CN216134303U - 直流电源质量监测及辅助切换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流电源质量监测及辅助切换装置，包括内部设置有空腔的机箱；所述机箱内设置有用于采集双路直流母线电压变换为4～20mA信号的电压采集单元，电压采集单元的输出端连接有用于对采集的电压数据进行运算的逻辑运算单元；所述逻辑运算单元的输出端分别连接有人机界面HMI、电厂DCS系统、切换装置一、切换装置二。本实用新型具有结构简单、逻辑完备、运行稳定、安全性高的优点。

Description

直流电源质量监测及辅助切换装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，更具体涉及一种直流电源质量监测及辅助切换装置。

背景技术

直流双电源自动切换装置是目前发电厂中常见的电气设备，可广泛用于电力系统二次设备的直流电源回路。电厂DEH系统电源多使用这类设备，且一般为双重化配置。

直流双电源自动切换装置的动作原理为：当处于工作状态的主电源由于故障造成电压跌落或失电时，装置内电压检测回路检测到输入端电压变化，当电压值跌落到额定电压的75％(±5V)时，装置判断该路电源出现故障，发出切换命令，将输出电压切换到备用电源上，在解决双回路直流供电可靠性的同时，又满足了双路电源之间的隔离要求。

但直流双电源自动切换装置的缺陷也很明显，包括以下几方面：

①装置切换定值无法改变，只能是额定电压的75％，不能满足用户灵活配置的需求。

②装置切换时只考虑了工作电源的状态，并没有考虑备用电源的状态，可能造成误切换或无效切换。

③装置只能在工作电压过低时启动切换，而对于其他影响DEH系统正常工作的电源故障，如电压过高或电源纹波系数过高，切换装置则不会动作。

④当切换装置双重化配置时，在某些极端情况下，比如其中一套装置启动切换但另一套未启动，或其中一套误动时，会造成电厂双路直流电源并列运行，违反“反措”，且对电厂其它直流用电设备造成安全隐患。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种直流电源质量监测及辅助切换装置，以解决目前市场上的直流双电源自动切换装置功能单一的问题，以增加直流双电源自动切换装置功能的多样性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案如下。

直流电源质量监测及辅助切换装置，包括内部设置有空腔的机箱；所述机箱内设置有用于采集双路直流母线电压变换为4～20mA信号的电压采集单元，电压采集单元的输出端连接有用于对采集的电压数据进行运算的逻辑运算单元；所述逻辑运算单元的输出端分别连接有人机界面HMI、电厂DCS系统、切换装置一、切换装置二。

进一步优化技术方案，所述电压采集单元包括两套单路直流电压隔离变送器，单路直流电压隔离变送器的输入电压范围为1～800V DC，输出4～20mA标准电流信号，采集精度为0.2级。

进一步优化技术方案，所述逻辑运算单元包括中央处理模块、通讯模块、AD模块、DI模块以及用于接收中央处理模块指令的DO模块，且DI模块和DO模块均设置有两个。

进一步优化技术方案，所述通讯模块支持MODBUS TCP通讯协议，通讯模块的输出端连接人机界面HMI的输入端。

进一步优化技术方案，所述DO模块的输入端连接中央处理模块的输出端，DO模块通过继电器输出无源干接点；所述无源干接点的输出端分别连接至电厂DCS系统、切换装置一、切换装置二，且输出至DCS系统的接点为信号或告警接点；所述信号包括：电源一投入信号、电源二投入信号、切换装置一启动切换信号、切换装置二启动切换信号、切换装置一闭锁告警、切换装置二闭锁告警、电源一电压过低告警、电源二电压过低告警、电源一电压过高告警、电源二电压过高告警、电源一纹波系数高告警、电源二纹波系数高告警、双电源并列运行告警；所述输出至切换装置一的接点为指令接点，且指令包括：闭锁切换装置一、启动切换装置一；所述输出至切换装置二的接点为指令接点，且指令包括：闭锁切换装置二、启动切换装置二。

进一步优化技术方案，所述DI模块接入外部设备切换装置一、切换装置二的无源干接点；所述切换装置一接入的接点为切换装置状态接点，包括：切换装置一电源一运行、切换装置一电源二运行；所述切换装置二接入的接点为切换装置状态接点，包括：切换装置二电源一运行、切换装置二电源二运行。

