铁路智能型箱式变电站操作电源的适应性研究

邢 挺，梁伦发，吴承业

摘 要：分析了典型智能箱变二次回路的负载特性，从电路原理以及实验验证2个方面揭示了UPS和微型直流电源应用于智能箱变的适应性，提出了采用微型直流电源替代UPS作为智能箱变操作电源的建议，以及采用UPS作为智能箱变操作电源时应注意的问题。

关键词：智能箱变；电力操作电源；交流不间断电源；微型直流电源；适应性

0 引言

铁路智能型箱式变电站（以下简称智能箱变）在普通箱式变电站基础上增加了四遥功能，即遥测、遥信、遥调、遥控，在远动终端RTU及调度端软件的配合下，可实现故障区段自动定位、故障切除等功能，从而保证在短时间内恢复送电，大大提高了铁路通信信号电源系统运行的可靠性。

采用WRF 3.5,选取非静力平衡动力框架,并采用双向三层嵌套,研究区域的分辨率达到3 km。模拟的积分区域中心为(110°E,33°N)。各层水平分辨率为27、9、3 km。垂直分辨率31层,模式顶的气压50 hPa。模式初边界条件均采用了NCEP FNL资料。模拟时间分别自2009年6月3日18时至4日18时(世界时),微物理过程采用了WSM 3类简单冰方案,积云参数化采用BMJ方案。其他的物理过程采用了YSU边界层方案,MO近地层方案,Dudhia短波辐射方案,RRTM长波辐射方案。

智能箱变中的操作电源是保证智能箱变四遥功能实现的重要组成部分，主要为智能箱变二次回路提供工作电源。如果操作电源断电，远动终端RTU将不能向调度端上传信号，也不能执行高低压开关的分合闸操作，将给铁路运营带来严重的安全隐患乃至巨大损失，因此智能箱变的操作电源必须高度可靠。

1 智能箱变二次回路负载分析

智能箱变二次回路负载主要包括断路器或负荷开关的电动操作机构、远动终端RTU、通信模块、信号指示灯、数字仪表、微机保护和测控装置等，同时还有加热器、温湿度控制器和风扇等非关键负载。典型的智能箱变二次回路如图1所示。

高压开关的操作机构多数为弹簧操作机构或永磁操作机构，弹簧储能操作机构中需要使用操作电源的有储能电机和分合闸线圈；永磁操作机构从本质上来说是一种电磁式操作机构，相比于弹簧操作机构其结构简单，但是冲击电流较大，一般其控制回路中会并入一个耐压250 V以上的大容量电解电容。低压开关操作机构主要有塑壳开关电动操作机构和微型断路器电动操作机构2种。

图1 典型的智能箱变二次回路

智能箱变二次回路负荷按工作时间特性可分为长期运行负荷、短期运行负荷。长期运行负荷包括远动终端RTU、通信模块、微机保护或测控装置、信号指示灯等，功率均较小，一个典型的智能箱变中长期负荷总功率不超过100 W，长期负荷特性为偏容性。短时运行负荷包括高低压负荷开关或断路器的电动操作机构，以及其分合闸线圈。负荷开关或断路器从启动到停止一般只有5～30 s，单个操作机构电机在动作过程中功率一般不超过500 W，但分闸或合闸瞬间，合分闸线圈及操作机构电机会产生较大的冲击电流，冲击电流持续时间0.1～0.2 s，功率一般均超过3 000 W，短期运行负荷为感性负荷。

圆了常于著述中说“真理的标准在哲学”。吾人可认为，他以西洋哲学为前提，论评其他哲学与宗教。由上述的“思想遍历”而言，接着论及圆了发现佛教符合哲理，便是以往其思想研究的一个潮流。现今的《百科全书》等书，仍认定井上圆了是佛教哲学家。因此，圆了往往被视为从学生时期努力研究佛教，但由其学生时期所撰写的论文看，其追求真理的途径并非如此单纯。从此时期的论文得知，其中所论及的佛教均不超出宗教之一的范围，圆了尚未以佛教作为专门的研究题目。对此，他在学生时期首先追究的是，儒教即中国哲学。为了厘清这点，当时的论文列举一览表：

