電力系統(tǒng)直流電源裝置的模塊化智能設(shè)計及應用

劉石生

摘要：直流電源裝置由零件和元器件直接組合傳統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模式已不能滿足市場多樣化的需要，本著推行“標準化設(shè)計、模塊化建設(shè)”理念，提出了一種全新的模塊化、插拔式、智能化、多源直流電源系統(tǒng)的設(shè)計方案。論述了該設(shè)計方案采用集成度高、模塊化、插拔式設(shè)計，既兼顧了電力直流電源裝置配網(wǎng)自動化需求和裝置電源安全、穩(wěn)定、可靠運行的要求，實現(xiàn)高度靈活性、可靠性、安全性、節(jié)約成本，又在一定程度上降低了后期運維的難度及風險，推動新能源革命，在生態(tài)上實現(xiàn)綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展；以及模塊化插拔式設(shè)計的技術(shù)介紹和效益分析。

關(guān)鍵詞：直流電源；裝置模塊化；設(shè)計應用

一、前言

電力直流電源裝置主要應用于水力、火力發(fā)電廠，各類變配電站，為繼電器保護裝置、斷路器跳合閘、信號系統(tǒng)、直流充電機、UPS、通信、事故照明及應急電源等提供安全、可靠的工作電源，主要由蓄電池組、充電裝置、直流饋線屏、監(jiān)控系統(tǒng)（包括監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)測裝置等）、放電裝置（可選）、母線調(diào)壓裝置（可選）、直流分支饋線等部分組成，由此形成一個龐大直流電源的供電網(wǎng)絡(luò)。電力直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

傳統(tǒng)的電力直流電源裝置由零件和元器件直接組合構(gòu)成，產(chǎn)品設(shè)計也是從零件和器件設(shè)計入手，逐步完成部件及整機設(shè)計，除少量通用件外，生產(chǎn)上及技術(shù)上的繼承性甚差。按這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模式，新產(chǎn)品設(shè)計周期長，工藝裝備及生產(chǎn)準備工作量大，生產(chǎn)線需做較大調(diào)整，產(chǎn)品更新周期甚至以10年為計算單位[1-2]。這種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模式，不僅不能適應復雜產(chǎn)品和系統(tǒng)工程的需要，而且不能滿足市場需求多樣化的需要，不能適應激烈的市場競爭形勢，解決問題的出路在于對產(chǎn)品的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)模式進行改革，即運用標準化理論，用最少要素的組合來構(gòu)成最多產(chǎn)品品種的標準化設(shè)計技術(shù)，將產(chǎn)品構(gòu)成單元分成不變的通用的固定部分和為實現(xiàn)多樣化效果的變動部分，將這兩部分巧妙地組合起來構(gòu)成新產(chǎn)品或使產(chǎn)品多樣化。

本著推行“標準化設(shè)計、模塊化建設(shè)”理念，提出了一種全新的模塊化插拔式直流電源系統(tǒng)的設(shè)計方案，該設(shè)計方案既提高了電源系統(tǒng)供貨及服務(wù)質(zhì)量、改善了工程協(xié)調(diào)管理，又在一定程度上降低了后期運維的難度及風險，并且在生態(tài)上綠色環(huán)保[3-4]。

二、設(shè)計方案

（一）系統(tǒng)原理

兩路市電主備工作（可選），經(jīng)交流配電屏送入整流模塊。整流模塊的輸出經(jīng)匯流母排接入直流配電部分，直流配電提供負載輸出。監(jiān)控單元可對所有整流模塊，交、直流配電、電池等設(shè)備的各種參數(shù)、工作狀態(tài)進行自動監(jiān)測和控制，并將信息處理后顯示在其大屏幕點陣式液晶顯示器上。電源系統(tǒng)也可脫離監(jiān)控單元獨立工作，但將失去“三遙”功能[5]。后備電池系統(tǒng)的均充、浮充轉(zhuǎn)換由監(jiān)控單元控制。市電故障時，后備電池投入工作，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警。

（二）系統(tǒng)設(shè)計

電力直流電源裝置外殼采用柜式或箱式結(jié)構(gòu)，各層功能可分為電氣量采樣儀表、整流模塊、控制模塊、通信模塊板和核芯電路板，整體插拔式，結(jié)構(gòu)緊湊，各模塊之間均有屏蔽層，隔斷了相互之間的干擾，增強了抗干擾能力，具有可靠的鎖緊機構(gòu)，便于安裝維護和檢修。外殼美觀，體積小、功耗低，并具有很強的抗靜電、抗電磁干擾和抗機械振動能力，既可分布式就地安裝或掛墻安裝，也可集中組屏安裝。裝置結(jié)構(gòu)合理，便于安裝、配線和調(diào)試[6]。