进一步优化技术方案，所述AD模块的输入端连接电压采集单元的输出端，AD模块接收电压采集单元输出的4～20mA电流信号、输出为中央处理模块可使用的数据格式；所述数据格式为IEEE-754标准规定的32位单精度浮点数。

进一步优化技术方案，所述中央处理模块的输入端分别连接接收通讯模块、模数转换模块、数字量输入模块的输出端，并对接受的数据进行逻辑运算，实现各种逻辑功能；所述逻辑功能包括：工作电源电压低启动切换功能、备用电源电压低闭锁切换功能、工作电源电压过高启动切换功能、备用电源电压过高闭锁切换功能、工作电源纹波系数过高启动切换功能、备用电源纹波系数过高闭锁切换功能，防双路直流电源并列运行功能，电源不正常状态告警功能；所述运算结果通过通讯模块输出并显示在人机界面HMI上、DO模块将告警信号和控制指令输出给电厂DCS系统和两套切换装置。

进一步优化技术方案，所述人机界面HMI设置于机箱的前面板上，与逻辑运算单元通过通讯联系在一起，且人机界面HMI为触摸屏。

进一步优化技术方案，所述触摸屏为211mm×158mm的标准6寸触摸屏，屏幕分辨率为320×240，并设置有PN接口，支持MODBUS TCP通讯协议；所述人机界面HMI使用32位处理器，安装Windows CE操作系统。

由于采用了以上技术方案，本实用新型所取得技术进步如下。

本实用新型提供的直流电源质量监测及辅助切换装置，独立于现有切换装置，结构简单、功能完备，具备直流电源电能质量监测功能、工作电源异常启动切换功能、备用电源异常闭锁切换功能、防双路直流并列功能、电源不正常状态告警功能，且定值可整定、各功能可投入和退出。本实用新型具有结构简单、逻辑完备、运行稳定、安全性高的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框架图；

图2为本实用新型中逻辑运算单元与外部两套直流双电源切换装置接点联系图；

图3为本实用新型中逻辑运算单元与所述人机界面HMI的通讯联系图；

图4为本实用新型中逻辑控制单元与电厂DCS系统接点联系图；

图5为本实用新型中直流电源一纹波系数高时所述逻辑运算单元逻辑框图；

图6为本实用新型中直流电源二纹波系数高时所述逻辑运算单元逻辑框图；

图7为本实用新型中直流电源一电压低时所述逻辑运算单元逻辑框图；

图8为本实用新型中直流电源二电压低时所述逻辑运算单元逻辑框图；

图9为本实用新型中直流电源一电压高时所述逻辑运算单元逻辑框图；

图10为本实用新型中直流电源二电压高时所述逻辑运算单元逻辑框图；

图11为本实用新型的防双电源并列功能逻辑判断框图；

图12为本实用新型的结构示意图；

其中，U_1max：电源一过去3分钟内电压最大值；U_1min：电源一过去3分钟内电压最小值；S₁：电源一纹波系数；U_2max：电源二过去3分钟内电压最大值；U_2min：电源二过去3分钟内电压最小值；S₂：电源二纹波系数；U_e：双路直流电源额定电压定值；S_d：电源纹波系数高定值；T_sd1：备用电源纹波系数高闭锁切换延时定值；T_sd2：运行电源纹波系数高启动切换延时定值；U_ld：电压低定值；T_ld1：备用电源电压低闭锁切换延时定值；T_ld2：运行电源电压低启动切换延时定值；U_hd：电压高定值；T_hd1：备用电源电压高闭锁切换延时定值；T_hd2：运行电源电压高启动切换延时定值；T_d：防双电源并列功能延时定值；1：机箱；2：触摸屏；3：电压采集单元；4：逻辑运算单元；5：人机界面HMI；6：电厂DCS系统；7：切换装置一；8：切换装置二。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型进行进一步详细说明。

直流电源质量监测及辅助切换装置，结合图1至12所示，包括机箱1、触摸屏2、电压采集单元3、逻辑运算单元4、人机界面HMI 5、电厂DCS系统6、切换装置一7、切换装置二8。