同时，由于直流电机的启动扭矩大于交流电机的启动扭矩，因此目前大部分操作机构执行电机为直流电机。如果采用UPS作为操作电源，操作机构的控制回路中会有整流回路，有全波整流，也有半波整流，部分整流回路只要二次回路接通就会上电，是长期运行负荷的一部分，将对二次回路的负载特性产生影响。

由于二次回路的长期负载较小，操作电源带负荷能力主要考虑的是电动操作机构负载，电动操作机构为感性负载，其启动电流非常大且不取决于其额定功率，而取决于启动时电机所要克服的阻力矩，因此在计算操作电源的功率要求时，需要按其额定电流的4～7倍考虑。另外，当一个配电站有多个开关时，其电动操作机构不可能同时动作，但存在当一个操作机构在储能时，另一个或几个操作机构也在储能的情况。

综上所述，智能箱变二次回路负载的主要特点有：长期运行负荷功率较低，一般不超过100 W，为偏容性负载；短时运行负载要求的瞬时功率较高，一般超过3 000 W，为纯感性负载；二次回路中存在半波整流回路。

2 UPS作为操作电源的适应性分析

自20世纪60年代美国通用电气公司研发出交流不间断电源UPS以来，其作为重要供电保障设备，在各行各业得到了广泛应用。经过长期的演变发展，UPS发展出多种结构形式，以适应不同使用场所，按工作频率可分为高频UPS和工频UPS。由于智能箱变的负载功率要求较小，且其内部安装空间紧凑，因此智能箱变很少采用工频UPS作为其操作电源，而主要采用高频UPS。高频UPS按系统结构可分为双变换在线式UPS、在线互动式UPS和后备式UPS 3种。

双变换在线式UPS具有AC/DC-DC/AC 两个主要环节，其逆变电路一直处于工作状态，具有零切换时间和良好输出质量的特点。在线互动式UPS，又称互动式UPS，在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电电压偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出，当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。后备式UPS在市电正常时，由市电通过简单稳压滤波输出供给用电设备，蓄电池处于充电状态，逆变器不工作，停电时逆变器工作，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出为用电设备供电。

由于后备式UPS对输入电源无过滤及稳压作用，容易对二次回路负载造成影响，且切换时间大多超过4 ms，在切换过程中容易导致远动终端RTU等装置掉电重启。因此智能箱变采用在线式UPS作为其操作电源仍是主流方案，下文主要针对高频在线式UPS进行适应性分析。

2）非洲是传统核心区。埃尼公司上游业务几乎涉及所有非洲传统油气资源国家，从北非的阿尔及利亚、利比亚、埃及到西北非的摩纳哥，再到东非莫桑比克、肯尼亚等国家，西非传统油气大国埃尼公司更是都有进入，包括尼日利亚、安哥拉、刚果、加蓬、加纳等。埃尼公司已经在非洲15个国家开展上游业务，未来4年埃尼公司重点聚焦的勘探盆地/地区，非洲仍将占据一半。

2.1 高频在线式UPS工作原理

UPS最早的设计初衷主要为计算机、服务器和网络系统提供不间断电源，其结构如图2所示。

图2 交流UPS电源系统结构

UPS主要由整流电路、充电器、电池组、逆变器、转换开关和旁路回路组成。正常情况下，市电经整流回路转换为直流电，再经逆变器逆变为交流电输出，同时市电经充电器为电池组充电；市电异常时，由电池组经升压回路、逆变器逆变为交流电输出；当UPS本身故障时，系统经自动转换开关转换为市电经旁路回路直接输出交流电。

从工作原理以及试验结果看，采用高频在线式UPS作为智能箱变的操作电源主要存在3个适应性问题：感性负载适应性问题、半桥逆变架构UPS带半波整流负载适应性问题、轻载适应性问题。

