池容量等參數(shù)顯示;逆變輸出的輸出狀態(tài)、旁路運行狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、充放電狀態(tài)、市電狀態(tài)、故障狀態(tài)等實現(xiàn)監(jiān)測;蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)監(jiān)測;進線回路電壓、電流、功率、波峰系數(shù)、波形因子、電流系數(shù)、不平衡度數(shù)據(jù)顯示，既能保證鐵路用電系統(tǒng)的正常運行，又能提高鐵路電網(wǎng)電能質(zhì)量。
對鐵路電網(wǎng)智能UPS監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計滿足以下所列制造和試驗標準：
2.1參考標準
DL/T721-2000 《電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端》
JGJ/T 16-92 《建筑電氣設計規(guī)范》
GB/J63-90 《電力裝置的電測量儀表裝置設計規(guī)范》
GB/T13729-2002 《遠程終端通用技術(shù)條件》
GB/50198-2011 《監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
DL/T 814-2002 《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》
DL/T634-2002 《遠動設備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準》
DL/T645-2007 《電網(wǎng)質(zhì)量管理分析》
GB/50198-2011 《監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
DL/T5003-2005 《電力系統(tǒng)調(diào)度自動化設計技術(shù)規(guī)程》
2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
為滿足鐵路UPS監(jiān)測系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控、管理要求，現(xiàn)場UPS、諧波儀表ACR及電池絕緣監(jiān)測模塊等設備通過屏蔽雙絞線連接至觸摸屏[2]，實現(xiàn)觸摸屏對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、實時顯示、參數(shù)的設置、故障記錄，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
UPS電源 ACR儀表 蓄電池監(jiān)測模塊
圖1 UPS監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖2所示，系統(tǒng)主要包括UPS1、UPS2、ACR320、濾波器、電池監(jiān)測模塊等，在電源正常供電時，系統(tǒng)從電源側(cè)將交流電源直接送到用電設備，同時通過濾波器將電網(wǎng)電源濾波送至UPS供電系統(tǒng)，經(jīng)過整流器將交流電源變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池組充電，逆變器將直流電變換成交流電，如果出現(xiàn)主輸入電源斷電，啟用UPS供電系統(tǒng)，或整流器出現(xiàn)故障，由蓄電池組逆變轉(zhuǎn)換給負載供電[4]，保證了整個系統(tǒng)的正常運行;在輸入電源側(cè)及UPS電源輸出側(cè)接入ACR諧波儀表實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)，進行電網(wǎng)質(zhì)量及諧波分析，利用觸摸屏對UPS電流、電壓，蓄電池電流、電壓，電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
2.3 主要設備清單
2.4 產(chǎn)品介紹
1. 網(wǎng)絡電力儀表
(1)產(chǎn)品外形
實物圖 尺寸圖
圖3 ACR320ELH外形圖
(2)技術(shù)指標
輸入電壓額定值：AC100V、400V
電壓功耗：<0.2VA
電流額定值：AC 1A、5A
輸入電流過負荷：1.2倍持續(xù)，瞬時10倍/10秒
電能脈沖：2路脈沖輸出，10000、40000、160000imp/kwh
工頻耐壓：2kV/1min交流有效值
環(huán)境溫度：工作：-10~+55℃，存貯：-25~+70℃
頻率：50 ± 5H*********，60 ±5H*********
工頻耐壓： 2kV/1min交流有效值
環(huán)境濕度：≤95%RH，不結(jié)露，無腐蝕性氣體場所
精度等級：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05H*********
無功電能：1級
2. UPS電源監(jiān)測軟件
(1) 軟件的組成
