电力系统直流电源装置的模块化智能设计及应用

刘石生

摘要：直流电源装置由零件和元器件直接组合传统的产品结构模式已不能满足市场多样化的需要，本着推行“标准化设计、模块化建设”理念，提出了一种全新的模块化、插拔式、智能化、多源直流电源系统的设计方案。论述了该设计方案采用集成度高、模块化、插拔式设计，既兼顾了电力直流电源装置配网自动化需求和装置电源安全、稳定、可靠运行的要求，实现高度灵活性、可靠性、安全性、节约成本，又在一定程度上降低了后期运维的难度及风险，推动新能源革命，在生态上实现绿色环保与可持续发展；以及模块化插拔式设计的技术介绍和效益分析。

关键词：直流电源；装置模块化；设计应用

一、前言

电力直流电源装置主要应用于水力、火力发电厂，各类变配电站，为继电器保护装置、断路器跳合闸、信号系统、直流充电机、UPS、通信、事故照明及应急电源等提供安全、可靠的工作电源，主要由蓄电池组、充电装置、直流馈线屏、监控系统（包括监控装置、绝缘监测装置等）、放电装置（可选）、母线调压装置（可选）、直流分支馈线等部分组成，由此形成一个庞大直流电源的供电网络。电力直流系统结构框图如图1所示。

传统的电力直流电源装置由零件和元器件直接组合构成，产品设计也是从零件和器件设计入手，逐步完成部件及整机设计，除少量通用件外，生产上及技术上的继承性甚差。按这种产品结构模式，新产品设计周期长，工艺装备及生产准备工作量大，生产线需做较大调整，产品更新周期甚至以10年为计算单位[1-2]。这种产品的结构模式，不仅不能适应复杂产品和系统工程的需要，而且不能满足市场需求多样化的需要，不能适应激烈的市场竞争形势，解决问题的出路在于对产品的构成和结构模式进行改革，即运用标准化理论，用最少要素的组合来构成最多产品品种的标准化设计技术，将产品构成单元分成不变的通用的固定部分和为实现多样化效果的变动部分，将这两部分巧妙地组合起来构成新产品或使产品多样化。

本着推行“标准化设计、模块化建设”理念，提出了一种全新的模块化插拔式直流电源系统的设计方案，该设计方案既提高了电源系统供货及服务质量、改善了工程协调管理，又在一定程度上降低了后期运维的难度及风险，并且在生态上绿色环保[3-4]。

二、设计方案

（一）系统原理

两路市电主备工作（可选），经交流配电屏送入整流模块。整流模块的输出经汇流母排接入直流配电部分，直流配电提供负载输出。监控单元可对所有整流模块，交、直流配电、电池等设备的各种参数、工作状态进行自动监测和控制，并将信息处理后显示在其大屏幕点阵式液晶显示器上。电源系统也可脱离监控单元独立工作，但将失去“三遥”功能[5]。后备电池系统的均充、浮充转换由监控单元控制。市电故障时，后备电池投入工作，系统发出声光报警。

（二）系统设计

电力直流电源装置外壳采用柜式或箱式结构，各层功能可分为电气量采样仪表、整流模块、控制模块、通信模块板和核芯电路板，整体插拔式，结构紧凑，各模块之间均有屏蔽层，隔断了相互之间的干扰，增强了抗干扰能力，具有可靠的锁紧机构，便于安装维护和检修。外壳美观，体积小、功耗低，并具有很强的抗静电、抗电磁干扰和抗机械振动能力，既可分布式就地安装或挂墙安装，也可集中组屏安装。装置结构合理，便于安装、配线和调试[6]。

配网自动化通信接口采用模块化设计，主要包括RS232通信接口模块、RS485通信接口模块，以太网通信接口模块，GPRS通信接口，蓝牙通信模块以及Wi-Fi通信模块。通信模块通过专用的接口与主板相连接，实现积木式结构，使装置的配网自动化功能具备强大的适应性，适用于各种应用场合。柜体、箱体组屏图如图2、图3所示。

（三）核心部件配置设计

直流系统可根据用户要求灵活配置，输出电压有3种规格，即48V、110V、220V。系统采用一体化、模块化、插拔式设计思想，由整流模块、监控模块、配电馈出和电池安装箱构成，具有体积小、结构简单、独立构成、可带电热插拔系统等特点。各核心部件模块插框尺寸如图4所示。

1.监控系统

监控模块具有四遥接口、RS-485通信接口、MODBUS通信规约，采用4.3寸触摸屏显示，实现友好人机界面，工作参数、故障状态一目了然。

2.整流模块与充电模块

充电模块由AC/DC整流和DC/DC两个功率部分组成，在两功率部分之外还有辅助电源以及输入输出检测保护电路[7]。

模块效率为93%，风智冷设计，采用隔离自主均流，并机不均流度＜±3%，可保证20台以上模块良好并机。模块内置直流输出隔离二极管，用户无须外设。模块具有RS-485接口，方便接入自动化系统进行通信。模块为LED数码管显示，分别为模块的各种信息。说明：模塊的上、下要求有良好的自然通风环境。风冷模块的前、后要求有良好的风冷通风环境。模块之间的均流线按照“均流+”和“均流－”直接连在一起就可实现模块的自主均流。模块之间RS-485线的A和B分别连在一起，和主监控的下位机RS-485的A、B连接即可实现主监控对模块的自动控制[8]。