2.2 感性负载适应性问题

通过前文对负载的分析可以看出，在进行高低压开关操作时，智能箱变负载主要体现为感性负载，启动时冲击电流非常大，要求UPS能够在短时间提供较大的释放能量，但是高频在线式UPS的逆变电路却不能很好适应该要求，分析一个典型的逆变电路，如图3所示。

设计采用SIM908芯片作为定位追踪装置。SIM908是一款高性能的四频GSM/GPRS/GPS工业级模块，具有很强的稳定性和抗干扰能力，工作电压为3 V～5 V。它的功能非常全面，不仅拥有通信功能，而且芯片内部整合了GPS模块，可以通过GPS进行全球定位，实现对物体的实时追踪。

市电通过PFC升压整流电路转变为正负高压直流电，正负高压直流电通过开关管Q1、Q2，二极管D1、D2，滤波电感L1及滤波电容C3组成的逆变电路转换成交流电输出。

图3 交流UPS电源原理

为保证输出电源为50 Hz正弦波，其中输出滤波电容C3为无极性电容，一般容量较小，3 kV·A高频UPS对应的该滤波电容才10 mF左右，因此其输出端电容不具备储能功能。输出Uo如需向负荷提供瞬时大电流，则需要储能滤波电解电容C1、C2通过开关管Q1、Q2及滤波电感L1瞬时向负荷提供能量，故存在瞬时大电流流过开关管Q1、Q2，如开关管容量不够或过流保护不到位，则可能造成逆变器开关管损坏。

下文以一台2 kV·A的在线式UPS电源进行带载试验，试验设备如下：

交流UPS电源：220 V/7.3 A/2 000 V·A（1 600 W）；负荷：AC/DC 220 V/1.3 A/150 W交直流两用电机及配套负荷开关；示波器：安捷伦DSOX 3034A/350 MHz；高压隔离探头：安捷伦10076C/100∶1；电流探头：泰克TCP303；谐波分析仪：FLUKE 43B。

试验波形如图4、图5所示。

图4 2 kV·A UPS 200 ms级别电压电流波形

图5 2 kV·A UPS 10 ms级别电压电流波形

从图4、图5可以看出：电机启动时，2 kV·A UPS 220 V输出电压在加载后有明显跌落，负半波峰值电流约为17.5 A。

150 W的电机额定功率不到2 kV·A（1 600 W）UPS的1/10，但是峰值电流已经达到2 kV·A（1 600 W）UPS额定峰值电流10.2 A的1.7倍。如带更大功率的电机，瞬间冲击电流会更大，需要UPS有足够的抗冲击能力（余量），否则会导致UPS启动保护甚至损坏。

另外，UPS带阻性负载时的输出电压波形失真度明显小于带感性负载时的输出电压波形失真度。波形失真会对用电设备造成不良影响，如干扰开关电源设备输出电压的稳定性。虽然UPS电源在带150 W交直流两用电机时输出电压波形失真度未超过5%，但是在带更大的电机时，输出电压波形失真度加大，会对后级其他用电设备产生干扰。

2.3 半桥逆变架构UPS带半波整流负载适应性问题

UPS逆变器有2种逆变方式：半桥逆变和全桥逆变。普通的商用UPS，如山特C2K/C2KS，华为UPS2000-A-2KTTS/UPS2000-A-2KTTL，科华KR 2000/KR2000L等，均采用半桥逆变方式，也是目前智能箱变中广泛使用的产品。

在前文对二次回路负载的分析中提到，部分负载为半波整流负载，尤其是施耐德NSX系列低压开关电动操作机构，该负载为冲击性半波负载。因为半桥逆变架构带正负直流母线，正母线为正半波提供能量，负母线为负半波提供能量，而正负母线储能电容C1、C2上的能量是通过市电PFC或电池升压同时提供的，如果半波整流负载只使用了正半波或负半波的能量，则会导致正负母线储能电解电容C1、C2上的电压不平衡，从而使得UPS负正母线过压或极度不平衡保护，因此半桥逆变架构的UPS不适合带半波整流负载。