机箱1内部设置有空腔，机箱1内设置有电压采集单元3，用于采集双路直流母线电压变换为4～20mA信号。电压采集单元3包括两套单路直流电压隔离变送器，单路直流电压隔离变送器的输入电压范围为1～800V DC，输出4～20mA标准电流信号，采集精度为0.2级。电压采集单元3将外接导线采集电厂DEH系统的两组220V(或110V)直流母线电压变换为4～20mA标准电流信号，然后将此电流信号输出给逻辑运算单元4。

电压采集单元3的输出端连接逻辑运算单元4，逻辑运算单元4用于对采集的电压数据进行运算。逻辑运算单元4的输出端分别连接有人机界面HMI 5、电厂DCS系统6、切换装置一7、切换装置二8。

逻辑运算单元4包括中央处理模块、通讯模块、AD(模数转换)模块、DI(数字量输入)模块以及用于接收中央处理模块指令的DO(数字量输出)模块，且DI(数字量输入)模块和DO(数字量输出)模块均设置有两个。

中央处理模块的输入端分别连接接收通讯模块、模数转换模块、数字量输入模块的输出端，并对接受的数据进行逻辑运算，实现各种逻辑功能。逻辑功能包括：工作电源电压低启动切换功能、备用电源电压低闭锁切换功能、工作电源电压过高启动切换功能、备用电源电压过高闭锁切换功能、工作电源纹波系数过高启动切换功能、备用电源纹波系数过高闭锁切换功能，防双路直流电源并列运行功能，电源不正常状态告警功能。运算结果通过通讯模块输出并显示在人机界面HMI 5上、通过DO(数字量输出)模块将告警信号和控制指令输出给电厂DCS系统6和两套切换装置。

如图5、图6所示，运行电源电压低启动切换功能是指：装置采集双路直流电源电压，将电压数据与电压低定值U_ld相比较，当某一路电源电压低于电压低定值且此路电源在两套切换装置中均为运行电源状态且“运行电源电压低启动切换功能”投入，逻辑运算单元4经过延时定值T_ld2，分别向两套切换装置发出启动切换指令，且向电厂DCS系统6发出切换装置启动切换信号和此路电源电压低告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。

如图7、图8所示，备用电源电压低闭锁切换功能是指：装置采集双路直流电源电压，将电压数据与电压低定值U_ld相比较，当某一路电源电压低于电压低定值且此路电源在某切换装置中为备用电源状态且“备用电源电压低闭锁切换功能”投入，逻辑运算单元4经过延时定值T_ld1，向此套切换装置发出闭锁切换指令，且向电厂DCS系统6发出此套切换装置闭锁切换告警和此路电源电压低告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。

运行电源电压高启动切换功能是指：装置采集双路直流电源电压，将电压数据与电压高定值U_hd相比较，当某一路电源电压高于电压高定值且此路电源在两套切换装置中均为运行电源状态且“运行电源电压高启动切换功能”投入，逻辑运算单元4经过延时定值T_hd2，分别向两套切换装置发出启动切换指令，且向电厂DCS系统6发出切换装置启动切换信号和此路电源电压高告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。

如图9、图10所示，备用电源电压高闭锁切换功能是指：装置采集双路直流电源电压，将电压数据与电压高定值U_hd相比较，当某一路电源电压高于电压高定值且此路电源在某套切换装置中为备用电源状态且“备用电源电压高闭锁切换功能”投入，逻辑运算单元4经过延时定值T_hd1，向此套切换装置发出闭锁切换指令，且向电厂DCS系统6发出此套切换装置闭锁切换信号和此路电源电压高告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。

如图5、图6所示，运行电源纹波系数高启动切换功能是指：装置采集双路直流电源电压，筛选出3分钟内电压数据的最大值U_max和最小值U_min，通过公式计算出电源的纹波系数S，将S值与纹波系数高定值S_d相比较，当某一路电源纹波系数高于纹波系数高定值且此路电源在两套切换装置中均为运行电源状态且“运行电源纹波系数高启动切换功能”投入，则逻辑运算单元4经过延时定值T_sd2，分别向两套切换装置发出启动切换指令，且向电厂DCS系统6发出切换装置启动切换信号和此路电源纹波系数高告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。