3.可带电插拔式开关箱

开关箱采用模块化插拔式结构，可根据用户要求灵活配置，可带电热插拔，维护简单、便利、迅速。

（1）开关箱特点

提高系统的及时恢复事故能力、扩展性和灵活性，同时可随意快速互换。

（2）开关箱尺寸

外形尺寸为88mm×200mm×200mm，重量为1.0kg（满配置）。

4.可带电插拔式电池箱

电池箱采用模块化插拔式结构，可根据用户要求灵活配置，可带电热插拔，维护简单、便利、迅速。

三、模块化插拔式设计的技术介绍

（一）技术特点

产品更新换代快；产品在结构和性能上更为协调合理，可以缩短设计和制造周期；具有较大范围的通用化特征，可以降低成本；维修方便，必要时可只更新模块；产品性能稳定可靠；模块化设计可实现带电热插拔，平均维护时间大幅度减少。

（二）模块化插拔式设计作用

1.系统的简化

通过部件及子系统的标准化来简化系统及复杂产品的构成模式，从而达到简化设计、缩短工程系统及新产品的开发周期目的，以适应新时代对多样化的需求。

2.结构的规范化与柔性化

以规范化、组合式的构成模式实现整体结构构成的柔性化，使产品结构、生产结构具有灵活的可变性，提高对激烈而多变的市场竞争的适应性[9]。

3.生产的社会化和专业化

根据当前技术和产业结构的既高度分化又高度综合的特点，促进生产的社会化和专业化，并通过信息网络，实现资源共享，减少重复劳动和无功之劳，加快新技术的扩散与运用，促进生产力的发展[10]。

（三）产品的优势

1.相对独立性

可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由不同的专业化企业分别进行生产。

2.通用性

模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块满足更大數量的不同产品的需要[11]。

3.互换性

有利于实现横系列、纵系列产品间的模块通用，实现跨系列产品间的模块通用。

四、模块化插拔式设计的效益分析

（一）有利于提高直流电源行业的整体设计制造水平

直流电源的模块化插拔式设计把工程设计人员从烦琐复杂的施工图修改中解放出来，使其能够把精力用在对新材料、新技术、新工艺的研究上，有利于直流电源的更新换代和技术进步，缩短产品设计和制造周期，大大提高工作效率和工作质量[12]。

直流电源的模块化插拔式制造可以提高加工厂家的专业化制造水平和批处理工艺，可以缩短制造周期和安装时间。越来越多的设计单位和制造厂家专注于自己擅长的核心业务，把非核心业务外包，由此导致纵向集合型的生产链逐渐被一系列拥有互补性质的核心竞争力的不同独立实体组成的供应链取代，它们各自提供自己的核心产出，可以降低成本，为知识流动和技术创新提供社会平台，促进直流电源行业设计制造水平的不断提高[13]。

（二）有利于提高直流电源的通用性和互换性，推进直流电源的标准化、系列化

直流产品模块化插拔式设计是基于已建立的通用模型系列，资源共享，继承性强，可减少低层次的重复劳动，产品研发周期短；模块经反复使用、优化，工艺稳定，质量好，可靠性高；模块化插拔式产品的通用化、系列化程度高，零部件品种少，可降低全流程成本。因此，模块化插拔式设计理念的应用，有利于直流电源的通用性和互换性，使直流电源易于维修，可以降低检修时间和减少停电损失，提高供电质量[14-15]。

（三）有利于提高综合效益

通过提高生产效率、质量和管理水平来提高产品的效益比，以取得良好的综合经济效益和技术效益。模块化插拔式设计效益分析如表1所示。运行正常、准确、稳定，并且已经接收了大量的数据。对试运行过程中发生的问题进行了解决，满足了用户的需求。通过挂网运行，承建的平台设计先进，质量可靠，安全性、稳定性、先进性、可扩展性等都能满足现场运行的实际需要[16]。

五、结论

模块化是时代的产物，作为一种思维方法、工作方法、设计方法和新的标准化形式，是顺应当前制造系统的多样化、分散化、社会化、国际化、信息化潮流的有效手段。它通过优化产品结构，进而优化生产结构、管理体系和产业结构，使系统得以简化，实现系统结构的规范化与柔性化，促进生产的社会化和专业化，最后达到提高综合效益的目的。模块化是使企业走向市场的有效途径[17-18]。

通过对直流电源柜（箱）的模块化插拔式创新改造，整机采用模块化设计，使之成为一种高度集成的产品，保证了保护装置的可靠稳定工作，实现配电网的最优运行，达到经济高效，避免因保护装置本身故障而造成电力事故，提高了供电的质量，给企业的生产带来了保障，促进地区经济发展，提高人民的生活水平和生活质量，保障现代社会经济的发展，推动新能源革命，促进环保与可持续发展。

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基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目“多电源智能型直流电源装置的开发及应用”（课题编号：GDKJXM20184488）

作者单位：广东电网有限责任公司佛山供电局

责任编辑：尚丹