微機監控高頻開關直流電源RS GZDW

1.1 引言

RS GZDW系列微機監控高頻開關直流電源是我司集多年開發和設備網上運行經驗設計的高可靠產品，由高頻開關電源模塊、智能監控模塊等組成。本產品適用于電力、石化、冶金、電氣化鐵路等需要直流電源的場合,廣泛適用于發電廠、水電站以及各類變電站、開閉所和用戶變中,為斷路器分合閘及二次回路中的儀器儀表、繼電保護和故障照明提供直流電源。

1.2 系統特點

?系統全模塊化設計，簡潔、直觀，組屏方便，多臺高頻開關充電模塊并聯運行，N+1熱備份；

?超寬的電壓輸入范圍，電網適用性強，可用于環境相對惡劣的場所；

?充電模塊可帶電插拔，在線維護方便快捷；

?充電模塊智能控制，輸出電壓、電流平滑調節；自主均流，穩定性好，均流精度高（輸出電流最大不平衡度小于3%）；

?系統設計采用IEC、UL、EN等國際標準，可靠性與安全性有充分保障；

?監控系統采用觸摸屏或大屏幕液晶漢字顯示，人機界面友善、操作直觀方便；

?可通過監控模塊進行系統各部分的參數設置，界面友好操作方便；

?開放式接口設計，具有強大的通訊功能，很方便實現與變電站RTU裝置或電廠計算機監控系統DCS 相連；

?三級集散式監控系統實現對電源系統的遙測、遙控、遙信、遙調、以及無人值守；

?蓄電池自動管理及保護，實時自動監測蓄電池的端電壓、充放電電流并控制蓄電池的均充和浮充轉換，設有電池過/欠壓和充電過流聲光告警及溫度自動補償功能。

1.3 系統正常使用條件

?室內使用，且通風良好；

?運行地點無導電微?；虮ㄎｋU介質，無腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體或蒸汽，無強電磁場干擾；

?交流電網電壓波形為正弦波，電網電壓幅值的持續波動范圍不超過額定值的20％；

?交流電網頻率波動范圍不超過5％；

?使用環境溫度不低于-5℃，不高于45℃，在設備停用期間，環境溫度允許范圍：-25℃～+50℃；

?使用環境的最大相對濕度不超過90％RH（25±5℃時），且無凝露現象；

?安裝地基無振動或沖擊，垂直傾斜度不超過5%；

?海拔不超過2000m。

* 注：使用條件與上述條件不相符時，請與制造商協商解決！

 

1.4  型號說明

 

1.5 主要參數

 

1.6 外型結構

系統由充電柜、饋電柜和電池柜組成，系統容量不大于100AH 時，可采用充饋電一體柜系統，金屬安裝支架、各元器件接地點對直流設備總接地點之間電阻值不大于0.1Ω。

柜體外形基本尺寸：

?寬度尺寸B（㎜）：600、800；800；

?高度尺寸H（㎜）：1600、2260；2260；

?深度尺寸D（㎜）：600、600；800；

1.7 系統工作原理

微機監控高頻開關直流電源系統主要由交流配電單元、充電模塊、監控模塊、配電監控、降壓硅鏈（降壓單元）、直流饋電單元（包括合閘分路、控制分路）、絕緣監測等幾大部分組成。不同的接線方式有不同的輸出饋電，但基本原理是一致的，原理框圖如圖1 所示：

圖1系統原理框圖

系統的基本工作原理如下：

1. 交流輸入正常時

系統交流輸入正常時，兩路交流輸入經交流切換控制電路選擇其中一路輸入并通過交流配電單元給各個充電模塊供電。充電模塊將三相交流電轉換為220V 或110V 的直流，經隔離二極管隔離后輸出，一方面給電池充電、另一方面給負載提供正常工作電流。

監控部分采用集散方式對系統進行監測和控制，充電柜、饋電柜的運行參數、充電模塊運行參數，分別由配電監控電路和模塊監控電路采集處理，然后通過串行通訊口把處理后的信息上報給監控模塊，由監控模塊統一處理后顯示在液晶屏上同時可通過人機交互操作方式對系統進行設置和控制，若有需要還可接入遠程監控，監控模塊還能對每個充電模塊進行均/浮充控制、限流控制等以保證電池的正常充電，延長電池壽命。

