觸碰開關大全(觸摸開關原理)

產品在不斷更新，不斷優化中。新款加入了超寬電壓，3.7V與5V輸入，盡量滿足客戶的不同需求。

國網淮南供電公司的研究人員辛永生、張震、樊榮、張瑩，在2016年第11期《電氣技術》雜誌上撰文指出，由於高頻開關整流模塊體積小重量輕、效率高噪聲低等優點，廣泛的應用於變電站直流係統充電裝置。充電裝置通過多個整流模塊並聯，為蓄電池充電以及直流負載供電。正常運行時，由於充電裝置負載率低，無法使各整流模塊運行在較高的效率區間。

本文分析數字高頻開關電源整流模塊的原理和結構，針對PLC控制的直流係統，提出了壹種整流模塊熱備份方式。該方式下PLC控制係統實時監測各整流模塊狀態，根據負荷情況啟停模塊數。在保證直流係統供電安全可靠前提下可以提高充電裝置效率，延長模塊使用壽命。現場實際應用表明，該整流模塊熱備份方式實現了預期目標。

變電站直流係統主要由交流輸入及切換單元、充電裝置、蓄電池組、直流回路及饋線、絕緣監測、調壓裝置、微機控制係統等幾部分組成，為站內控制係統、繼電保護、信號裝置、自動裝置及事故照明提供可靠的電源，在事故情況下通過蓄電池保證持續供電，對變電站安全運行至關重要。

直流係統中充電裝置作為重要的壹部分，實現係統最基本的AC/DC功能。直流係統設計階段，出於對係統安全可靠性，後期擴容的考慮，整流模塊額定電流按滿足蓄電池均衡充電和經常性負荷的要求選取，而正常運行中充電裝置大部分時間處於浮充狀態，實際負載率較低，工作在效率較低的區間。

艾默生公司在通信電源應用中，提出壹種節能休眠技術，控制實際工作的整流模塊容量，從而使電源係統接近最佳效率點運行，降低係統能耗。該技術廣泛應用於通信高頻開關電源並有成熟的配套監控係統。

然而，電力行業鮮有該技術的應用與實踐。本文主要分析數字整流模塊的結構特點，針對基於西門子S7-200型PLC與觸摸屏構成的直流控制係統，提出壹種整流模塊熱備份的運行方式，實現對過冗余整流模塊智能的休眠控制。

1 變電站直流係統配置及弊端

“兩電兩充”接線方式是由兩組蓄電池配置兩套充電裝置，每組蓄電池及其充電裝置分別接入相應的母線段，兩組蓄電池的直流電源係統應滿足在正常運行中兩段母線切換時不中斷供電的要求[1]。某220kV乙變電站直流係統情況如下。

係統配置二組額定容量為300Ah的免維護鉛酸蓄電池和兩套充電裝置，每套充電裝置由四臺220V/20A整流模塊並聯。正常運行時，每段饋線負荷約在10A左右，蓄電池浮充電流約為0.3A左右。

正常方式下，存在以下弊端:

（1）正常運行時充電裝置所有整流模塊全部啟動，整組設備負載率不到15%，模塊自身損耗所占的比重大，導致充電裝置的效率較低。

（2）負荷電流較小時，整流模塊的均流性能較差，有模塊帶全部負載運行，有模塊空載運行，影響整流模塊的使用壽命。

（3）整流模塊與控制係統沒有通信接口。當壹臺模塊損壞時報模塊故障總告警，無法自動切換故障模塊，遇見緊急情況時係統切除整組模塊的交流電源，由蓄電池組來帶全站負荷。假如蓄電池組運行年限長，蓄電池組容量低，難於滿足現場要求。

（4）無法對整流模塊進行實時監測，整流模塊故障後才能通過直流監控係統發出故障信號，無法提前預警，電源可靠性較低。

2 數字整流模塊原理

高頻開關電源與傳統相控電源相比，具有明顯的優越性能。開關電源由交-直-交-直電路構成，電路內部采用工作頻率較高的交流部分，大大減小了變壓器和濾波器的體積和重量。除此之外，頻率的提高有利於控制性能的提高。

因此，在數百千瓦以下功率範圍內，高頻開關電源逐步取代了了相控電源[2]。變電站充電裝置大部分采用高頻開關電源，許多廠傢提供的設備具備通信接口，實現數字化。

圖1所示為壹種數字整流模塊的原理圖。模塊主要包含輸入電路、功率變換電路、輸出電路。其中輸入電路主要包含EMI、APFC和整流電路，功率變換電路主要包含逆變電路、高頻變壓電路，輸出電路包括輸出整流、濾波和輸出EMI電路。