备用电源纹波系数高闭锁切换功能是指：装置采集双路直流电源电压，筛选出3分钟内电压数据的最大值U_max和最小值U_min，通过公式计算出电源的纹波系数S，将S值与纹波系数高定值S_d相比较，当某一路电源纹波系数高于纹波系数高定值且此路电源在某套切换装置中为备用电源状态且“备用电源纹波系数高闭锁切换功能”投入，则逻辑运算单元4经过延时定值T_sd1，向此套切换装置发出闭锁切换指令，且向电厂DCS系统6发出此套切换装置闭锁切换信号和此路电源纹波系数高告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。

如图11所示，防双路直流电源并列运行功能是指：装置采集两套直流双电源自动切换装置的当前运行电源信息和双路直流电源电压，当两套直流双电源自动切换装置为不同的运行电源时，则判断发生双路直流电源并列的情况，向电厂DCS系统6发出双电源并列运行告警，告警信息将同步在人机界面HMI 5上显示。此时若直流电源一的电压值处于电压低定值U_ld和电压高定值U_hd之间且电源一的纹波系数值S₁在纹波系数高定值S_d以下，则判断电源一电源质量满足要求。逻辑控制单元经延时定值T_d向不在电源一运行的切换装置发出启动切换指令。反之若电源一电源质量不满足要求且电源二电源质量满足要求，则逻辑控制单元经延时定值T_d向不在电源二运行的切换装置发出启动切换指令。

通讯模块支持MODBUS TCP通讯协议，通讯模块的输出端连接人机界面HMI 5的输入端。通讯模块为逻辑控制单元与人机界面HMI 5之间建立基于IP地址的以太网通讯，为数据分配通讯地址，用以在逻辑控制单元与人机界面HMI5之间进行电源状态、定值数据、报警信息等数据的传输。

人机界面HMI 5为触摸屏2，人机界面HMI 5设置于机箱1的前面板上，与逻辑运算单元4通过通讯联系在一起。触摸屏2为211mm×158mm的标准6寸触摸屏2，屏幕分辨率为320×240，并设置有PN接口，支持MODBUS TCP通讯协议。人机界面HMI 5使用32位处理器，安装Windows CE操作系统，可使用组态软件对人机界面进行画面和报警信息的组态。人机界面HMI 5可实现DEH用直流电源状态显示功能、装置功能投/退和定值输入功能、事件记录功能、报警记录功能。人机界面HMI 5可以依时间顺序记录200条事件信息和200条报警信息。

DO模块的输入端连接中央处理模块的输出端，DO模块通过继电器输出无源干接点。无源干接点的输出端分别连接至电厂DCS系统6、切换装置一7、切换装置二8，且输出至DCS系统的接点为信号或告警接点；信号包括：电源一投入信号、电源二投入信号、切换装置一7启动切换信号、切换装置二8启动切换信号、切换装置一7闭锁告警、切换装置二8闭锁告警、电源一电压过低告警、电源二电压过低告警、电源一电压过高告警、电源二电压过高告警、电源一纹波系数高告警、电源二纹波系数高告警、双电源并列运行告警。输出至切换装置一7的接点为指令接点，指令包括：闭锁切换装置一7、启动切换装置一7。输出至切换装置二8的接点为指令接点，指令包括：闭锁切换装置二8、启动切换装置二8。无源干接点除告警接点外均为脉冲信号，脉冲宽度为1秒，无源干接点中的告警接点为保持信号，告警一旦发出将一直保持，直至在人机界面HMI 5上将告警复归为止。

DI模块接入外部设备切换装置一7、切换装置二8的无源干接点，供中央处理模块逻辑运算使用。从切换装置一7接入的接点为切换装置状态接点，包括：切换装置一7电源一运行、切换装置一7电源二运行。从切换装置二8接入的接点为切换装置状态接点，包括：切换装置二8电源一运行、切换装置二8电源二运行。

AD(模数转换)模块的输入端连接电压采集单元3的输出端，接收电压采集单元3输出的4～20mA电流信号，将电流信号变换为IEEE-754标准规定的32位单精度浮点数，以便于中央处理模块可使用。