2. 交流輸入停電或異常時

交流輸入停電或異常時，充電模塊停止工作，由電池給負載供電。監控模塊監測電池電壓、放電時間，當電池放電到設置的欠壓點時，監控模塊告警。交流輸入恢復正常以后充電模塊對電池充電。

系統工作時的能量流如圖2 所示：

圖2 系統能量流動圖

2.1 交流配電單元

2.1.1 交流配電的原理

圖3 交流配電原理圖

  圖3 為交流配電單元的工作原理圖,兩路動力電源,通過交流配電單元后,分別接空氣開關QF1 、QF2 ，空氣開關的額定電流根據模塊的配置類型、數量及用戶的級差配合要求進行選擇.經空氣開關后接入交流接觸器,接觸器通過機械聯鎖和電氣互鎖，防止兩路動力電源同時輸入，以保證交流供電的可靠運行。在交流線路上設有過壓保護器（GBH可選配）和D級避雷器，兩級防雷裝置可以有效地防止過電壓的沖擊，保障充電模塊正常工作。防雷裝置有告警節點輸出，它與兩路交流進線空開的故障告警信號，交流接觸器的輔助接點信號以及兩路交流輸入的電壓采樣信號等通過輸出接口與智能監控相連，由智能監控器發出各類相應的告警及指示信號。

2.1.2 防雷措施

雷擊分直擊雷和感應雷兩種,電路直接遭雷擊時,電纜中流過很大電流,同時引起幾千伏的過電壓,直接加到線路裝置和電源設備上,持續時間達若干微秒,這種雷的危害性最大；感應雷,通過雷云之間或雷云對地的放電,在附近的線纜或用電設備等導體上產生感應過電壓,危害設備的安全。

本系統具有先進的防雷裝置,所用防雷器件均為世界名牌產品,防雷線路亦嚴格按照國際電工委員會(IEC) 標準IEC1024、 IEC664 、IEC1312 及IEC61643 等進行設計與安裝，在建筑物機房等其它防雷措施按有關標準規定完成后，該電源防雷系統可將雷電的危害降低至最小。

本系統的防雷，由避雷器（C 級、D 級）和過壓保護器組成，用戶可以在電源系統交流輸入前12~25 米線路中安裝防雷裝置C 級防雷器或D 級防雷器。安裝在電源系統交流配電部分C 級防雷器的最大通流容量為40KA（D 級防雷器的最大通流容量為20KA），失效后可自動報警，它的工作狀態顯示窗口自動由綠變紅，同時由監控模塊輸出告警信號；過壓保護器盒面板上，任一綠色發光二極管熄滅時，表示已有故障，需及時排除。

2.1.3 接地

本系統的接地包括安全保護接地和防雷接地。系統安全保護接地點設在機柜底座后端，防雷接地點連接在交流配電單元的接地匯集排上，同時在每個模塊后面板裝有接地螺栓，確保模塊安全保護地與機架可靠連接。

2.2 整流單元

?由多個高頻開關電源模塊組成，模塊并聯運行，硬件自動均流，N+1冗余；

?模塊智能化設計,無需緩沖網絡,模塊支持熱插撥，擴容、維護方便。

2.2.1 工作原理

RSP-M系列電源模塊采用三相三線制(無相序要求)380VAC輸入，輸入范圍寬；無中線電流損耗，具有軟啟動功能。

三相交流輸入采用先進的尖鋒抑制器及EMI濾波，可以有效的抑制和吸收尖鋒電壓，保證模塊后級電路的安全。

由全橋整流電路將三相交流電整流為直流，再經無源PFC調整后大大提高了功率因數。經全橋PWM電路轉換為高頻交流，再經高頻變壓器隔離降壓后高頻整流輸出。

整流模塊中的脈寬調制電路（PWM）及軟開關諧振回路，可根據電網和負載的變化，自動調節高頻開關的脈沖寬度，使輸出電壓、電流在任何允許的情況下都能保持穩定。

每臺模塊具有獨立的輸出電壓調節口,可調輸出電壓(170V-320V或90V-160V），及輸出恒流調節口，模塊本身具備多重保護功能，因此該系列模塊可單機或多臺并機自控獨立安全運行，完成各種基本功能。

