UPS电源监测系统在铁路的应用

徐霜

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。

    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

    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：

    徐霜，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<