UPS电源监测系统在铁路的应用


  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



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 ± 5H*********，60 ±5H*********
 
  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：0.05H*********
 
  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。