UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定

摘要：為了確保鐵路火車的可靠運行，需要為鐵路用電系統(tǒng)等提供可靠的電源，目前大部分鐵路系統(tǒng)已經(jīng)使用UPS為用電設(shè)備提供不間斷電源，為了實現(xiàn)對UPS運行狀況、蓄電池參數(shù)、電網(wǎng)質(zhì)量實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測，需要設(shè)計一套專門的UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)，本文就是主要介紹基于人機(jī)界面和不間斷電源UPS、ACR諧波儀表、蓄電池模塊設(shè)計實現(xiàn)的一套鐵路UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對UPS的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、旁路參數(shù)采集顯示；蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)監(jiān)測；進(jìn)線回路電壓、電流、功率、波峰系數(shù)、不平衡度數(shù)據(jù)顯示；逆變輸出的逆變器溫度、電流、逆變器狀態(tài)顯示，整個系統(tǒng)提高了鐵路電網(wǎng)用電質(zhì)量并保證了電網(wǎng)監(jiān)測管理水平^[1]，具有簡明實用優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：UPS電源監(jiān)控；蓄電池監(jiān)測；人機(jī)界面；鐵路電網(wǎng)自動監(jiān)控

0 引言

    隨著鐵路運行規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為鐵路用電設(shè)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(fù)載提供更為穩(wěn)定的電壓，一旦輸入電源中斷，可在短的時間內(nèi)開啟自身的儲備電源，向負(fù)載供電。

    隨著UPS電源的廣泛應(yīng)用，需要對UPS運行參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)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(jìn)行監(jiān)控、管理及控制，確保了UPS用電設(shè)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、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(yīng)用在鐵路中，為鐵路用電設(shè)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(shè)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(jī)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(jìn)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(dāng)前電網(wǎng)電能質(zhì)量；

參數(shù)設(shè)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(shè)置，電網(wǎng)電能參數(shù)超過系統(tǒng)設(shè)置的限值，自動發(fā)生報警指示，保證用電設(shè)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(shè)置，當(dāng)發(fā)生報警時，在人機(jī)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(jìn)行記錄顯示，便于用戶實時了解到UPS當(dāng)前運行情況，對出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時處理，保證系統(tǒng)的正常運行。

2、設(shè)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(jìn)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(shè)計滿足以下所列制造和試驗標(biāo)準(zhǔn)：

2.1參考標(biāo)準(zhǔn)

DL/T721-2000        《電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端》

JGJ/T 16-92         《建筑電氣設(shè)計規(guī)范》

GB/J63-90           《電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范》

GB/T13729-2002      《遠(yuǎn)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(yuǎn)動設(shè)備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)》

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(shè)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(shè)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(shè)置、故障記錄，拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(shè)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(fù)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(jìn)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(shè)備清單

表1 設(shè)備清單表

2.4 產(chǎn)品介紹

1. 網(wǎng)絡(luò)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(biāo)

輸入電壓額定值：AC100V、400V

電壓功耗：<0.2VA

電流額定值：AC 1A、

輸入電流過負(fù)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交流值

環(huán)境溫度：工作：-10~+55℃，存貯：-25~+70℃

頻率：50 ± 5Hz，60 ±5Hz

工頻耐壓： 2kV/1min交流值

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：0.05Hz

    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(yīng)用系統(tǒng)，由主控窗口、設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)的主框架；

    設(shè)備窗口：專門用來放置不同類型和功能的設(shè)備構(gòu)件，實現(xiàn)對外部設(shè)備的操作和控制。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件把外部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進(jìn)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(shè)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(fù)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(dāng)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(shè)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)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(shè)定的順序和條件操作任務(wù)，實現(xiàn)對外部設(shè)備工作過程的控制。

（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(xí)慣和要求；

實時性強(qiáng)、良好的并行處理性能，32位系統(tǒng)，以線程為單位對任務(wù)進(jìn)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(jī)制，可以為多個不同級別用戶設(shè)定不同操作權(quán)限；

具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行報警設(shè)置；

支持多種硬件設(shè)備。

3、系統(tǒng)功能

    上位機(jī)采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備連接、數(shù)據(jù)庫變量配置、界面設(shè)計等，完成在上位機(jī)中監(jiān)控現(xiàn)場UPS、諧波表ACR320ELH及蓄電池模塊功能。

3.1 實時顯示

    觸摸屏采集UPS1和UPS2的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等基本參數(shù)及逆變輸出、旁路運行、充放電等狀態(tài)參數(shù)，并在人機(jī)界面進(jìn)行實時刷新顯示，方便用戶及時了解電源各個