配網(wǎng)自動化通信接口采用模塊化設(shè)計，主要包括RS232通信接口模塊、RS485通信接口模塊，以太網(wǎng)通信接口模塊，GPRS通信接口，藍牙通信模塊以及Wi-Fi通信模塊。通信模塊通過專用的接口與主板相連接，實現(xiàn)積木式結(jié)構(gòu)，使裝置的配網(wǎng)自動化功能具備強大的適應性，適用于各種應用場合。柜體、箱體組屏圖如圖2、圖3所示。

（三）核心部件配置設(shè)計

直流系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求靈活配置，輸出電壓有3種規(guī)格，即48V、110V、220V。系統(tǒng)采用一體化、模塊化、插拔式設(shè)計思想，由整流模塊、監(jiān)控模塊、配電饋出和電池安裝箱構(gòu)成，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、獨立構(gòu)成、可帶電熱插拔系統(tǒng)等特點。各核心部件模塊插框尺寸如圖4所示。

1.監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控模塊具有四遙接口、RS-485通信接口、MODBUS通信規(guī)約，采用4.3寸觸摸屏顯示，實現(xiàn)友好人機界面，工作參數(shù)、故障狀態(tài)一目了然。

2.整流模塊與充電模塊

充電模塊由AC/DC整流和DC/DC兩個功率部分組成，在兩功率部分之外還有輔助電源以及輸入輸出檢測保護電路[7]。

模塊效率為93%，風智冷設(shè)計，采用隔離自主均流，并機不均流度＜±3%，可保證20臺以上模塊良好并機。模塊內(nèi)置直流輸出隔離二極管，用戶無須外設(shè)。模塊具有RS-485接口，方便接入自動化系統(tǒng)進行通信。模塊為LED數(shù)碼管顯示，分別為模塊的各種信息。說明：模塊的上、下要求有良好的自然通風環(huán)境。風冷模塊的前、后要求有良好的風冷通風環(huán)境。模塊之間的均流線按照“均流+”和“均流－”直接連在一起就可實現(xiàn)模塊的自主均流。模塊之間RS-485線的A和B分別連在一起，和主監(jiān)控的下位機RS-485的A、B連接即可實現(xiàn)主監(jiān)控對模塊的自動控制[8]。

3.可帶電插拔式開關(guān)箱

開關(guān)箱采用模塊化插拔式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶要求靈活配置，可帶電熱插拔，維護簡單、便利、迅速。

（1）開關(guān)箱特點

提高系統(tǒng)的及時恢復事故能力、擴展性和靈活性，同時可隨意快速互換。

（2）開關(guān)箱尺寸

外形尺寸為88mm×200mm×200mm，重量為1.0kg（滿配置）。

4.可帶電插拔式電池箱

電池箱采用模塊化插拔式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶要求靈活配置，可帶電熱插拔，維護簡單、便利、迅速。

三、模塊化插拔式設(shè)計的技術(shù)介紹

（一）技術(shù)特點

產(chǎn)品更新?lián)Q代快；產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和性能上更為協(xié)調(diào)合理，可以縮短設(shè)計和制造周期；具有較大范圍的通用化特征，可以降低成本；維修方便，必要時可只更新模塊；產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠；模塊化設(shè)計可實現(xiàn)帶電熱插拔，平均維護時間大幅度減少。

（二）模塊化插拔式設(shè)計作用

1.系統(tǒng)的簡化

通過部件及子系統(tǒng)的標準化來簡化系統(tǒng)及復雜產(chǎn)品的構(gòu)成模式，從而達到簡化設(shè)計、縮短工程系統(tǒng)及新產(chǎn)品的開發(fā)周期目的，以適應新時代對多樣化的需求。

2.結(jié)構(gòu)的規(guī)范化與柔性化

以規(guī)范化、組合式的構(gòu)成模式實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的柔性化，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)具有靈活的可變性，提高對激烈而多變的市場競爭的適應性[9]。

3.生產(chǎn)的社會化和專業(yè)化

根據(jù)當前技術(shù)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的既高度分化又高度綜合的特點，促進生產(chǎn)的社會化和專業(yè)化，并通過信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享，減少重復勞動和無功之勞，加快新技術(shù)的擴散與運用，促進生產(chǎn)力的發(fā)展[10]。