整流模塊中DC/AC逆變和高頻變電器電路為核心電路部分，逆變電路采用全控型功率開關器件，如GTR、MOSFET、IGBT等，並可以選擇不同的拓撲結構，常用有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路等。

控制電路主要有PWM控制電路、均流電路、保護電路、輔助電源電路等。PWM控制電路決定開關電源的工作模式，通過產生兩路相位相反的驅動信號來驅動功率開關器件工作，通過脈沖寬度來控制開關管的導通時間，從而調節能量傳遞的大小。

整流模塊的控制係統采用雙閉環控制係統，內環是電流控制環，具有較好的限流作用，響應速度較快，外環是電壓控制環，保證直流輸出電壓的穩定[3]。

整個充電模塊在自身控制係統MCU的監控下工作，可以實現模塊的保護及告警、電壓調整、模塊均流、參數設置等。多臺整流模塊與PLC通過RS485總線進行通信，采用異步串行傳輸方式，將整流模塊的運行數據上傳到PLC並接收相關控制命令。

圖1 整流模塊原理結構圖

3 數字整流模塊熱備份的實現

文獻4對基於PLC控制的直流監控係統進行論述，通過S7-200型PLC及擴展模塊實現直流係統的模擬量、開關量采集、數據分析、充電控制和故障處理。由於整流模塊不具備與PLC的直接通訊功能，係統根據PID調節控制理論，由PLC擴展模塊EM-235輸出電壓量對整流模塊進行控制。

本文中充電裝置選用數字整流模塊，與PLC直接通信，對監控程序整體優化、升級擴展，實現整流模塊熱備份方式，提高充電裝置效率。

3.1 硬件結構

圖2為變電站直流係統原理圖，西門子S7-200型PLC與人機界麵構成直流監控係統，采集、處理係統各部分的檢測數據，根據係統管理和電池管理的要求進行各種控制、顯示和記錄係統的故障信息並完成與綜自後臺的通訊。

其中，S7-200有兩路RCS-485接口，壹路接口與8臺數字高頻整流模塊通訊，構成485總線，采用Modbus RTU規約，校驗計算程序在S7-200中編程[5]。PLC是主站，整流模塊是從站，PLC可以隨時讀取整流模塊的狀態（保護、故障燈信號）和實時電壓、電流，並控制充電模塊的開/關機，均/浮充轉換，調節模塊的輸出電壓、限流百分值等。另壹路接口與觸摸屏通信，采用Modbus RTU規約。

觸摸屏顯示直流係統的各種信息，如整流係統、蓄電池、控制母線電壓、電流參數，係統開關狀態信息、故障情況等，並可設置係統各參數，檢測直流係統的運行狀態。

觸摸屏通過RS485通信接口與綜自係統通訊，采用Modbus RTU規約，以實現四遙功能。其中綜自後臺是主站，直流屏是從站。

圖2 直流係統原理

3.2 整流模塊熱備份策略

電力工程直流係統設計原則中，出於對直流係統安全可靠性考慮，如果每組蓄電池配置壹組充電裝置，在滿足蓄電池均充要求和經常性負荷前提下采取冗余N+1模式（N為充電裝置額定電流除以單個模塊額定電流，N≤6時）或N+2模式（N≥7時）[7]。

變電站正常運行時，直流充電裝置壹方麵提供變電站內常用直流負荷，另壹方麵以浮充方式給蓄電池充電，補充蓄電池組的自放電電流。充電裝置長期的浮充運行與整流模塊的配置不匹配，導致整流模塊長期處於高冗余狀態，負載率偏低，整流模塊自身損耗占比較大，充電裝置工作在低效率狀態[6]。

文獻8研究表明高頻開關電源的負載率在40%-80%的範圍內，工作效率較高。為此，可以采用高頻開關電源休眠控制技術，通過PLC關閉部分整流模塊使其處於熱備份休眠狀態，提高充電裝置負載率。

實際運行中，為了保證直流係統供電的可靠性，需要考慮必要的冗余措施，每組充電裝置保證任何時刻有兩臺整流模塊在運行狀態。相應的並聯的整流模塊數越多則允許熱備份的模塊數越多，節能效益越顯著。

對於本文所述的直流係統配置，每組充電裝置四臺整流模塊並聯供電，允許其中兩臺整流模塊進入熱備份，采用如下的控制策略：負載率小於40%（32A）時， 2臺模塊（模塊1和模塊2）運行，其余模塊熱備份；負載率高於60%（48A）時啟動第三臺模塊（模塊3）運行；負載率高於80%（64A）時，模塊全部啟動。

