UPS電源監測係統在鐵路的應用

趙斌

安科瑞電氣股份有限公司
，上海 嘉定

摘要：為了確保鐵路火車的可靠運行，需要為鐵路用電係統等提供可靠的電源，目前國內大部分鐵路係統已經使用UPS為用電設備提供不間斷電源，為了實現對UPS運行狀況、蓄電池參數
、電網質量實時、準確的監測，需要設計一套專門的UPS電源監測係統
，本文就是主要介紹基於人機界麵和不間斷電源UPS、ACR諧波儀表、蓄電池模塊設計實現的一套鐵路UPS電源監測係統，係統可以實現對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；進線回路電壓、電流、功率、波峰係數
、不平衡度數據顯示；逆變輸出的逆變器溫度


、電流
、逆變器狀態顯示
，整個係統提高了鐵路電網用電質量並保證了電網監測管理水平^[1]
，具有簡明實用優點。

關鍵詞：UPS電源監控
；蓄電池監測；人機界麵；鐵路電網自動監控

0 引言

    隨著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

，對保障鐵路係統的安全運行有著重要意義
，UPS能夠向負載提供更為穩定的電壓，一旦輸入電源中斷，可在極短的時間內開啟自身的儲備電源
，向負載供電。

    隨著UPS電源的廣泛應用
，需要對UPS運行參數及狀態進行監測，UPS監測係統成為了UPS供電的重要組成部分，係統主要實現對UPS供電過程中的輸入、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
、旁路運行狀態、逆變器狀態、充放電狀態、市電狀態
、故障狀態等實現監測，同時對整個電網係統進行監控、管理及控製，確保了UPS用電設備安全運行，減少人員現場工作量；蓄電池也是UPS供電較為重要的部分，因此需要對蓄電池實時在線監測、管理，蓄電池監測係統就是用來實現對各個電池組電壓、電流
、溫度、電阻等運行參數
、蓄電池各項性能狀況監控
，便於發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，整個係統能夠實現電網電能質量監測、諧波分析，為鐵路用電係統提供可靠

、優質的電網電能。

    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製一套UPS監測係統應用在鐵路中，為鐵路用電設備提供高質量電網電能並實現實時監測
、管理。

1、用戶需求

    為了實現對鐵路UPS運行狀況、運行數據集中監控
，提高電網電能質量
，保證電網監測管理水平，對所設計的UPS監測係統提出以下需求：

實時顯示:

    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、旁路運行、旁路相序、整流狀態等，通過人機界麵能夠實時觀測到UPS運行參數及運行狀 況
；

    逆變輸出：逆變器溫度、電流狀態、逆變器狀態、充電器狀態顯示，實時了解到UPS供電逆變輸出時的逆變器運行狀態；

    蓄電池：蓄電池組總電流、電壓、電池充放電狀態、電池連接狀態、32組電池中每節的電壓、溫度
、內阻參數，用戶通過數據顯示能清楚的了解到蓄電池工作情況；

    進線回路：市電、電流、功率
、功率因數
、不平衡度
、波峰係數、波形因子、諧波棒圖實時顯示，讓用戶實時監測到當前電網電能質量；

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
，電網電能參數超過係統設置的限值，自動發生報警指示
，保證用電設備能夠得到高質量電網電能；

    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
，當發生報警時，在人機界麵直觀的顯示，為蓄電池的穩定
、可靠運行提供保障
；

故障記錄:

    主要實現對1#UPS及2#UPS運行過程中出現的電池未連接
、無輸出等故障進行記錄顯示，便於用戶實時了解到UPS當前運行情況
，對出現的故障進行及時處理
，保證係統的正常運行。

2
、設計方案

    該項目基於用戶對UPS監測係統的需求，采用昆侖通態觸摸屏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、旁路運行狀態、逆變器狀態、充放電狀態
、市電狀態、故障狀態等實現監測；蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數監測；進線回路電壓
、電流
、功率
、波峰係數
、波形因子
、電流係數、不平衡度數據顯示


，既能保證鐵路用電係統的正常運行，又能提高鐵路電網電能質量。

    對鐵路電網智能UPS監測管理係統的設計滿足以下所列製造和試驗標準：

2.1參考標準

DL/T721-2000        《電網自動化係統遠方終端》

JGJ/T 16-92         《建築電氣設計規範》

GB/J63-90           《電力裝置的電測量儀表裝置設計規範》

GB/T13729-2002      《遠程終端通用技術條件》

GB/50198-2011       《監控係統工程技術規範》

DL/T 814-2002       《配電自動化係統功能規範》

DL/T634-2002        《遠動設備和係統傳輸規約基本遠動任務配套標準》

DL/T645-2007        《電網質量管理分析》

GB/50198-2011       《監控係統工程技術規範》

DL/T5003-2005       《電力係統調度自動化設計技術規程》

2.2係統結構圖

    為滿足鐵路UPS監測係統的統一監控、管理要求
，現場UPS
、諧波儀表ACR及電池絕緣監測模塊等設備通過屏蔽雙絞線連接至觸摸屏^[2]，實現觸摸屏對現場數據的采集、實時顯示、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監測係統拓撲結構圖