該系列模塊具有簡便的主回路接線端口、并機端口及模擬量0~5V調節口，可并聯組合工作，在監控器的監控下完成機架組合輸出，并與上位機實現“四遙”功能。

圖4 模塊電氣原理框圖

2.2.2 功能說明

?過壓保護功能

為防止輸出過電壓對用電設備造成災難性事故，模塊內有過壓保護電路。出現輸出過壓后，模塊自動鎖死，相應模塊故障指示燈亮，故障模塊自動退出工作而不影響整個系統正常運行，過壓保護點出廠時已定，額定輸出220V寬范圍機型設為280V±2V，窄范圍機型設為290V±2V ，額定輸出110V寬范圍機型設為145V±2V，窄范圍機型設為150V±2V，也可根據客戶要求設定該參數。

?短路保護

輸出短路時，模塊在瞬間把輸出電壓拉低為零，限制短路電流在限流點以下，此時模塊輸出功率很小，以達到保護模塊的目的。模塊長期在短路狀態下，也不會損壞，排除故障后，模塊可自動恢復工作。

?過溫保護

過溫保護主要是保護大功率變流器件，在正常工作情況下，系統設計留有足夠余量，在特殊環境下，模塊檢測散熱器溫度超過90℃時，自動關機保護，溫度降低到80℃時，模塊會自動啟動。

?過流保護

由于模塊輸出功率的限制，輸出電流不能無限增大。每個模塊輸出電流最大限制為額定輸出電流以上0.5A，在此范圍內，模塊輸出電流值連續可調。如果超負荷，模塊會自動調低輸出電壓，而不會超過設定的輸出限流點，以達到保護功率器件的目的，過流保護可自動恢復。

?模塊并聯保護

每臺模塊內部均有并聯保護電路，保證故障模塊自動退出系統時，不影響其它模塊和系統的正常工作。

?電流調節功能

在模塊的前面板有輸出電流調節電位器，在無監控集中控制時，可調節單臺模塊輸出電流值，限流點可在0.2Imax～Imax連續可調。在有監控時，限流值可由監控系統設定，電位器調節無效。

?電壓調節功能

在模塊的前面板有輸出電壓調節電位器，在無監控集中控制時，可調節單臺模塊輸出電壓值，（170V-320V或90V-160V）連續可調，在有監控時，輸出電壓由監控系統設定，電位器調節無效。

2.2.3 模塊特點

?交流寬帶輸入:  AC380V±20%；

?無級限流技術:  輸出電流可根據負載電流和蓄電池容量,手動或系統監控自動調節；

?低差自主均流電路，無需外圍電路，即可自行實現多模塊的并聯均流，更易于維護安裝；

?高效自然冷卻:  有效地保證了元器件運行的可靠性,壽命更長；.

?真正地實現N+1備份；

?較強的獨立性:  即使脫離系統監控也可單獨正常運行；

?優秀的前級識別脈寬保護電路:  加強了高頻開關電源運行可靠性；

?一體化設計，無需參數控制器；

?開環、閉環都能工作，非常靈活。

* 模塊使用及安裝，請參閱相應的模塊說明書！

2.3 直流饋電單元

2.3.1 直流饋電的原理

直流饋電單元的基本工作原理，如圖5 所示，它包括直流饋電部分，降壓硅鏈（降壓單元）、絕緣監測和閃光信號部分以及直流電壓、電流檢測部分。用戶可根據需要，靈活選擇在輸出端子排上提供一路或多路閃光信號輸出及一路絕緣監測信號輸出。