參數(shù)及工作狀態(tài)，具體數(shù)據(jù)如下圖5、6所示。

圖5  UPS1數(shù)據(jù)顯示界面

圖6  UPS2數(shù)據(jù)顯示界面

     蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測1#電池組與2#電池組的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等系列參數(shù)并顯示，如下圖7、8所示。

圖7  1#電池參數(shù)顯示界面

圖8  2#電池參數(shù)顯示界面

    電網(wǎng)參數(shù)管理界面用來顯示市電、UPS電參數(shù)電壓、電流、功率、不平衡度等參數(shù)，電網(wǎng)質(zhì)量界面顯示波峰系數(shù)、波形因子、電流系數(shù)等參數(shù)，諧波棒圖顯示電壓、電流諧波棒圖，讓用戶實時了解當(dāng)前電網(wǎng)質(zhì)量，具體界面如下圖9、10、11所示。     

圖9 電網(wǎng)參數(shù)顯示界面

圖10  電網(wǎng)質(zhì)量顯示界面   

圖11  諧波棒圖顯示界面

3.2 參數(shù)設(shè)置

    參數(shù)設(shè)置界面用來設(shè)置ACR諧波儀表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度參數(shù)設(shè)置；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(shè)置，當(dāng)電池參數(shù)超過設(shè)置的報警值，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報警，保證電池正常運行，設(shè)置參數(shù)界面如下圖12所示。

圖12 參數(shù)設(shè)置界面

3.3 故障記錄

    故障記錄主要對UPS1和UPS2運行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行記錄并實時顯示，讓用戶可以直觀的看到1#UPS和2#UPS運行故障并及時處理，界面如下圖13所示。

圖13 故障記錄界面

4 項目運行效果

    鐵路UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對UPS工作狀態(tài)監(jiān)視、運行狀態(tài)參數(shù)顯示及故障實時記錄，確保UPS用電設(shè)備安全運行，監(jiān)控各個蓄電池的充放電、旁路運行情況及蓄電池各項性能狀況，便于發(fā)現(xiàn)蓄電池在運行中的安全隱患^[3]，在輸入電源側(cè)及UPS電源輸出側(cè)接入ACR諧波儀表能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)，進(jìn)行電網(wǎng)質(zhì)量及諧波分析，整個系統(tǒng)自投入運行以來，運轉(zhuǎn)正常，收到較好的效果，一旦電網(wǎng)電源出現(xiàn)故障，UPS可在短的時間內(nèi)開啟自身的儲備電源，向負(fù)載供電，同時該系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地提供UPS電源系統(tǒng)電池組每一節(jié)電池的電壓情況，對電壓值超出額定范圍的電池進(jìn)行及時報警，使得維護(hù)人員能夠及時更換報警電池，避免了電池組失效和電池異常引起爆炸等危險情況的發(fā)生，并且保證蓄電池穩(wěn)定、可靠運行；使用該系統(tǒng)，減去了工作人員現(xiàn)場檢測每一塊電池的危險工作，也就避免了檢測單塊電池帶給工作人員的安全威脅，減輕了值班人員的壓力；同時參數(shù)設(shè)置界面，對諧波表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度，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(shè)置，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的安全運行。

5結(jié)束語

    利用UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在鐵路用電系統(tǒng)上，具有實施簡明、投資少等優(yōu)點，保證電網(wǎng)電源斷電時系統(tǒng)的正常運行，UPS監(jiān)測系統(tǒng)運行時可以方便實時地監(jiān)控UPS工作狀態(tài)監(jiān)視、運行狀態(tài)參數(shù)，蓄電池組每一節(jié)電池的電壓情況，對出現(xiàn)的故障記錄，減去了工作人員現(xiàn)場工作量，同時能夠根據(jù)諧波表ACR實時掌握電網(wǎng)電能參數(shù)、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數(shù)據(jù)、運行狀況等，對現(xiàn)場的用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、管理，提出電能管理計劃，采取措施，逐步提高鐵路用電質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1].周中等編著. 智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)產(chǎn)品選型及解決方案[M]. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2011.10

[2].昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS初級、中級教程. 2013.4

[3].方鳳玲, 李飛燦. 蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)研究[期刊論文]. 機(jī)電技術(shù). 2010.3

[4].張建民. 交流UPS供電系統(tǒng)的研究[期刊論文]. 建筑電氣. 2012.8

作者簡介：

徐霜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電機(jī)保護(hù)節(jié)能控制