    係統總體架構如下圖2所示，係統主要包括UPS1、UPS2、ACR320、濾波器、電池監測模塊等，在電源正常供電時，係統從電源側將交流電源直接送到用電設備
，同時通過濾波器將電網電源濾波送至UPS供gong電dian係xi統tong，經jing過guo整zheng流liu器qi將jiang交jiao流liu電dian源yuan變bian換huan為wei直zhi流liu電dian供gong給gei逆ni變bian器qi
，同tong時shi給gei蓄xu電dian池chi組zu充chong電dian，逆ni變bian器qi將jiang直zhi流liu電dian變bian換huan成cheng交jiao流liu電dian

，如ru果guo出chu現xian主zhu輸shu入ru電dian源yuan斷duan電dian，啟qi用yongUPS供電係統，或整流器出現故障
，由蓄電池組逆變轉換給負載供電^[4]，保證了整個係統的正常運行
；在輸入電源側及UPS電源輸出側接入ACR諧波儀表實時監測電網參數

、電網質量
、諧波數據
，進行電網質量及諧波分析，利用觸摸屏對UPS電流、電壓，蓄電池電流
、電壓
，電網質量
、諧波數據實時監測，保證電網電能質量。

圖2 係統總體架構圖

2.3 主要設備清單

表1 設備清單表

2.4 產品介紹

1. 網絡電力儀表

（1）產品外形

實物圖                                  尺寸圖

圖3  ACR320ELH外形圖

（2）技術指標

輸入電壓額定值：AC100V、400V

電壓功耗：<0.2VA

電流額定值：AC 1A
、5A

輸入電流過負荷：1.2倍持續
，瞬時10倍/10秒

電能脈衝：2路脈衝輸出，10000、40000
、160000imp/kwh

工頻耐壓：2kV/1min交流有效值

環境溫度：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

環境濕度：≤95%RH，不結露，無腐蝕性氣體場所

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

     軟件生成的用戶應用係統，由主控窗口
、設備窗口、用戶窗口
、實時數據庫和運行策略五個部分構成，如圖4所示。

圖4  軟件組成圖  

     主控窗口：確定了工業控製中工程作業的總體輪廓，以及運行流程


、特性參數和啟動特性等項內容，是應用係統的主框架；

    設備窗口：專zhuan門men用yong來lai放fang置zhi不bu同tong類lei型xing和he功gong能neng的de設she備bei構gou件jian，實shi現xian對dui外wai部bu設she備bei的de操cao作zuo和he控kong製zhi。設she備bei窗chuang口kou通tong過guo設she備bei構gou件jian把ba外wai部bu設she備bei的de數shu據ju采cai集ji進jin來lai，送song入ru實shi時shi數shu據ju庫ku，或huo把ba實shi時shi數shu據ju庫ku中zhong的de數shu據ju輸shu出chu到dao外wai部bu設she備bei；

    用戶窗口：可以放置三種不同類型的圖元、圖符和動畫構件
，通過在用戶窗口內放置不同的圖形對象
，用戶可以構造各種複雜的圖形界麵，用不同方式實現數據和流程的“可視化”
；

    實時數據庫：是 MCGS 嵌qian入ru版ban係xi統tong的de核he心xin
，相xiang當dang於yu一yi個ge數shu據ju處chu理li中zhong心xin
，同tong時shi也ye起qi到dao公gong共gong數shu據ju交jiao換huan區qu的de作zuo用yong，從cong外wai部bu設she備bei采cai集ji來lai的de實shi時shi數shu據ju送song入ru實shi時shi數shu據ju庫ku
，係xi統tong其qi它ta部bu分fen操cao作zuo的de數shu據ju也ye來lai自zi於yu實shi時shi數shu據ju庫ku；

    運行策略：是對係統運行流程實現有效控製的手段
，其本身是係統提供的一個框架
，其裏麵放置由策略條件構件和策略構件組成的“策略行”，通過對運行策略的定義，使係統能夠按照設定的順序和條件操作任務，實現對外部設備工作過程的精確控製。

（2） 軟件的主要功能

簡單靈活的可視化操作界麵
，采用全中文、可視化的開發界麵，符合使用習慣和要求
；

實時性強

、良好的並行處理性能，32位係統，以線程為單位對任務進行分時並行處理；

豐富的多媒體畫麵
，以圖像

、圖符、報表、曲線等形式，為操作員及時提供相關信息
；

提供了良好的安全機製，可以為多個不同級別用戶設定不同操作權限；

具有強大的網絡通訊功能；

提供多種不同的報警方式，具有豐富的報警類型，方便用戶進行報警設置；

支持多種硬件設備。

3、係統功能

    上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX
，通過觸摸屏進行現場設備連接
、數據庫變量配置、界麵設計等，完成在上位機中監控現場UPS、諧波表ACR320ELH及蓄電池模塊功能。

