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    UPS电源监测系统在铁路的应用

    陆晓君

    安科瑞电气股份有限公司,上海 嘉定

    摘要:为了确保铁路火车的可靠运行,需要为铁路用电系统等提供可靠的电源,目前国内大部分铁路系统已经使用UPS为用电设备提供不间断电源,为了实现对UPS运行状况、蓄电池参数、电网质量实时、准确的监测,需要设计一套专门的UPS电源监测系统,本文就是主要介绍基于人机界面和不间断电源UPS、ACR谐波仪表、蓄电池模块设计实现的一套铁路UPS电源监测系统,系统可以实现对UPS的输入参数、输出参数、旁路参数采集显示;蓄电池电压、充放电电流、温度等参数监测;进线回路电压、电流、功率、波峰系数、不平衡度数据显示;逆变输出的逆变器温度、电流、逆变器状态显示,整个系统提高了铁路电网用电质量并保证了电网监测管理水平[1],具有简明实用优点。

    关键词:UPS电源监控;蓄电池监测;人机界面;铁路电网自动监控

    0 引言

        随着铁路运行规模的不断扩大,为铁路用电设备提供可靠的工作电源,对保障铁路系统的安全运行有着重要意义,UPS能够向负载提供更为稳定的电压,一旦输入电源中断,可在极短的时间内开启自身的储备电源,向负载供电。

        随着UPS电源的广泛应用,需要对UPS运行参数及状态进行监测,UPS监测系统成为了UPS供电的重要组成部分,系统主要实现对UPS供电过程中的输入、输出电压、电流、功率、频率、不平衡度、电池容量等参数及输出状态、旁路运行状态、逆变器状态、充放电状态、市电状态、故障状态等实现监测,同时对整个电网系统进行监控、管理及控制,确保了UPS用电设备安全运行,减少人员现场工作量;蓄电池也是UPS供电较为重要的部分,因此需要对蓄电池实时在线监测、管理,蓄电池监测系统就是用来实现对各个电池组电压、电流、温度、电阻等运行参数、蓄电池各项性能状况监控,便于发现蓄电池在运行中的安全隐患,为蓄电池的稳定、可靠运行提供重要保障,整个系统能够实现电网电能质量监测、谐波分析,为铁路用电系统提供可靠、优质的电网电能。

        本文以铁路UPS监测管理为例,提出利用触摸屏和UPS电源、谐波表ACR及蓄电池监测模块等研制一套UPS监测系统应用在铁路中,为铁路用电设备提供高质量电网电能并实现实时监测、管理。

    1、用户需求

        为了实现对铁路UPS运行状况、运行数据集中监控,提高电网电能质量,保证电网监测管理水平,对所设计的UPS监测系统提出以下需求:

    实时显示:

        UPS:1#UPS、2#UPS电压、电流、有功功率、视在功率、不平衡度等基本参数与逆变输出状态、旁路运行、旁路相序、整流状态等,通过人机界面能够实时观测到UPS运行参数及运行状 况;

        逆变输出:逆变器温度、电流状态、逆变器状态、充电器状态显示,实时了解到UPS供电逆变输出时的逆变器运行状态;

        蓄电池:蓄电池组总电流、电压、电池充放电状态、电池连接状态、32组电池中每节的电压、温度、内阻参数,用户通过数据显示能清楚的了解到蓄电池工作情况;

        进线回路:市电、电流、功率、功率因数、不平衡度、波峰系数、波形因子、谐波棒图实时显示,让用户实时监测到当前电网电能质量;

    参数设置:

        完成对ACR谐波仪表的电流值、电压值、电压不平衡度、电流不平衡度等参数报警值设置,电网电能参数超过系统设置的限值,自动发生报警指示,保证用电设备能够得到高质量电网电能;

        蓄电池组的内阻报警值、温度报警值、高低限电压报警值设置,当发生报警时,在人机界面直观的显示,为蓄电池的稳定、可靠运行提供保障;

    故障记录:

        主要实现对1#UPS及2#UPS运行过程中出现的电池未连接、无输出等故障进行记录显示,便于用户实时了解到UPS当前运行情况,对出现的故障进行及时处理,保证系统的正常运行。

    2、设计方案

        该项目基于用户对UPS监测系统的需求,采用昆仑通态触摸屏MCGS TPC7062KX与安科瑞ACR320ELH谐波仪表、伊顿UPS、禾嘉科技蓄电池绝缘监测模块,实现对UPS的输入、输出、旁路电压、电流、功率、频率、不平衡度、电池容量等参数显示;逆变输出的输出状态、旁路运行状态、逆变器状态、充放电状态、市电状态、故障状态等实现监测;蓄电池电压、充放电电流、温度等参数监测;进线回路电压、电流、功率、波峰系数、波形因子、电流系数、不平衡度数据显示,既能保证铁路用电系统的正常运行,又能提高铁路电网电能质量。

