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內容描述：
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，目前國內大部分鐵路系統(tǒng)已經(jīng)使用UPS為用電設備提供不間斷電源，為了實現(xiàn)對UPS運行狀況、蓄電池參數(shù)、電網(wǎng)質量實時、準確的監(jiān)測，需要設計一套專門的UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)
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電源產(chǎn)品分類
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UPS電源
穩(wěn)壓電源
EPS電源
變頻電源
凈化電源
特種電源
發(fā)電機組
開關電源(AC/DC)
逆變電源(DC/AC)
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電源應用分類
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通信電源
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功率器件
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測試儀器
電磁兼容
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新能源分類
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其他
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內 容：
<P align=right>徐霜 </P> <P align=right>安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 </P> <P> <STRONG>摘要：</STRONG>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，目前國內大部分鐵路系統(tǒng)已經(jīng)使用UPS為用電設備提供不間斷電源，為了實現(xiàn)對UPS運行狀況、蓄電池參數(shù)、電網(wǎng)質量實時、準確的監(jiān)測，需要設計一套專門的UPS電源監(jiān)測系統(tǒng)，本文就是主要介紹基于人機界面和不間斷電源UPS、ACR諧波儀表、蓄電池模塊設計實現(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。 </P> <P> <STRONG>0 引言 </STRONG></P> <P> 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，可在極短的時間內開啟自身的儲備電源，向負載供電。 </P> <P> 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)能夠實現(xiàn)電網(wǎng)電能質量監(jiān)測、諧波分析，為鐵路用電系統(tǒng)提供可靠、優(yōu)質的電網(wǎng)電能。 </P> <P> 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量電網(wǎng)電能并實現(xiàn)實時監(jiān)測、管理。 </P> <P> <STRONG>1、用戶需求 </STRONG></P> <P> 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： </P> <P> <STRONG>實時顯示: </STRONG></P> <P> 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，通過人機界面能夠實時觀測到UPS運行參數(shù)及運行狀 況； </P> <P> 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)； </P> <P> 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； </P> <P> 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)電能質量； </P> <P> <STRONG>參數(shù)設置: </STRONG></P> <P> 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量電網(wǎng)電能； </P> <P> 蓄電池組的內阻報警值、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； </P> <P> <STRONG>故障記錄: </STRONG></P> <P> 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。 </P> <P> <STRONG>2、設計方案 </STRONG></P> <P> 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)電能質量。 </P> <P> 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： </P> <P> 2.1參考標準 </P> <P> DL/T721-2000 《電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端》 </P> <P> JGJ/T 16-92 《建筑電氣設計規(guī)范》 </P> <P> GB/J63-90 《電力裝置的電測量儀表裝置設計規(guī)范》 </P> <P> GB/T13729-2002 《遠程終端通用技術條件》 </P> <P> GB/50198-2011 《監(jiān)控系統(tǒng)工程技術規(guī)范》 </P> <P> DL/T 814-2002 《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》 </P> <P> 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》 </P> <P> DL/T645-2007 《電網(wǎng)質量管理分析》 </P> <P> GB/50198-2011 《監(jiān)控系統(tǒng)工程技術規(guī)范》 </P> <P> DL/T5003-2005 《電力系統(tǒng)調度自動化設計技術規(guī)程》 </P> <P> <STRONG>2.2系統(tǒng)結構圖 </STRONG></P> <P> 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，拓撲結構如圖1所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=UPS監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結構圖 src="/uploadfile/newspic/20141226112218521.jpg"></P> <P align=center>UPS電源 ACR儀表 蓄電池監(jiān)測模塊 </P> <P align=center>圖1 UPS監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結構圖 {$page$}</P> <P> 系統(tǒng)總體架構如下圖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；在輸入電源側及UPS電源輸出側接入ACR諧波儀表實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)質量、諧波數(shù)據(jù)，進行電網(wǎng)質量及諧波分析，利用觸摸屏對UPS電流、電壓，蓄電池電流、電壓，電網(wǎng)質量、諧波數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，保證電網(wǎng)電能質量。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt="系統(tǒng)總體架構圖 " src="/uploadfile/newspic/20141226112235470.jpg"></P> <P align=center>圖2 系統(tǒng)總體架構圖 </P> <P> <STRONG>2.3 主要設備清單</STRONG> </P> <P> 表1 設備清單表 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=設備清單表 src="/uploadfile/newspic/20141226112255637.jpg"></P> <P> <STRONG>2.4 產(chǎn)品介紹 </STRONG></P> <P> <STRONG>1. 網(wǎng)絡電力儀表 </STRONG></P> <P> （1）產(chǎn)品外形 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=ACR320ELH外形圖 src="/uploadfile/newspic/20141226112336959.jpg"></P> <P align=center>實物圖 尺寸圖 </P> <P align=center>圖3 ACR320ELH外形圖 </P> <P> （2）技術指標 </P> <P> 輸入電壓額定值：AC100V、400V </P> <P> 電壓功耗：<0.2VA </P> <P> 電流額定值：AC 1A、5A </P> <P> 輸入電流過負荷：1.2倍持續(xù)，瞬時10倍/10秒 </P> <P> 電能脈沖：2路脈沖輸出，10000、40000、160000imp/kwh </P> <P> 工頻耐壓：2kV/1min交流有效值 </P> <P> 環(huán)境溫度：工作：-10~+55℃，存貯：-25~+70℃ 頻率：50 ± 5Hz，60 ±5Hz </P> <P> 工頻耐壓： 2kV/1min交流有效值 </P> <P> 環(huán)境濕度：≤95%RH，不結露，無腐蝕性氣體場所 </P> <P> 精度等級：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05Hz </P> <P> 無功電能：1級 </P> <P> <STRONG>2. UPS電源監(jiān)測軟件 </STRONG></P> <P> （1） 軟件的組成 </P> <P> 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成，如圖4所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt="軟件組成圖 " src="/uploadfile/newspic/20141226112451907.jpg"></P> <P align=center>圖4 軟件組成圖 </P> <P> 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)和啟動特性等項內容，是應用系統(tǒng)的主框架； </P> <P> 設備窗口：專門用來放置不同類型和功能的設備構件，實現(xiàn)對外部設備的操作和控制。