軟件生成的用戶應用系統(tǒng)，由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五個部分構(gòu)成，如圖4所示。
圖4 軟件組成圖
主控窗口：確定了工業(yè)控制中工程作業(yè)的總體輪廓，以及運行流程、特性參數(shù)和啟動特性等項內(nèi)容，是應用系統(tǒng)的主框架;
設備窗口：專門用來放置不同類型和功能的設備構(gòu)件，實現(xiàn)對外部設備的操作和控制。設備窗口通過設備構(gòu)件把外部設備的數(shù)據(jù)采集進來，送入實時數(shù)據(jù)庫，或把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設備;
用戶窗口：可以放置三種不同類型的圖元、圖符和動畫構(gòu)件，通過在用戶窗口內(nèi)放置不同的圖形對象，用戶可以構(gòu)造各種復雜的圖形界面，用不同方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程的“可視化”;
實時數(shù)據(jù)庫：是 MCGS 嵌入版系統(tǒng)的核心，相當于一個數(shù)據(jù)處理中心，同時也起到公共數(shù)據(jù)交換區(qū)的作用，從外部設備采集來的實時數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)其它部分操作的數(shù)據(jù)也來自于實時數(shù)據(jù)庫;
運行策略：是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)有效控制的手段，其本身是系統(tǒng)提供的一個框架，其里面放置由策略條件構(gòu)件和策略構(gòu)件組成的“策略行”，通過對運行策略的定義，使系統(tǒng)能夠按照設定的順序和條件操作任務，實現(xiàn)對外部設備工作過程的精確控制。
(2) 軟件的主要功能
簡單靈活的可視化操作界面，采用全中文、可視化的開發(fā)界面，符合使用習慣和要求;
實時性強、良好的并行處理性能，32位系統(tǒng)，以線程為單位對任務進行分時并行處理;
豐富的多媒體畫面，以圖像、圖符、報表、曲線等形式，為操作員及時提供相關(guān)信息;
提供了良好的安全機制，可以為多個不同級別用戶設定不同操作權(quán)限;
具有強大的網(wǎng)絡通訊功能;
提供多種不同的報警方式，具有豐富的報警類型，方便用戶進行報警設置;
支持多種硬件設備。
3、系統(tǒng)功能
上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏進行現(xiàn)場設備連接、數(shù)據(jù)庫變量配置、界面設計等，完成在上位機中監(jiān)控現(xiàn)場UPS、諧波表ACR320ELH及蓄電池模塊功能。
0 引言
隨著鐵路運行規(guī)模的不斷擴大，為鐵路用電設備提供可靠的工作電源，對保障鐵路系統(tǒng)的安全運行有著重要意義，UPS能夠向負載提供更為穩(wěn)定的電壓，一旦輸入電源中斷，可在極短的時間內(nèi)開啟自身的儲備電源，向負載供電。
隨著UPS電源的廣泛應用，需要對UPS運行參數(shù)及狀態(tài)進行監(jiān)測，UPS監(jiān)測系統(tǒng)成為了UPS供電的重要組成部分，系統(tǒng)主要實現(xiàn)對UPS供電過程中的輸入、輸出電壓、電流、功率、頻率、不平衡度、電池容量等參數(shù)及輸出狀態(tài)、旁路運行狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、充放電狀態(tài)、市電狀態(tài)、故障狀態(tài)等實現(xiàn)監(jiān)測，同時對整個電網(wǎng)系統(tǒng)進行監(jiān)控、管理及控制，確保了UPS用電設備安全運行，減少人員現(xiàn)場工作量;蓄電池也是UPS供電較為重要的部分，因此需要對蓄電池實時在線監(jiān)測、管理，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)就是用來實現(xiàn)對各個電池組電壓、電流、溫度、電阻等運行參數(shù)、蓄電池各項性能狀況監(jiān)控，便于發(fā)現(xiàn)蓄電池在運行中的安全隱患，為蓄電池的穩(wěn)定、可靠運行提供重要保障，整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、諧波分析，為鐵路用電系統(tǒng)提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)電能。
本文以鐵路UPS監(jiān)測管理為例，提出利用觸摸屏和UPS電源、諧波表ACR及蓄電池監(jiān)測模塊等研制一套UPS監(jiān)測系統(tǒng)應用在鐵路中，為鐵路用電設備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并實現(xiàn)實時監(jiān)測、管理。
1、用戶需求
為了實現(xiàn)對鐵路UPS運行狀況、運行數(shù)據(jù)集中監(jiān)控，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)監(jiān)測管理水平，對所設計的UPS監(jiān)測系統(tǒng)提出以下需求：