由表1和表2可知，2013—2017年冬季细颗粒物污染主要出现在中度和重度 PM2.5等级，这两者的占比约为76%。而夏季却有近84%的污染是在轻度等级，且没有出现过重度污染情况（见表1）。夏季大气O3浓度达中度及以上，>160 µg·m-3的占比高达72.6%（见表2）。由此可知，贵阳市空气质量的变化与细颗粒物和光化学污染的季节性有关（王宏等，2011；王闯等，2015；严茹莎等，2013），即夏季细粒子减少和辐射增加使 O3浓度升高，冬季细颗粒物高排放和稳定边界层对大气扩散的不利影响是形成PM2.5重污染的主要原因。

如图6所示，半桥逆变架构的UPS带NSX250电动操作机构时，该电动操作机构储能时间约为700 ms，正母线电压从375 V上升到455 V，已经超过C1电解电容额定电压450 V，从而有可能导致UPS启动过压保护或损坏。

如图7所示，半桥逆变架构的UPS同时带NSX250电动操作机构和60 W半波长期负载（均为负半波供能）时，正母线电压从375 V上升到了515 V，已远超C1电解电容额定电压450 V，UPS因过压而启动保护。

图6 半桥逆变架构UPS带半波整流冲击性负载

图7 带半波整流长期负载+冲击性负载

因此，如果负载中有半波整流长期或冲击性负载，则必须选择全桥逆变架构的UPS电源。全桥逆变架构的UPS只有一个母线电压，不会产生上述正负母线过压或极度不平衡保护问题。全桥逆变UPS原理如图8所示。

近日，2018第十四届“金耳唛杯”中国最佳客户中心评选颁奖典礼在京举行，云南电网客户服务中心在全国众多知名企业中脱颖而出，荣获卓越客户服务(中型客户中心)“中国最佳客户中心”称号。

图8 交流UPS电源（全桥逆变）原理

2.4 轻载问题

建议一般UPS长期运行负载控制在其额定功率的60%左右为最佳。如果负载过大，使得UPS长期工作在接近满负荷的状态，致使元器件发热、老化，缩短工作寿命；如果负载过小，其主要问题是当输入市电停电后，蓄电池将以小电流放电，如果蓄电池放电截止点未进行针对性设置，且放电过程未及时停止，极易造成蓄电池过放电甚至报废。

如果采用UPS作为电力远动箱变操作电源时，其放电截止点需按以下标准进行特殊设置：当放电电量≤0.05 C电量时，12 V电池放电截止电压为11.4 V；当放电电量为0.1～0.3 C时，12 V电池放电截止电压为10.8 V。同时，必须在RTU中将市电停电报警作为必选功能，以便当市电停电时，维修部门能及时采取措施防止蓄电池因过放失效。

明确目标，未雨绸缪。入汛之初，省委省政府强调防汛与抗旱两手抓，并确定了2013年抗旱工作总目标：遇中等程度干旱，城乡生活、工农业生产和生态环境用水不受大的影响；发生严重干旱时，城乡生活用水基本有保障，工农业生产损失降到最低程度。4月份，中央财政安排1亿元资金支持湖南50支县级抗旱服务队购置抗旱设备，省防指根据2013年的汛情、旱情分析，要求在7月中下旬全面完成采购任务，确保干旱发生时所购设备能及时投入抗旱减灾。6月中旬，省防指根据汛情、旱情发展趋势，要求各地提前做好现有抗旱设施设备的检修、维护，及时组织抢修水毁水源和渠系工程，做好蓄水保水工作。

另外，当负载太小时，市电差模浪涌电压不容易被UPS吸收转换成输出能量消耗，也使得UPS容易被市电浪涌电压损坏。

拉莫三嗪可通过选择性阻断nAChR，抑制兴奋性氨基酸（谷氨酸）的病理性释放，发挥抗癫痫作用，联合丙戊酸应用可以通过机制互补达到增强抗癫痫作用的效果。应用拉莫三嗪应以小剂量开始，警惕皮疹副作用。另外，小剂量氯硝西泮也可以作为其它抗癫痫药物的加用药物。