本实用新型在实际使用时，用户首先完成装置电源接线，本装置使用220V直流电源，可以从电厂双路直流电源任一路获取，再完成装置外部回路接线，输出至DCS系统的DO接点包括：电源一投入信号、电源二投入信号、切换装置一7启动切换信号、切换装置二8启动切换信号、切换装置一7闭锁告警、切换装置二8闭锁告警、电源一电压过低告警、电源二电压过低告警、电源一电压过高告警、电源二电压过高告警、电源一纹波系数高告警、电源二纹波系数高告警、双电源并列运行告警。输出至切换装置一7的DO接点包括：闭锁切换装置一7、启动切换装置一7。输出至切换装置二8的DO接点包括：闭锁切换装置二8、启动切换装置二8。从切换装置一7接入的DI接点包括：切换装置一7电源一运行、切换装置一7电源二运行。从切换装置二8接入的DI接点包括：切换装置二8电源一运行、切换装置二8电源二运行。从电厂双路直流电源母线输出至电压采集单元3的电压信号包括：电源一、电源二。完成接线并上电后对装置定值进行整定，包括：U_e：双路直流电源额定电压定值；S_d：电源纹波系数高定值；T_sd1：备用电源纹波系数高闭锁切换延时定值；T_sd2：运行电源纹波系数高启动切换延时定值；U_ld：电压低定值；T_ld1：备用电源电压低闭锁切换延时定值；T_ld2：运行电源电压低启动切换延时定值；U_hd：电压高定值；T_hd1：备用电源电压高闭锁切换延时定值；T_hd2：运行电源电压高启动切换延时定值；T_d：防双电源并列功能延时定值。

完成上述工作后装置逻辑运算单元4将自动开始工作，实现各种电源质量监测和辅助电源切换功能。

Claims (10)

1.直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：包括内部设置有空腔的机箱(1)；所述机箱(1)内设置有用于采集双路直流母线电压变换为4～20mA信号的电压采集单元(3)，电压采集单元(3)的输出端连接有用于对采集的电压数据进行运算的逻辑运算单元(4)；所述逻辑运算单元(4)的输出端分别连接有人机界面HMI(5)、电厂DCS系统(6)、切换装置一(7)、切换装置二(8)。

2.根据权利要求1所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述电压采集单元(3)包括两套单路直流电压隔离变送器，单路直流电压隔离变送器的输入电压范围为1～800V DC，输出4～20mA标准电流信号，采集精度为0.2级。

3.根据权利要求1所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述逻辑运算单元(4)包括中央处理模块、通讯模块、AD模块、DI模块以及用于接收中央处理模块指令的DO模块，且DI模块和DO模块均设置有两个。

4.根据权利要求3所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述通讯模块支持MODBUS TCP通讯协议，通讯模块的输出端连接人机界面HMI(5)的输入端。

5.根据权利要求3所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述DO模块的输入端连接中央处理模块的输出端，DO模块通过继电器输出无源干接点；所述无源干接点的输出端分别连接至电厂DCS系统(6)、切换装置一(7)、切换装置二(8)，且输出至DCS系统的接点为信号或告警接点。

6.根据权利要求3所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述DI模块接入外部设备切换装置一(7)、切换装置二(8)的无源干接点；所述切换装置一(7)接入的接点为切换装置状态接点；所述切换装置二(8)接入的接点为切换装置状态接点。

7.根据权利要求3所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述AD模块的输入端连接电压采集单元(3)的输出端，AD模块接收电压采集单元(3)输出的4～20mA电流信号。

8.根据权利要求3所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述中央处理模块的输入端分别连接接收通讯模块、模数转换模块、数字量输入模块的输出端。

9.根据权利要求8所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述人机界面HMI(5)设置于机箱(1)的前面板上，与逻辑运算单元(4)通过通讯联系在一起，且人机界面HMI(5)为触摸屏(2)。

10.根据权利要求9所述的直流电源质量监测及辅助切换装置，其特征在于：所述触摸屏(2)为211mm×158mm的标准6寸触摸屏，屏幕分辨率为320×240，并设置有PN接口，支持MODBUS TCP通讯协议；所述人机界面HMI(5)使用32位处理器。

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