圖5 直流饋電單元電氣原理

2.3.2 直流饋電部分的特點

?各直流輸出支路采用相應規格的直流斷路器，保證在直流側故障時各支路能可靠分斷；

?各支路均配有分合指示燈，可以指示各開關狀態；

?電壓及電流信號的檢測采用帶隔離的器件或電路保證了強弱電之間的可靠隔離提高了安全性；

?蓄電池支路熔絲及各支路斷路器均可配有故障告警節點，在熔絲熔斷及斷路器脫扣時可產生告警信號。

2.3.3 直流饋電部分的監控

系統采用線性光耦器件，分別對動力母線和控制母線的電壓及蓄電池的電壓進行檢測；采用電流霍爾器件，檢測充電機總電流和蓄電池的充電、放電流，并將檢測信號送給智能監控。智能監控模塊產生各類告警信號和控制信號并對整個系統進行管理，以上所有的檢測全部采用隔離的方式，保證系統的安全性，以便防止意外事故發生。

2.3.4. 閃光回路

根據客戶需求，系統可為用戶提供一路閃光電源，其工作原理圖如圖6 所示。為了便于用戶接線系統在輸出端子排上提供了一路或多路閃光信號輸出，閃光回路的實驗按鈕和閃光指示燈安裝在前面板上，正常狀態下，閃光指示燈常亮，按下實驗按鈕時閃光指示燈即開始閃動，表明閃光信號正常。

圖6　閃光回路

2.3.5 母線絕緣監測（備選；支路絕緣監測見監控說明書）

系統采用絕緣監測繼電器，監測母線對地的絕緣，其外部接線定義如圖7 所示，繼電器動作電流可根據具體應用情況設定（0.1mA～4.8mA ）,繼電器主要由平衡電阻和檢測電路組成,按下設定鍵調節整定電位器,調整到所需的繼電器動作電流,當兩側直流母線對地電阻值相等時,沒有電流流過檢測電路,繼電器不動作,當一側絕緣電阻值下降時,有一平衡電流流過檢測電路,此時檢測電路將這一電流與設定電流值比較,大于設定值時便推動繼電器動作,發出告警信號。

圖7　絕緣監測

2.3.6 降壓單元

2.3.6.1功能及特點

   直流電源系統在對蓄電池組進行均衡充電時，充電模塊的輸出電壓會高于控制回路的額定電壓值，所以需要一個調壓裝置串接在合閘動力母線與控制母線之間，降壓硅鏈就是這樣一個調壓裝置，它可自動或手動改變電壓降，從而保證控制母線的電壓在正常范圍內。

降壓硅鏈利用大功率整流二極管的PN 結正向壓降疊加，來產生調整壓降，相比于其它形式的控制母線電壓調節方式，具有安全可靠、抗電流沖擊性好、易維護等顯著優點。

在本系統中降壓硅鏈單元為獨立模塊化設計便于安裝和維護。

2.3.6.2 工作原理

降壓硅鏈是由多只大功率硅整流管串接而成，利用PN 結基本恒定的正向壓降來產生調整電壓，通過改變串入線路的PN 結數量來獲得適當的壓降，達到電壓調節的目的。如圖8 所示將降壓硅鏈均分為5 節串聯而成，在每節兩端并聯調壓執行繼電器觸點，若驅動執行繼電器令其觸點閉合，使得該節硅鏈被短接，降壓單元的壓降減??；反之，若執行接觸器的觸點斷開，使得串入線路中的PN 結數量增加，調壓單元的壓降增加。降壓硅鏈單元內部的自動控制電路檢測控制母線的電壓，據此來驅動適當數量的執行繼電器閉合，以保證控制母線的電壓在正常范圍內。若將降壓硅鏈的控制旋鈕置于手動位置，則可由轉換開關旋鈕的不同檔位來控制執行繼電器閉合的數量，手動調節控制母線的電壓。

硅鏈中大功率硅整流二級管管芯由專用的自冷式散熱片夾持固定，確保散熱效果，允許降壓單元在大電流下連續可靠地工作。在硅鏈中還串有一支能承受高反壓的整流二極管它的作用是當經過長時間放電，動力母線電壓較低而控制母線上連接有模塊時可防止反向電流通過，拉低控制母線電壓。

 

                                       

圖8 降壓硅鏈的工作原理

2.4 監控系統

2.4.1性能及特點

監控系統是直流電源系統的控制、管理核心，電源監控系統采用分散測量和集中控制管理的集散模式，這種設計思想使系統組成、擴容方便、靈活并可減少監控系統引入的故障因素，智能監控系統，具有四遙功能（遙測、遙信、遙控、遙調）可使直流電源系統達到少人值守或無人值守。