        对铁路电网智能UPS监测管理系统的设计满足以下所列制造和试验标准:

    2.1参考标准

    DL/T721-2000        《电网自动化系统远方终端》

    JGJ/T 16-92         《建筑电气设计规范》

    GB/J63-90           《电力装置的电测量仪表装置设计规范》

    GB/T13729-2002      《远程终端通用技术条件》

    GB/50198-2011       《监控系统工程技术规范》

    DL/T 814-2002       《配电自动化系统功能规范》

    DL/T634-2002        《远动设备和系统传输规约基本远动任务配套标准》

    DL/T645-2007        《电网质量管理分析》

    GB/50198-2011       《监控系统工程技术规范》

    DL/T5003-2005       《电力系统调度自动化设计技术规程》

    2.2系统结构图

        为满足铁路UPS监测系统的统一监控、管理要求,现场UPS、谐波仪表ACR及电池绝缘监测模块等设备通过屏蔽双绞线连接至触摸屏[2],实现触摸屏对现场数据的采集、实时显示、参数的设置、故障记录,拓扑结构如图1所示。                                                     

                   

                                                          UPS电源                     ACR仪表                      蓄电池监测模块

    图1 UPS监测系统拓扑结构图

        系统总体架构如下图2所示,系统主要包括UPS1、UPS2、ACR320、滤波器、电池监测模块等,在电源正常供电时,系统从电源侧将交流电源直接送到用电设备,同时通过滤波器将电网电源滤波送至UPS供电系统,经过整流器将交流电源变换为直流电供给逆变器,同时给蓄电池组充电,逆变器将直流电变换成交流电,如果出现主输入电源断电,启用UPS供电系统,或整流器出现故障,由蓄电池组逆变转换给负载供电[4],保证了整个系统的正常运行;在输入电源侧及UPS电源输出侧接入ACR谐波仪表实时监测电网参数、电网质量、谐波数据,进行电网质量及谐波分析,利用触摸屏对UPS电流、电压,蓄电池电流、电压,电网质量、谐波数据实时监测,保证电网电能质量。

    图2 系统总体架构图

    2.3 主要设备清单

    表1 设备清单表

    序号

    名称

    型号、规格

    单位

    厂家

    1

    触摸屏

    TPC7062KX

    昆仑通态

    2

    网络电力仪表

    ACR320ELH

    安科瑞

    3

    UPS

    WP9130I3000T-XL

    伊顿

    4

    蓄电池绝缘监测模块

    HC-XDC

    禾嘉科技

    5

    软件

    UPS电源监测软件

    安科瑞

    2.4 产品介绍

    1. 网络电力仪表

    (1)产品外形

     

    实物图                                  尺寸图

    图3  ACR320ELH外形图

    (2)技术指标

    输入电压额定值:AC100V、400V

    电压功耗:<0.2VA

    电流额定值:AC 1A、5A

    输入电流过负荷:1.2倍持续,瞬时10倍/10秒

    电能脉冲:2路脉冲输出,10000、40000、160000imp/kwh

    工频耐压:2kV/1min交流有效值

    环境温度:工作:-10~+55℃,存贮:-25~+70℃

    频率:50 ± 5Hz,60 ±5Hz

    工频耐压: 2kV/1min交流有效值

    环境湿度:≤95%RH,不结露,无腐蚀性气体场所

    精度等级:电流、电压:0.2级,功率、有功电能:0.5级,频率:0.05Hz

        无功电能:1级

    2.  UPS电源监测软件

    (1) 软件的组成

         软件生成的用户应用系统,由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成,如图4所示。

    图4  软件组成图   

     

         主控窗口:确定了工业控制中工程作业的总体轮廓,以及运行流程、特性参数和启动特性等项内容,是应用系统的主框架;

        设备窗口:专门用来放置不同类型和功能的设备构件,实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来,送入实时数据库,或把实时数据库中的数据输出到外部设备;

        用户窗口:可以放置三种不同类型的图元、图符和动画构件,通过在用户窗口内放置不同的图形对象,用户可以构造各种复杂的图形界面,用不同方式实现数据和流程的“可视化”;

        实时数据库:是 MCGS 嵌入版系统的核心,相当于一个数据处理中心,同时也起到公共数据交换区的作用,从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库,系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库;

        运行策略:是对系统运行流程实现有效控制的手段,其本身是系统提供的一个框架,其里面放置由策略条件构件和策略构件组成的“策略行”,通过对运行策略的定义,使系统能够按照设定的顺序和条件操作任务,实现对外部设备工作过程的精确控制。

    (2) 软件的主要功能

    简单灵活的可视化操作界面,采用全中文、可视化的开发界面,符合使用习惯和要求;