實時顯示:
UPS：1#UPS、2#UPS電壓、電流、有功功率、視在功率、不平衡度等基本參數(shù)與逆變輸出狀態(tài)、旁路運行、旁路相序、整流狀態(tài)等，通過人機界面能夠?qū)崟r觀測到UPS運行參數(shù)及運行狀 況;
逆變輸出：逆變器溫度、電流狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、充電器狀態(tài)顯示，實時了解到UPS供電逆變輸出時的逆變器運行狀態(tài);
蓄電池：蓄電池組總電流、電壓、電池充放電狀態(tài)、電池連接狀態(tài)、32組電池中每節(jié)的電壓、溫度、內(nèi)阻參數(shù)，用戶通過數(shù)據(jù)顯示能清楚的了解到蓄電池工作情況;
進線回路：市電、電流、功率、功率因數(shù)、不平衡度、波峰系數(shù)、波形因子、諧波棒圖實時顯示，讓用戶實時監(jiān)測到當前電網(wǎng)電能質(zhì)量;
參數(shù)設置:
完成對ACR諧波儀表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度等參數(shù)報警值設置，電網(wǎng)電能參數(shù)超過系統(tǒng)設置的限值，自動發(fā)生報警指示，保證用電設備能夠得到高質(zhì)量電網(wǎng)電能;
蓄電池組的內(nèi)阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，當發(fā)生報警時，在人機界面直觀的顯示，為蓄電池的穩(wěn)定、可靠運行提供保障;
故障記錄:
主要實現(xiàn)對1#UPS及2#UPS運行過程中出現(xiàn)的電池未連接、無輸出等故障進行記錄顯示，便于用戶實時了解到UPS當前運行情況，對出現(xiàn)的故障進行及時處理，保證系統(tǒng)的正常運行。
2、設計方案
該項目基于用戶對UPS監(jiān)測系統(tǒng)的需求，采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC7062KX與安科瑞ACR320ELH諧波儀表、伊頓UPS、禾嘉科技蓄電池絕緣監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對UPS的輸入、輸出、旁路電壓、電流、功率、頻率、不平衡度、電池容量等參數(shù)顯示;逆變輸出的輸出狀態(tài)、旁路運行狀態(tài)、逆變器狀態(tài)、充放電狀態(tài)、市電狀態(tài)、故障狀態(tài)等實現(xiàn)監(jiān)測;蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)監(jiān)測;進線回路電壓、電流、功率、波峰系數(shù)、波形因子、電流系數(shù)、不平衡度數(shù)據(jù)顯示，既能保證鐵路用電系統(tǒng)的正常運行，又能提高鐵路電網(wǎng)電能質(zhì)量。
對鐵路電網(wǎng)智能UPS監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計滿足以下所列制造和試驗標準：
2.1參考標準
DL/T721-2000 《電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端》
JGJ/T 16-92 《建筑電氣設計規(guī)范》
GB/J63-90 《電力裝置的電測量儀表裝置設計規(guī)范》
GB/T13729-2002 《遠程終端通用技術(shù)條件》
GB/50198-2011 《監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
DL/T 814-2002 《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》
DL/T634-2002 《遠動設備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準》
DL/T645-2007 《電網(wǎng)質(zhì)量管理分析》
GB/50198-2011 《監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
DL/T5003-2005 《電力系統(tǒng)調(diào)度自動化設計技術(shù)規(guī)程》
2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
為滿足鐵路UPS監(jiān)測系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控、管理要求，現(xiàn)場UPS、諧波儀表ACR及電池絕緣監(jiān)測模塊等設備通過屏蔽雙絞線連接至觸摸屏[2]，實現(xiàn)觸摸屏對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、實時顯示、參數(shù)的設置、故障記錄，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