電源監控系統主要特點有：

?以微處理器為核心的集散式測量系統對充電模塊、充/饋電柜、電池組、直流母線對地絕緣情況實施全方位監視測量控制；

?監控系統采用模塊式結構設計，每部分承擔相對獨立的工作某一部分出現故障不影響其它部分的工作，一方面提高了系統的可靠性，同時便于維護管理，使維修工作變得簡單快捷；

?電源系統擴容方便靈活；

?電源系統監控模塊提供RS-232 、RS-485 等多種通訊方式，用戶可根據需要組成多種形式的電源集中監控系統；

?開放式接口設計，可使電源系統很方便地接入到其它集中監控維護系統中；

?電源系統監控模塊采用大屏幕觸摸屏及點陣式液晶顯示器，全漢化顯示、操作簡便；

?各種狀態告警信息的顯示直觀明了，可使用戶及時準確地掌握電源系統的運行狀況。

2.4.2 工作原理

電源監控系統采用多級測量控制管理模式（見圖9 監控系統工作原理框圖），最高一級為電源系統監控后臺，電源監控后臺通過RS-232、 RS-485通訊方式與電源系統的監控模塊連接，監控模塊構成第二級測控，電源監控系統的第三級測控由各監控單元組成。

監控模塊匯集電源系統的各種數據、工作狀態，通過整理分析，實現對電源系統以及電池充放電的全自動管理。操作人員還可通過鍵盤，對充電模塊進行強制開、啟、關、停、均/浮充轉換等控制、調節充電摸塊的限流點和輸出電壓。電源集中監控維護后臺，不僅可以實時顯示當前電源系統的全部詳細數據狀態也可對電源系統發出限流、均/浮轉換、充電壓調節、充電模塊開、啟、關、停等各種控制命令。            

圖9　監控系統原理框圖

2.4.3 監控模塊的主要功能

RSP-K系列智能監控模塊，因型號不同，主要功能有所差異，敬請用戶，參閱相關型號的智能監控說明書！

2.5　智能電池管理

2.5.1 原理

　　本直流電源系統，不僅為二次設備提供不間斷直流電源，還要向斷路器分合閘線圈提供沖擊電流。電池組在直流電源系統中的地位很重要，如何維護就成為非常重要的一個問題。我公司的RSP-K系列智能監控模塊，具有電池管理系統，它采用二級監控模式能對電池的端電壓、充放電電流、電池溫度及其它參數作實時在線監測，可準確地根據電池的充放電情況，計算電池容量的變化，還能在電池放電后按用戶事先設置的條件自動轉入限流均充狀態，通過控制母線電壓，來完成電池的正常均充過程并可自動完成電池的定時均充維護、均/浮充轉換、電壓溫度補償等工作，實現了全智能化，不需任何人工干預！

電池管理的基本思想是：

?以電池組剩余容量、電池充電電流為依據，控制電池由浮充轉入均充；

?以充電電流、充電時間為依據控制電池由均充轉入浮充；

?如果系統配有溫度傳感器，電池組均/浮充電壓可根據溫度作適當補償（一般情況下溫度每升高3℃，電池組充電電壓下降1Ｖ）；

?保證負載電流基本不變，以電池電流和總負載電流作為主要參考依據，通過調節模塊輸出電壓及限流點，穩定負載電流，控制電池電流及電壓，防止電池充電過流從而延長電池使用壽命；電池管理曲線圖如圖10 所示，監控模塊設置在“自動”工作狀態，可以實施對電池的全自動管理。

圖10　閥控鉛酸蓄電池管理曲線圖

2.5.2　充電過程自動管理

　　智能監控模塊對電池的智能化管理，主要體現在以下三種工作狀態中：

1. 正常充電狀態

監控模塊自動記錄均充和浮充的開始時刻（在上電或復位初始），如果監控模塊發現均充過程尚未結束，則會繼續進行均充；如果上電或復位前是處于限流均充狀態則繼續進行限流均充；如果是處于恒壓均充狀態，則繼續進行恒壓均充；在限流均充時，當充電電壓達到恒壓均充電壓值的時候會自動轉入恒壓均充；在浮充情況下，若浮充電流大于設定值（限時電流），則監控模塊會自動控制模塊對電池組進行均充。