直流控制係統可手動或自動調整各整流模塊的熱備份次序和時間，通過使各整流模塊依次進入熱備份狀態，維持各整流模塊的平均工作時間，避免工作模塊長時間高負荷運行易損壞的影響，整體上降低整流模塊的維護成本，提高模塊使用壽命。

圖3給出了整流模塊3的休眠程序流程圖。整流模塊3在浮充工作方式下，經過延時後進入休眠。在負荷電流值大於設定值時經過延時程序關閉休眠，在運行模塊出現故障、均充程序啟動、交流輸入故障導致的聯絡開關合閘等情況下，控制係統及時打開熱備份的模塊3，使其進入工作模式，保證直流係統的安全性。模塊4與模塊3控制程序類似，程序中開機電流閾值設定不同。

圖3 整流模塊3熱備份程序流程圖

3.3 程序實現

數字整流模塊熱備份控制程序在STEP7-Micro/WIN32編程軟件下開發，該編程軟件可以實現監控用戶程序的執行狀態。采用STL語言，程序設計采用模塊化，功能化結構，便於維護、擴展， PLC在實現初始化、均充浮充子程序、PID計算程序、交直流電源切換、時鐘處理、故障報警及保護等功能的基礎，擴展整流模塊熱備份控制程序。

人機界麵采用臺達畫麵編輯軟件Screen Editor製作畫麵並編譯下載到觸摸屏。

4 現場應用

某220kV乙變電站充電裝置高頻開關電源為深圳新能力JIAN-MC22020風冷模塊，運行年限較長，模塊易損壞，智能化與可靠性較低，該站充電裝置經過技改，整流模塊更換為數字模塊，型號為艾默生公司的HD220-20風冷模塊。乙站直流係統人機界麵采用臺達公司的DOP-B觸摸屏。通過升級擴展PLC與觸摸屏的控制程序，實現整流模塊的熱備份並在該站應用。

圖4所示為艾默生整流模塊采用熱備份後麵闆顯示圖。充電裝置浮充狀態下，模塊3和模塊4進入熱備份狀態，模塊前麵闆保護指示燈（黃色）亮，風扇停止轉動，監控係統無該模塊告警信號。

圖4 整流模塊麵闆顯示

4.1 功能測試

1）遙信遙測檢驗：監控係統通訊接口可以及時準確的收到每臺整流模塊保護信號（交流過、欠壓，缺相，輸出過、欠壓，模塊過溫等信號）和故障信號，給出聲音報警的同時係統自動彈出報警畫麵，數據記入歷史數據庫中；係統能夠快速穩定的接收到每臺整流模塊的輸出電壓電流等遙測信息，並與模塊自身顯示數值壹致。

2）遙控遙調試驗：根據負荷電流大小和監控係統的命令，控制模塊的開/關機,均/浮充轉換。當負荷小於模塊總輸出40%時，自動停止兩臺模塊工作，當負荷大於60%時，啟動其中壹臺模塊，負荷大於80%時，模塊全部啟動；整組充電裝置中，其中壹臺充電模塊出現故障時，模塊全部啟動；當蓄電池組均充條件滿足時，模塊全部啟動；兩組充電裝置，其中壹組充電裝置失電，聯絡開關閉合時，另壹組充電裝置全部模塊啟動。根據設置的參數，監控係統可以準確的調節整流模塊的輸出電壓及輸出電流限流點。

3）圖形界麵及數據庫檢驗：人機界麵圖5所示，用戶能夠通過人機交互界麵的觸摸按鍵查看整流模塊運行狀態並對其參數進行控制。觸摸屏能正確記錄動態數據並儲存歷史數據。

圖5 人機界麵畫麵顯示

4.2 效益分析

整流模塊熱備份方式下運行壹段時間，發現在較低負荷下模塊間的均流有明顯改善。

未采用熱備份方式前，充電裝置負載率10%-20%，效率較低。經過實測，單臺整流模塊運行功耗約300W，如果忽略模塊自帶散熱風扇能耗，采用熱備份方式後站內兩組充電裝置四臺模塊休眠運行，粗略估算全年可節約電量壹萬多度，經濟效益可觀。同時可以延長整流模塊維護周期，降低運維成本。

5 結論

隨著數字式高頻開關電源技術的發展，實現監控係統與整流模塊的直接通信，在此基礎上提出的整流模塊熱備份運行方式，解決了傳統充電裝置的弊端。

現場運行實踐表明，基於整流模塊熱備份的方式，運行可靠，節能效益顯著，人機界麵友好，進壹步提高了變電站直流係統自動化水平。

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