王海芹

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(chē)的可靠運行，需要為鐵路用電系統等提供可靠的電源，目前大部分鐵路系統已經(jīng)使用UPS為用電設備提供不間斷電源，為了實(shí)現對UPS運行狀況、蓄電池參數、電網(wǎng)質(zhì)量實(shí)時(shí)、準確的監測，需要設計一套專(zhuān)門(mén)的UPS電源監測系統，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(shí)現的一套鐵路UPS電源監測系統，系統可以實(shí)現對UPS的輸入參數、輸出參數、旁路參數采集顯示；蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數監測；進(jìn)線(xiàn)回路電壓、電流、功率、波峰系數、不平衡度數據顯示；逆變輸出的逆變器溫度、電流、逆變器狀態(tài)顯示，整個(gè)系統提高了鐵路電網(wǎng)用電質(zhì)量并保證了電網(wǎng)監測管理水平^[1]，具有簡(jiǎn)明實(shí)用點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：UPS電源監控；蓄電池監測；人機界面；鐵路電網(wǎng)自動(dòng)監控

0 引言

    隨著(zhù)鐵路運行規模的不斷擴大，為鐵路用電設備提供可靠的工作電源，對保障鐵路系統的安全運行有著(zhù)重要意義，UPS能夠向負載提供更為穩定的電壓，一旦輸入電源中斷，可在極短的時(shí)間內開(kāi)啟自身的儲備電源，向負載供電。

    隨著(zhù)UPS電源的廣泛應用，需要對UPS運行參數及狀態(tài)進(jìn)行監測，UPS監測系統成為了UPS供電的重要組成部分，系統主要實(shí)現對UPS供電過(guò)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(shí)現監測，同時(shí)對整個(gè)電網(wǎng)系統進(jìn)行監控、管理及控制，確保了UPS用電設備安全運行，減少人員現場(chǎng)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(shí)時(shí)在線(xiàn)監測、管理，蓄電池監測系統就是用來(lái)實(shí)現對各個(gè)電池組電壓、電流、溫度、電阻等運行參數、蓄電池各項性能狀況監控，便于發(fā)現蓄電池在運行中的安全隱患，為蓄電池的穩定、可靠運行提供重要保障，整個(gè)系統能夠實(shí)現電網(wǎng)電能質(zhì)量監測、諧波分析，為鐵路用電系統提供可靠、的電網(wǎng)電能。

    本文以鐵路UPS監測管理為例，提出利用觸摸屏和UPS電源、諧波表ACR及蓄電池監測模塊等研制一套UPS監測系統應用在鐵路中，為鐵路用電設備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并實(shí)現實(shí)時(shí)監測、管理。

1、用戶(hù)需求

    為了實(shí)現對鐵路UPS運行狀況、運行數據集中監控，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)監測管理水平，對所設計的UPS監測系統提出以下需求：

實(shí)時(shí)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與逆變輸出狀態(tài)、旁路運行、旁路相序、整流狀態(tài)等，通過(guò)人機界面能夠實(shí)時(shí)觀(guān)測到UPS運行參數及運行狀 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(shí)時(shí)了解到UPS供電逆變輸出時(shí)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組電池中每節的電壓、溫度、內阻參數，用戶(hù)通過(guò)數據顯示能清楚的了解到蓄電池工作情況；

    進(jìn)線(xiàn)回路：市電、電流、功率、功率因數、不平衡度、波峰系數、波形因子、諧波棒圖實(shí)時(shí)顯示，讓用戶(hù)實(shí)時(shí)監測到當前電網(wǎng)電能質(zhì)量；

參數設置:

    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報警值設置，電網(wǎng)電能參數超過(guò)系統設置的限值，自動(dòng)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(shí)，在人機界面直觀(guān)的顯示，為蓄電池的穩定、可靠運行提供保障；

故障記錄:

    主要實(shí)現對1#UPS及2#UPS運行過(guò)程中出現的電池未連接、無(wú)輸出等故障進(jìn)行記錄顯示，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)了解到UPS當前運行情況，對出現的故障進(jìn)行及時(shí)處理，保證系統的正常運行。

2、設計方案

    該項目基于用戶(hù)對UPS監測系統的需求，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測模塊，實(shí)現對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(shí)現監測；蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數監測；進(jìn)線(xiàn)回路電壓、電流、功率、波峰系數、波形因子、電流系數、不平衡度數據顯示，既能保證鐵路用電系統的正常運行，又能提高鐵路電網(wǎng)電能質(zhì)量。