3.1 實時顯示

    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、充放電等狀態參數，並在人機界麵進行實時刷新顯示，方便用戶及時了解電源各個

參數及工作狀態
，具體數據如下圖5、6所示。

圖5  UPS1數據顯示界麵

圖6  UPS2數據顯示界麵

     蓄電池監測係統主要監測1#電池組與2#電池組的電壓
、電流

、溫度、內阻等係列參數並顯示，如下圖7、8所示。

圖7  1#電池參數顯示界麵

圖8  2#電池參數顯示界麵

    電網參數管理界麵用來顯示市電

、UPS電參數電壓、電流、功率
、不平衡度等參數，電網質量界麵顯示波峰係數
、波形因子


、電流係數等參數，諧波棒圖顯示電壓
、電流諧波棒圖，讓用戶實時了解當前電網質量，具體界麵如下圖9、10、11所示。    

圖9 電網參數顯示界麵

圖10  電網質量顯示界麵  

圖11  諧波棒圖顯示界麵

3.2 參數設置

    參數設置界麵用來設置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，當電池參數超過設置的報警值
，係統自動產生報警，保證電池正常運行，設置參數界麵如下圖12所示。

圖12 參數設置界麵

3.3 故障記錄

    故障記錄主要對UPS1和UPS2運行過程中出現的故障進行記錄並實時顯示
，讓用戶可以直觀的看到1#UPS和2#UPS運行故障並及時處理，界麵如下圖13所示。

圖13 故障記錄界麵

4 項目運行效果

    鐵路UPS電源監測係統實現了對UPS工作狀態監視
、運行狀態參數顯示及故障實時記錄，確保UPS用電設備安全運行，監控各個蓄電池的充放電、旁路運行情況及蓄電池各項性能狀況，便於發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諧波儀表能夠實時監測電網參數

、電網質量、諧波數據，進行電網質量及諧波分析，整個係統自投入運行以來，運轉正常
，收到較好的效果，一旦電網電源出現故障，UPS可在極短的時間內開啟自身的儲備電源
，向負載供電，同時該係統能夠實時準確地提供UPS電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)電(dian)池(chi)組(zu)每(mei)一(yi)節(jie)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)情(qing)況(kuang)
，對(dui)電(dian)壓(ya)值(zhi)超(chao)出(chu)額(e)定(ding)範(fan)圍(wei)的(de)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)及(ji)時(shi)報(bao)警(jing)
，使(shi)得(de)維(wei)護(hu)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)及(ji)時(shi)更(geng)換(huan)報(bao)警(jing)電(dian)池(chi)，避(bi)免(mian)了(le)電(dian)池(chi)組(zu)失(shi)效(xiao)和(he)電(dian)池(chi)異(yi)常(chang)引(yin)起(qi)爆(bao)炸(zha)等(deng)危(wei)險(xian)情(qing)況(kuang)的(de)發(fa)生(sheng)

，並(bing)且(qie)保(bao)證(zheng)蓄(xu)電(dian)池(chi)穩(wen)定(ding)、可靠運行；shiyonggaixitong
，jianqulegongzuorenyuanxianchangjiancemeiyikuaidianchideweixiangongzuo，yejiubimianlejiancedankuaidianchidaigeigongzuorenyuandeanquanweixie，jianqinglezhibanrenyuandeyali；同時參數設置界麵
，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
，保證了監測係統的安全運行。

5結束語

    利用UPS電源監控係統應用在鐵路用電係統上，具有實施簡明
、投資少等顯著優點，保證電網電源斷電時係統的正常運行，UPS監測係統運行時可以方便實時地監控UPS工作狀態監視、運行狀態參數，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工作量，同時能夠根據諧波表ACR實時掌握電網電能參數、電網質量、諧波數據、運行狀況等，對現場的用電設備進行統一監控

、管理，提出電能管理計劃
，采取措施，逐步提高鐵路用電質量。

參考文獻：

[1].周中等編著. 智能電網用戶端電力監控與電能管理係統產品選型及解決方案[M]. 北京. 機械工業出版社. 2011.10

[2].昆侖通態觸摸屏MCGS初級、中級教程. 2013.4

[3].方鳳玲, 李飛燦. 蓄電池監測係統研究[期刊論文]. 機電技術. 2010.3

[4].張建民. 交流UPS供電係統的研究[期刊論文]. 建築電氣. 2012.8

作者簡介：

趙斌，男，本科
，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為醫療供配電設計，手機：，座機：，QQ:2880157852,E-mail: