電力系統直流電源裝置的模塊化智能設計及應用

劉石生

摘要：直流電源裝置由零件和元器件直接組合傳統的產品結構模式已不能滿足市場多樣化的需要，本著推行“標準化設計、模塊化建設”理念，提出了一種全新的模塊化、插拔式、智能化、多源直流電源系統的設計方案。論述了該設計方案采用集成度高、模塊化、插拔式設計，既兼顧了電力直流電源裝置配網自動化需求和裝置電源安全、穩定、可靠運行的要求，實現高度靈活性、可靠性、安全性、節約成本，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，在生態上實現綠色環保與可持續發展；以及模塊化插拔式設計的技術介紹和效益分析。

關鍵詞：直流電源；裝置模塊化；設計應用

一、前言

電力直流電源裝置主要應用于水力、火力發電廠，各類變配電站，為繼電器保護裝置、斷路器跳合閘、信號系統、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、監控系統（包括監控裝置、絕緣監測裝置等）、放電裝置（可選）、母線調壓裝置（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絡。電力直流系統結構框圖如圖1所示。

傳統的電力直流電源裝置由零件和元器件直接組合構成，產品設計也是從零件和器件設計入手，逐步完成部件及整機設計，除少量通用件外，生產上及技術上的繼承性甚差。按這種產品結構模式，新產品設計周期長，工藝裝備及生產準備工作量大，生產線需做較大調整，產品更新周期甚至以10年為計算單位[1-2]。這種產品的結構模式，不僅不能適應復雜產品和系統工程的需要，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品的構成和結構模式進行改革，即運用標準化理論，用最少要素的組合來構成最多產品品種的標準化設計技術，將產品構成單元分成不變的通用的固定部分和為實現多樣化效果的變動部分，將這兩部分巧妙地組合起來構成新產品或使產品多樣化。

本著推行“標準化設計、模塊化建設”理念，提出了一種全新的模塊化插拔式直流電源系統的設計方案，該設計方案既提高了電源系統供貨及服務質量、改善了工程協調管理，又在一定程度上降低了后期運維的難度及風險，并且在生態上綠色環保[3-4]。

二、設計方案

（一）系統原理

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

（二）系統設計

電力直流電源裝置外殼采用柜式或箱式結構，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，結構緊湊，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，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。裝置結構合理，便于安裝、配線和調試[6]。

配網自動化通信接口采用模塊化設計，主要包括RS232通信接口模塊、RS485通信接口模塊，以太網通信接口模塊，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，實現積木式結構，使裝置的配網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）核心部件配置設計

直流系統可根據用戶要求靈活配置，輸出電壓有3種規格，即48V、110V、220V。系統采用一體化、模塊化、插拔式設計思想，由整流模塊、監控模塊、配電饋出和電池安裝箱構成，具有體積小、結構簡單、獨立構成、可帶電熱插拔系統等特點。各核心部件模塊插框尺寸如圖4所示。

1.監控系統

監控模塊具有四遙接口、RS-485通信接口、MODBUS通信規約，采用4.3寸觸摸屏顯示，實現友好人機界面，工作參數、故障狀態一目了然。

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。模塊內置直流輸出隔離二極管，用戶無須外設。模塊具有RS-485接口，方便接入自動化系統進行通信。模塊為LED數碼管顯示，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境。風冷模塊的前、后要求有良好的風冷通風環境。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，和主監控的下位機RS-485的A、B連接即可實現主監控對模塊的自動控制[8]。

3.可帶電插拔式開關箱

開關箱采用模塊化插拔式結構，可根據用戶要求靈活配置，可帶電熱插拔，維護簡單、便利、迅速。

（1）開關箱特點

提高系統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構，可根據用戶要求靈活配置，可帶電熱插拔，維護簡單、便利、迅速。

三、模塊化插拔式設計的技術介紹

（一）技術特點

產品更新換代快；產品在結構和性能上更為協調合理，可以縮短設計和制造周期；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；產品性能穩定可靠；模塊化設計可實現帶電熱插拔，平均維護時間大幅度減少。

（二）模塊化插拔式設計作用

1.系統的簡化

通過部件及子系統的標準化來簡化系統及復雜產品的構成模式，從而達到簡化設計、縮短工程系統及新產品的開發周期目的，以適應新時代對多樣化的需求。

2.結構的規范化與柔性化

以規范化、組合式的構成模式實現整體結構構成的柔性化，使產品結構、生產結構具有靈活的可變性，提高對激烈而多變的市場競爭的適應性[9]。

3.生產的社會化和專業化

根據當前技術和產業結構的既高度分化又高度綜合的特點，促進生產的社會化和專業化，并通過信息網絡，實現資源共享，減少重復勞動和無功之勞，加快新技術的擴散與運用，促進生產力的發展[10]。

（三）產品的優勢

1.相對獨立性

可以對模塊單獨進行設計、制造、調試、修改和存儲，這便于由不同的專業化企業分別進行生產。

2.通用性

模塊接口部位的結構、尺寸和參數標準化，容易實現模塊間的互換，從而使模塊滿足更大數量的不同產品的需要[11]。

3.互換性

有利于實現橫系列、縱系列產品間的模塊通用，實現跨系列產品間的模塊通用。

四、模塊化插拔式設計的效益分析

（一）有利于提高直流電源行業的整體設計制造水平

直流電源的模塊化插拔式設計把工程設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、新工藝的研究上，有利于直流電源的更新換代和技術進步，縮短產品設計和制造周期，大大提高工作效率和工作質量[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。越來越多的設計單位和制造廠家專注于自己擅長的核心業務，把非核心業務外包，由此導致縱向集合型的生產鏈逐漸被一系列擁有互補性質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出，可以降低成本，為知識流動和技術創新提供社會平臺，促進直流電源行業設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

直流產品模塊化插拔式設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，產品研發周期短；模塊經反復使用、優化，工藝穩定，質量好，可靠性高；模塊化插拔式產品的通用化、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，提高供電質量[14-15]。

（三）有利于提高綜合效益

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

五、結論

模塊化是時代的產物，作為一種思維方法、工作方法、設計方法和新的標準化形式，是順應當前制造系統的多樣化、分散化、社會化、國際化、信息化潮流的有效手段。它通過優化產品結構，進而優化生產結構、管理體系和產業結構，使系統得以簡化，實現系統結構的規范化與柔性化，促進生產的社會化和專業化，最后達到提高綜合效益的目的。模塊化是使企業走向市場的有效途徑[17-18]。

通過對直流電源柜（箱）的模塊化插拔式創新改造，整機采用模塊化設計，使之成為一種高度集成的產品，保證了保護裝置的可靠穩定工作，實現配電網的最優運行，達到經濟高效，避免因保護裝置本身故障而造成電力事故，提高了供電的質量，給企業的生產帶來了保障，促進地區經濟發展，提高人民的生活水平和生活質量，保障現代社會經濟的發展，推動新能源革命，促進環保與可持續發展。

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基金項目：中國南方電網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及應用”（課題編號：GDKJXM20184488）

作者單位：廣東電網有限責任公司佛山供電局

責任編輯：尚丹