    對鐵路電網(wǎng)智能UPS監測管理系統的設計滿(mǎn)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(dòng)化系統遠方終端》

JGJ/T 16-92         《建筑電氣設計規范》

GB/J63-90           《電力裝置的電測量?jì)x表裝置設計規范》

GB/T13729-2002      《遠程終端通用技術(shù)條件》

GB/50198-2011       《監控系統工程技術(shù)規范》

DL/T 814-2002       《配電自動(dòng)化系統功能規范》

DL/T634-2002        《遠動(dòng)設備和系統傳輸規約基本遠動(dòng)任務(wù)配套標準》

DL/T645-2007        《電網(wǎng)質(zhì)量管理分析》

GB/50198-2011       《監控系統工程技術(shù)規范》

DL/T5003-2005       《電力系統調度自動(dòng)化設計技術(shù)規程》

2.2系統結構圖

    為滿(mǎn)足鐵路UPS監測系統的統一監控、管理要求，現場(chǎng)UPS、諧波儀表ACR及電池絕緣監測模塊等設備通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)連接至觸摸屏^[2]，實(shí)現觸摸屏對現場(chǎng)數據的采集、實(shí)時(shí)顯示、參數的設置、故障記錄，拓撲結構如圖1所示。                                                     

                                                      UPS電源                     ACR儀表                      蓄電池監測模塊

圖1 UPS監測系統拓撲結構圖

    系統總體架構如下圖2所示，系統主要包括UPS1、UPS2、ACR320、濾波器、電池監測模塊等，在電源正常供電時(shí)，系統從電源側將交流電源直接送到用電設備，同時(shí)通過(guò)濾波器將電網(wǎng)電源濾波送至UPS供電系統，經(jīng)過(guò)整流器將交流電源變換為直流電供給逆變器，同時(shí)給蓄電池組充電，逆變器將直流電變換成交流電，如果出現主輸入電源斷電，啟用UPS供電系統，或整流器出現故障，由蓄電池組逆變轉換給負載供電^[4]，保證了整個(gè)系統的正常運行；在輸入電源側及UPS電源輸出側接入ACR諧波儀表實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)參數、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數據，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、諧波數據實(shí)時(shí)監測，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖2 系統總體架構圖

2.3 主要設備清單

表1 設備清單表

2.4 產(chǎn)品介紹

1. 網(wǎng)絡(luò )電力儀表

（1）產(chǎn)品外形

實(shí)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、

輸入電流過(guò)負荷：1.2倍持續，瞬時(shí)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 ± 5Hz，60 ±5Hz

工頻耐壓： 2kV/1min交流有效值

環(huán)境濕度：≤95%RH，不結露，無(wú)腐蝕性氣體場(chǎng)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(wú)功電能：1級

2.  UPS電源監測軟件

（1） 軟件的組成

     軟件生成的用戶(hù)應用系統，由主控窗口、設備窗口、用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數據庫和運行策略五個(gè)部分構成，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、特性參數和啟動(dòng)特性等項內容，是應用系統的主框架；

    設備窗口：專(zhuān)門(mén)用來(lái)放置不同類(lèi)型和功能的設備構件，實(shí)現對外部設備的操作和控制。設備窗口通過(guò)設備構件把外部設備的數據采集進(jìn)來(lái)，送入實(shí)時(shí)數據庫，或把實(shí)時(shí)數據庫中的數據輸出到外部設備；

    用戶(hù)窗口：可以放置三種不同類(lèi)型的圖元、圖符和動(dòng)畫(huà)構件，通過(guò)在用戶(hù)窗口內放置不同的圖形對象，用戶(hù)可以構造各種復雜的圖形界面，用不同方式實(shí)現數據和流程的“可視化”；

    實(shí)時(shí)數據庫：是 MCGS 嵌入版系統的核心，相當于一個(gè)數據處理中心，同時(shí)也起到公共數據交換區的作用，從外部設備采集來(lái)的實(shí)時(shí)數據送入實(shí)時(shí)數據庫，系統其它部分操作的數據也來(lái)自于實(shí)時(shí)數據庫；