    实时性强、良好的并行处理性能,32位系统,以线程为单位对任务进行分时并行处理;

    丰富的多媒体画面,以图像、图符、报表、曲线等形式,为操作员及时提供相关信息;

    提供了良好的安全机制,可以为多个不同级别用户设定不同操作权限;

    具有强大的网络通讯功能;

    提供多种不同的报警方式,具有丰富的报警类型,方便用户进行报警设置;

    支持多种硬件设备。

    3、系统功能

        上位机采用触摸屏MCGS TPC7062KX,通过触摸屏进行现场设备连接、数据库变量配置、界面设计等,完成在上位机中监控现场UPS、谐波表ACR320ELH及蓄电池模块功能。

    3.1 实时显示

        触摸屏采集UPS1和UPS2的电压、电流、功率、功率因数等基本参数及逆变输出、旁路运行、充放电等状态参数,并在人机界面进行实时刷新显示,方便用户及时了解电源各个

    参数及工作状态,具体数据如下图5、6所示。

    图5  UPS1数据显示界面

    图6  UPS2数据显示界面

         蓄电池监测系统主要监测1#电池组与2#电池组的电压、电流、温度、内阻等系列参数并显示,如下图7、8所示。

    图7  1#电池参数显示界面

    图8  2#电池参数显示界面

        电网参数管理界面用来显示市电、UPS电参数电压、电流、功率、不平衡度等参数,电网质量界面显示波峰系数、波形因子、电流系数等参数,谐波棒图显示电压、电流谐波棒图,让用户实时了解当前电网质量,具体界面如下图9、10、11所示。     

    图9 电网参数显示界面

    图10  电网质量显示界面   


    图11  谐波棒图显示界面

    3.2 参数设置

        参数设置界面用来设置ACR谐波仪表的电流值、电压值、电压不平衡度、电流不平衡度参数设置;蓄电池组的内阻报警值、温度报警值、高低限电压报警值设置,当电池参数超过设置的报警值,系统自动产生报警,保证电池正常运行,设置参数界面如下图12所示。

    图12 参数设置界面

    3.3 故障记录

        故障记录主要对UPS1和UPS2运行过程中出现的故障进行记录并实时显示,让用户可以直观的看到1#UPS和2#UPS运行故障并及时处理,界面如下图13所示。

    图13 故障记录界面

    4 项目运行效果

        铁路UPS电源监测系统实现了对UPS工作状态监视、运行状态参数显示及故障实时记录,确保UPS用电设备安全运行,监控各个蓄电池的充放电、旁路运行情况及蓄电池各项性能状况,便于发现蓄电池在运行中的安全隐患[3],在输入电源侧及UPS电源输出侧接入ACR谐波仪表能够实时监测电网参数、电网质量、谐波数据,进行电网质量及谐波分析,整个系统自投入运行以来,运转正常,收到较好的效果,一旦电网电源出现故障,UPS可在极短的时间内开启自身的储备电源,向负载供电,同时该系统能够实时准确地提供UPS电源系统电池组每一节电池的电压情况,对电压值超出额定范围的电池进行及时报警,使得维护人员能够及时更换报警电池,避免了电池组失效和电池异常引起爆炸等危险情况的发生,并且保证蓄电池稳定、可靠运行;使用该系统,减去了工作人员现场检测每一块电池的危险工作,也就避免了检测单块电池带给工作人员的安全威胁,减轻了值班人员的压力;同时参数设置界面,对谐波表的电流值、电压值、电压不平衡度、电流不平衡度,蓄电池组的内阻报警值、温度报警值、高低限电压报警值设置,保证了监测系统的安全运行。

    5结束语

        利用UPS电源监控系统应用在铁路用电系统上,具有实施简明、投资少等显著优点,保证电网电源断电时系统的正常运行,UPS监测系统运行时可以方便实时地监控UPS工作状态监视、运行状态参数,蓄电池组每一节电池的电压情况,对出现的故障记录,减去了工作人员现场工作量,同时能够根据谐波表ACR实时掌握电网电能参数、电网质量、谐波数据、运行状况等,对现场的用电设备进行统一监控、管理,提出电能管理计划,采取措施,逐步提高铁路用电质量。

    参考文献:

    [1].周中等编著. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10

    [2].昆仑通态触摸屏MCGS初级、中级教程. 2013.4

    [3].方凤玲, 李飞灿. 蓄电池监测系统研究[期刊论文]. 机电技术. 2010.3

    [4].张建民. 交流UPS供电系统的研究[期刊论文]. 建筑电气. 2012.8

    作者简介:

    陆晓君,女,安科瑞电气股份有限公司,主要研究方向为电机保护节能控制,手机:18702111592,座机:021-59104850,QQ:2880157865     

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