對電池進行均充時，充電電流應該是監控模塊設置的限流值，此階段為電池恒流充電階段，電池的電壓是隨著時間增加而增大的；當電池電壓增大到一定值時，充電進入恒壓階段；在恒壓階段，充電電流不斷減小，當充電電流減小到0.02C10A（穩流均充電流，由用戶設定）為計時點，3 小時穩流均充（時間由用戶設定）后，恒壓充電階段結束，充電電壓降低，轉入浮充狀態，至此充電過程完成。

2.定時均充狀態

用戶可選擇是否采用定時均充這種維護方式，還可對定時均充的時間間隔及每次均充的時間進行設定，一旦設定，電池管理程序就可自動計算電池定時均充的時間，以便確定在何時啟動定時均充，何時停止定時均充，所有這些操作都是自動進行的，運行維護人員可在現場通過監控模塊上的顯示來明確這一過程，也可在遠程監控中心的主機上查看這一過程，一般電池每隔30天（720小時）均充一次，特殊情況必須根據電池說明書的實際情況設置。

3.電池放電后均充狀態

交流停電后，電池組放電給設備供電，再次恢復交流供電時，若電池電流大于設定值（轉均充參考電流）則監控模塊會自動控制充電模塊進行均充。

2.5.3　電池管理的其它功能

1. 設置功能

可通過鍵盤設置電池的均/浮充電壓，用戶可根據不同型號的電池、不同的電池電壓靈活配置，極大地方便了用戶管理。設置了均/浮充電壓后，監控模塊會根據當前的均/浮充狀態，把電池端電壓調節到設定的值，需要注意的是：若此時動力母排上有模塊發生通訊中斷，則模塊進入自動保護運行模式（輸出電壓降為243V/118V ），通訊正常后可自動退出保護運行模式。

2. 溫度補償

用戶可選擇是否對均/浮充電壓進行溫度補償，并可對溫度補償中心點溫度補償系數進行設置，一旦設定，監控模塊就會根據電池柜的溫度，自動對均/浮充電壓進行調節。

3. 容量分析

用戶可設置電池的充電效率、放電特性曲線等參數來調整電池容量的計算結果，監控模塊可根據電池電流充放電狀態以及充放電系數對電池容量進行估算，并在菜單上實時顯示出來，用戶能一目了然地看到電池容量的實時變化。

4. 自動與手動控制相結合

監控模塊可在自動和手動兩種方式下工作，在自動方式下監控模塊可自動完成上述的所有功能，完全不需人工干預；在手動方式下，電池的管理交給維護人員來完成，維護人員可手動調節模塊的輸出電壓，實現電池的均/浮充轉換，通過對模塊的限流點調節，實現對電池的限流調節，此時監控模塊只通過通訊口采集各模塊的數據及配電數據，不對模塊作任何控制處理，因而不會在放電后作自動均/浮充轉換，也不會啟動定時均充，但仍可對電池的容量進行估算，由于長期均充可能導致電池壽命下降，為了防止在手動方式下，均充時間過長，監控模塊會自動監視均充時間，當均充時間，超過用戶設定的定時均充時間時，就會轉入浮充狀態。

5. 異常處理

當直流電源系統異常運行時，為了保證電池不會因過充而受損，同時兼顧到負載需求情況監控模塊會自動把電池置為浮充狀態，并打開所有模塊的限流點，直到系統恢復正常為止，這些異常情況包括母線電壓異常、通訊中斷、電池熔絲斷。

2.6 通訊電源單元(可選單元)

通訊模塊將直流電源母線電壓經過DC/DC轉換,獲得48V直流電輸出,作為通訊設備電源。

2.7 逆變單元(可選單元)

逆變模塊將直流母線電壓經過DC/AC轉換,獲得交流220V、50HZ的正弦波電源輸出，作為UPS使用。

2.8 通訊規約

?通訊物理接口：RS-485，通訊距離1000米（RS232可選）；

?RTU,CDT,MODBUS協議可選（9600波特，8位數據，奇校驗）；