    運行策略：是對系統運行流程實(shí)現有效控制的手段，其本身是系統提供的一個(gè)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(guò)對運行策略的定義，使系統能夠按照設定的順序和條件操作任務(wù)，實(shí)現對外部設備工作過(guò)程的控制。

（2） 軟件的主要功能

簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面，采用全中文、可視化的開(kāi)發(fā)界面，符合使用習慣和要求；

實(shí)時(shí)性強、良好的并行處理性能，32位系統，以線(xiàn)程為單位對任務(wù)進(jìn)行分時(shí)并行處理；

豐富的多媒體畫(huà)面，以圖像、圖符、報表、曲線(xiàn)等形式，為操作員及時(shí)提供相關(guān)信息；

提供了良好的安全機制，可以為多個(gè)不同級別用戶(hù)設定不同操作權限；

具有強大的網(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(lèi)型，方便用戶(hù)進(jìn)行報警設置；

支持多種硬件設備。

3、系統功能

    上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行現場(chǎng)設備連接、數據庫變量配置、界面設計等，完成在上位機中監控現場(chǎng)UPS、諧波表ACR320ELH及蓄電池模塊功能。

3.1 實(shí)時(shí)顯示

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

參數及工作狀態(tài)，具體數據如下圖5、6所示。

圖5  UPS1數據顯示界面

圖6  UPS2數據顯示界面

     蓄電池監測系統主要監測1#電池組與2#電池組的電壓、電流、溫度、內阻等系列參數并顯示，如下圖7、8所示。

圖7  1#電池參數顯示界面

圖8  2#電池參數顯示界面

    電網(wǎng)參數管理界面用來(lái)顯示市電、UPS電參數電壓、電流、功率、不平衡度等參數，電網(wǎng)質(zhì)量界面顯示波峰系數、波形因子、電流系數等參數，諧波棒圖顯示電壓、電流諧波棒圖，讓用戶(hù)實(shí)時(shí)了解當前電網(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 參數設置

    參數設置界面用來(lái)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，當電池參數超過(guò)設置的報警值，系統自動(dòng)產(chǎn)生報警，保證電池正常運行，設置參數界面如下圖12所示。

圖12 參數設置界面

3.3 故障記錄

    故障記錄主要對UPS1和UPS2運行過(guò)程中出現的故障進(jìn)行記錄并實(shí)時(shí)顯示，讓用戶(hù)可以直觀(guān)的看到1#UPS和2#UPS運行故障并及時(shí)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電源監測系統實(shí)現了對UPS工作狀態(tài)監視、運行狀態(tài)參數顯示及故障實(shí)時(shí)記錄，確保UPS用電設備安全運行，監控各個(gè)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(shí)時(shí)監測電網(wǎng)參數、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數據，進(jìn)行電網(wǎng)質(zhì)量及諧波分析，整個(gè)系統自投入運行以來(lái)，運轉正常，收到較好的效果，一旦電網(wǎng)電源出現故障，UPS可在極短的時(shí)間內開(kāi)啟自身的儲備電源，向負載供電，同時(shí)該系統能夠實(shí)時(shí)準確地提供UPS電源系統電池組每一節電池的電壓情況，對電壓值超出額定范圍的電池進(jìn)行及時(shí)報警，使得維護人員能夠及時(shí)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，并且保證蓄電池穩定、可靠運行；使用該系統，減去了工作人員現場(chǎng)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(shí)參數設置界面，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，保證了監測系統的安全運行。

5結束語(yǔ)

    利用UPS電源監控系統應用在鐵路用電系統上，具有實(shí)施簡(jiǎn)明、投資少等點(diǎn)，保證電網(wǎng)電源斷電時(shí)系統的正常運行，UPS監測系統運行時(shí)可以方便實(shí)時(shí)地監控UPS工作狀態(tài)監視、運行狀態(tài)參數，蓄電池組每一節電池的電壓情況，對出現的故障記錄，減去了工作人員現場(chǎng)工作量，同時(shí)能夠根據諧波表ACR實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)電能參數、電網(wǎng)質(zhì)量、諧波數據、運行狀況等，對現場(chǎng)的用電設備進(jìn)行統一監控、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：

[1].周中等編著(zhù). 智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監控與電能管理系統產(chǎn)品選型及解決方案[M]. 北京. 機械工業(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. 蓄電池監測系統研究[期刊論文]. 機電技術(shù). 2010.3

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