設備窗口通過設備構件把外部設備的數(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； </P> <P> 用戶窗口：可以放置三種不同類型的圖元、圖符和動畫構件，通過在用戶窗口內放置不同的圖形對象，用戶可以構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”； </P> <P> 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； </P> <P> 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件和策略構件組成的“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。 </P> <P> （2） 軟件的主要功能 </P> <P> 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； </P> <P> 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； </P> <P> 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信息； </P> <P> 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限； </P> <P> 具有強大的網(wǎng)絡通訊功能； </P> <P> 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； </P> <P> 支持多種硬件設備。 {$page$}</P> <P> <STRONG>3、系統(tǒng)功能 </STRONG></P> <P> 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。 </P> <P> <STRONG>3.1 實時顯示 </STRONG></P> <P> 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)，并在人機界面進行實時刷新顯示，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。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=UPS1數(shù)據(jù)顯示界面 src="/uploadfile/newspic/20141226112608597.jpg"></P> <P align=center>圖5 UPS1數(shù)據(jù)顯示界面 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=PS2數(shù)據(jù)顯示界面 src="/uploadfile/newspic/20141226112648960.jpg"></P> <P align=center>圖6 UPS2數(shù)據(jù)顯示界面 </P> <P> 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、內阻等系列參數(shù)并顯示，如下圖7、8所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=1#電池參數(shù)顯示界面 src="/uploadfile/newspic/20141226112707388.jpg"></P> <P align=center>圖7 1#電池參數(shù)顯示界面 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=2#電池參數(shù)顯示界面 src="/uploadfile/newspic/20141226112718781.jpg"></P> <P align=center>圖8 2#電池參數(shù)顯示界面 </P> <P> 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，讓用戶實時了解當前電網(wǎng)質量，具體界面如下圖9、10、11所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt="電網(wǎng)參數(shù)顯示界面 " src="/uploadfile/newspic/20141226112742819.jpg"></P> <P align=center>圖9 電網(wǎng)參數(shù)顯示界面 {$page$}</P> <P align=center><IMG border=0 alt="電網(wǎng)質量顯示界面 " src="/uploadfile/newspic/20141226112912128.jpg"></P> <P align=center>圖10 電網(wǎng)質量顯示界面 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=諧波棒圖顯示界面 src="/uploadfile/newspic/20141226112921959.jpg"></P> <P align=center>圖11 諧波棒圖顯示界面 </P> <P> <STRONG>3.2 參數(shù)設置 </STRONG></P> <P> 參數(shù)設置界面用來設置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)設置；蓄電池組的內阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，當電池參數(shù)超過設置的報警值，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報警，保證電池正常運行，設置參數(shù)界面如下圖12所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt="參數(shù)設置界面 " src="/uploadfile/newspic/20141226112946882.jpg"></P> <P align=center>圖12 參數(shù)設置界面 </P> <P> <STRONG>3.3 故障記錄</STRONG> </P> <P> 故障記錄主要對UPS1和UPS2運行過程中出現(xiàn)的故障進行記錄并實時顯示，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。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=故障記錄界面 src="/uploadfile/newspic/20141226113007435.jpg"></P> <P align=center>圖13 故障記錄界面 </P> <P> <STRONG>4 項目運行效果 </STRONG></P> <P> 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]，在輸入電源側及UPS電源輸出側接入ACR諧波儀表能夠實時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)質量、諧波數(shù)據(jù)，進行電網(wǎng)質量及諧波分析，整個系統(tǒng)自投入運行以來，運轉正常，收到較好的效果，一旦電網(wǎng)電源出現(xiàn)故障，UPS可在極短的時間內開啟自身的儲備電源，向負載供電，同時該系統(tǒng)能夠實時準確地提供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行及時報警，使得維護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，蓄電池組的內阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的安全運行。 </P> <P> <STRONG>5結束語 </STRONG></P> <P> 利用UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)應用在鐵路用電系統(tǒng)上，具有實施簡明、投資少等顯著優(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)質量、諧波數(shù)據(jù)、運行狀況等，對現(xiàn)場的用電設備進行統(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量。 </P> <P> <STRONG>參考文獻：</STRONG> </P> <P> [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. 機械工業(yè)出版社. 2011.10 </P> <P> [2].昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS初級、中級教程. 2013.4 </P> <P> [3].方鳳玲, 李飛燦. 蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)研究[期刊論文]. 機電技術. 2010.3 </P> <P> [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 </P> <P> <STRONG>作者簡介：</STRONG> </P> <P> 徐霜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電機保護節(jié)能控制<SPAN style="FONT-FAMILY: Webdings"><</SPAN></P>