UPS電源 ACR儀表 蓄電池監(jiān)測模塊
圖1 UPS監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖2所示，系統(tǒng)主要包括UPS1、UPS2、ACR320、濾波器、電池監(jiān)測模塊等，在電源正常供電時，系統(tǒng)從電源側(cè)將交流電源直接送到用電設備，同時通過濾波器將電網(wǎng)電源濾波送至UPS供電系統(tǒng)，經(jīng)過整流器將交流電源變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池組充電，逆變器將直流電變換成交流電，如果出現(xiàn)主輸入電源斷電，啟用UPS供電系統(tǒng)，或整流器出現(xiàn)故障，由蓄電池組逆變轉(zhuǎn)換給負載供電[4]，保證了整個系統(tǒng)的正常運行;在輸入電源側(cè)及UPS電源輸出側(cè)接入ACR諧波儀表實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)，進行電網(wǎng)質(zhì)量及諧波分析，利用觸摸屏對UPS電流、電壓，蓄電池電流、電壓，電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
2.3 主要設備清單
2.4 產(chǎn)品介紹
1. 網(wǎng)絡電力儀表
(1)產(chǎn)品外形
實物圖 尺寸圖
圖3 ACR320ELH外形圖
(2)技術(shù)指標
輸入電壓額定值：AC100V、400V
電壓功耗：<0.2VA
電流額定值：AC 1A、5A
輸入電流過負荷：1.2倍持續(xù)，瞬時10倍/10秒
電能脈沖：2路脈沖輸出，10000、40000、160000imp/kwh
工頻耐壓：2kV/1min交流有效值
環(huán)境溫度：工作：-10~+55℃，存貯：-25~+70℃
頻率：50 ± 5H*********，60 ±5H*********
工頻耐壓： 2kV/1min交流有效值
環(huán)境濕度：≤95%RH，不結(jié)露，無腐蝕性氣體場所
精度等級：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05H*********
無功電能：1級
2. UPS電源監(jiān)測軟件
(1) 軟件的組成
軟件生成的用戶應用系統(tǒng)，由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五個部分構(gòu)成，如圖4所示。
圖4 軟件組成圖
主控窗口：確定了工業(yè)控制中工程作業(yè)的總體輪廓，以及運行流程、特性參數(shù)和啟動特性等項內(nèi)容，是應用系統(tǒng)的主框架;
設備窗口：專門用來放置不同類型和功能的設備構(gòu)件，實現(xiàn)對外部設備的操作和控制。設備窗口通過設備構(gòu)件把外部設備的數(shù)據(jù)采集進來，送入實時數(shù)據(jù)庫，或把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設備;
用戶窗口：可以放置三種不同類型的圖元、圖符和動畫構(gòu)件，通過在用戶窗口內(nèi)放置不同的圖形對象，用戶可以構(gòu)造各種復雜的圖形界面，用不同方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和流程的“可視化”;
實時數(shù)據(jù)庫：是 MCGS 嵌入版系統(tǒng)的核心，相當于一個數(shù)據(jù)處理中心，同時也起到公共數(shù)據(jù)交換區(qū)的作用，從外部設備采集來的實時數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)其它部分操作的數(shù)據(jù)也來自于實時數(shù)據(jù)庫;
運行策略：是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)有效控制的手段，其本身是系統(tǒng)提供的一個框架，其里面放置由策略條件構(gòu)件和策略構(gòu)件組成的“策略行”，通過對運行策略的定義，使系統(tǒng)能夠按照設定的順序和條件操作任務，實現(xiàn)對外部設備工作過程的精確控制。
(2) 軟件的主要功能
簡單靈活的可視化操作界面，采用全中文、可視化的開發(fā)界面，符合使用習慣和要求;
實時性強、良好的并行處理性能，32位系統(tǒng)，以線程為單位對任務進行分時并行處理;
豐富的多媒體畫面，以圖像、圖符、報表、曲線等形式，為操作員及時提供相關(guān)信息;
提供了良好的安全機制，可以為多個不同級別用戶設定不同操作權(quán)限;
具有強大的網(wǎng)絡通訊功能;
提供多種不同的報警方式，具有豐富的報警類型，方便用戶進行報警設置;
支持多種硬件設備。
3、系統(tǒng)功能
上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏進行現(xiàn)場設備連接、數(shù)據(jù)庫變量配置、界面設計等，完成在上位機中監(jiān)控現(xiàn)場UPS、諧波表ACR320ELH及蓄電池模塊功能。