（三）產(chǎn)品的優(yōu)勢

1.相對獨立性

可以對模塊單獨進行設(shè)計、制造、調(diào)試、修改和存儲，這便于由不同的專業(yè)化企業(yè)分別進行生產(chǎn)。

2.通用性

模塊接口部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)標準化，容易實現(xiàn)模塊間的互換，從而使模塊滿足更大數(shù)量的不同產(chǎn)品的需要[11]。

3.互換性

有利于實現(xiàn)橫系列、縱系列產(chǎn)品間的模塊通用，實現(xiàn)跨系列產(chǎn)品間的模塊通用。

四、模塊化插拔式設(shè)計的效益分析

（一）有利于提高直流電源行業(yè)的整體設(shè)計制造水平

直流電源的模塊化插拔式設(shè)計把工程設(shè)計人員從煩瑣復雜的施工圖修改中解放出來，使其能夠把精力用在對新材料、新技術(shù)、新工藝的研究上，有利于直流電源的更新?lián)Q代和技術(shù)進步，縮短產(chǎn)品設(shè)計和制造周期，大大提高工作效率和工作質(zhì)量[12]。

直流電源的模塊化插拔式制造可以提高加工廠家的專業(yè)化制造水平和批處理工藝，可以縮短制造周期和安裝時間。越來越多的設(shè)計單位和制造廠家專注于自己擅長的核心業(yè)務(wù)，把非核心業(yè)務(wù)外包，由此導致縱向集合型的生產(chǎn)鏈逐漸被一系列擁有互補性質(zhì)的核心競爭力的不同獨立實體組成的供應鏈取代，它們各自提供自己的核心產(chǎn)出，可以降低成本，為知識流動和技術(shù)創(chuàng)新提供社會平臺，促進直流電源行業(yè)設(shè)計制造水平的不斷提高[13]。

（二）有利于提高直流電源的通用性和互換性，推進直流電源的標準化、系列化

直流產(chǎn)品模塊化插拔式設(shè)計是基于已建立的通用模型系列，資源共享，繼承性強，可減少低層次的重復勞動，產(chǎn)品研發(fā)周期短；模塊經(jīng)反復使用、優(yōu)化，工藝穩(wěn)定，質(zhì)量好，可靠性高；模塊化插拔式產(chǎn)品的通用化、系列化程度高，零部件品種少，可降低全流程成本。因此，模塊化插拔式設(shè)計理念的應用，有利于直流電源的通用性和互換性，使直流電源易于維修，可以降低檢修時間和減少停電損失，提高供電質(zhì)量[14-15]。

（三）有利于提高綜合效益

通過提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量和管理水平來提高產(chǎn)品的效益比，以取得良好的綜合經(jīng)濟效益和技術(shù)效益。模塊化插拔式設(shè)計效益分析如表1所示。運行正常、準確、穩(wěn)定，并且已經(jīng)接收了大量的數(shù)據(jù)。對試運行過程中發(fā)生的問題進行了解決，滿足了用戶的需求。通過掛網(wǎng)運行，承建的平臺設(shè)計先進，質(zhì)量可靠，安全性、穩(wěn)定性、先進性、可擴展性等都能滿足現(xiàn)場運行的實際需要[16]。

五、結(jié)論

模塊化是時代的產(chǎn)物，作為一種思維方法、工作方法、設(shè)計方法和新的標準化形式，是順應當前制造系統(tǒng)的多樣化、分散化、社會化、國際化、信息化潮流的有效手段。它通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進而優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、管理體系和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)得以簡化，實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)范化與柔性化，促進生產(chǎn)的社會化和專業(yè)化，最后達到提高綜合效益的目的。模塊化是使企業(yè)走向市場的有效途徑[17-18]。

通過對直流電源柜（箱）的模塊化插拔式創(chuàng)新改造，整機采用模塊化設(shè)計，使之成為一種高度集成的產(chǎn)品，保證了保護裝置的可靠穩(wěn)定工作，實現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運行，達到經(jīng)濟高效，避免因保護裝置本身故障而造成電力事故，提高了供電的質(zhì)量，給企業(yè)的生產(chǎn)帶來了保障，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，提高人民的生活水平和生活質(zhì)量，保障現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展，推動新能源革命，促進環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。

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基金項目：中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目“多電源智能型直流電源裝置的開發(fā)及應用”（課題編號：GDKJXM20184488）

作者單位：廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局

責任編輯：尚丹