3 微型直流电源作为操作电源适应性分析

目前发电厂和电力变电站使用的操作电源多为高频开关直流电源屏（以下简称直流屏），其由一个或多个高频开关电源模块、蓄电池组、降压硅链、绝缘检测装置以及进线和出线单元组成。直流屏利用整流技术将AC 220/380 V交流电转换为DC 220 V或DC 110 V直流电作为操作电源，同时配备相应电压等级的蓄电池组，平时由AC 220/380 V通过整流提供直流电源，并为蓄电池组浮充电，AC 220/380V断电后，自动且无延时（又称为无扰动）切换到由蓄电池组供电。

经过多年的发展，直流屏已经非常成熟，并在各行业中得到广泛应用，但是由于其体积大、造价高，很少应用于智能箱变场合。目前只有京津城际采用直流屏作为智能箱变的操作电源（其余大多采用UPS作为智能箱变操作电源），并在高铁领域成为典型应用。

但这并未改变直流电源更加适合作为操作电源的固有特性，最近10余年来，一种新型的直流电源—微型直流电源已在电力系统广泛用作变配电站的操作电源，也在多条铁路线路中用作智能箱变操作电源，并取得了良好的应用效果。

磁共振检查无电离辐射，可能具有电磁辐射。美国食品与药品管理局曾建议，为免胚胎形成和发育期受到电磁辐射的影响，妊娠前12周禁止行磁共振检查。但有学者经过大样本研究发现，妊娠12周前对患者进行磁共振检查，并未增加死胎，先天缺陷，听觉损失等不良妊娠结局的发生率，证实了磁共振检查所产生的磁场不会增加妊娠结局的发生率[2]。

从原理上，微型直流电源就是UPS不间断电源的缩减版（结构见图9）。市电正常情况下，市电经整流电路和稳压电路直接输出DC 220 V，同时经充电器给由2节DC 12 V电池组成的蓄电池组充电；市电停电情况下，电池组经升压电路和稳压电路输出DC 220 V；微型直流电源本身故障情况下，系统自动转为经旁路整流电路输出DC 220 V。

西双当然不去。不是担心仇人相见分外眼红，而是害怕徒增无趣和尴尬。对楼兰，西双始终认为自己是宽容的，尽管她伤害过他，一把刀子捅进心脏，左边绞一下，右边绞一下，左右两边一起绞，反复地绞，直把他的心脏绞成碎片绞成肉泥，但是更多时候，西双认为他与楼兰婚姻的失败只有一个理由，那就是自己的无能。哪个女人不爱钱呢？即使不爱钱，哪个女人不喜欢堂堂亮亮的男人呢？西双斗不过腰缠万贯家境煊赫的秃头男人，他自认倒霉。可是西双分明又恨着楼兰，他认为所有不给男人时间的女人都是那般可气可恨可憎可恶可以千刀万剐可以人皆诛之——憎恨与宽容是可以共存的，西双心想，它们就像妻子与情人。

图9 微型直流电源系统结构

从图9可以看出，微型直流电源在输出环节不再将直流电逆变为交流电，只是将直流电进行稳压处理，从而减少了UPS电路中最复杂也是最薄弱的逆变器环节。同时，由于其输出的是直流电，而二次回路负载中大部分执行机构本身为直流负载，因此不需要再加装整流装置，在电路环节上减少了DC/AC和AC/DC环节，使得整体供电可靠性大大提高。

同时，由于微型直流电源可以在输出端并接一个容量合适的电容而不影响输出参数，因此其能承受较大电流冲击，微型直流电源在输出端的电路原理如图10所示。

图10 直流模块电源原理图

市电通过PFC升压整流电路变成高压直流电，高压直流电通过开关管Q1、变压器T1转换成高频交流电，高频交流电通过D1、D2、L1、C2整流滤波后变成平滑的直流电输出。其中，输出储能滤波电容C2为电解电容，通常为几百到几千mF，储能作用明显，可瞬间给输出负荷提供大电流，适合带瞬时大电流负荷。

对直流电源模块进行带负荷试验，试验设备如下：

直流电源模块：220 V/4.5 A/1 000 W（输出滤波电容2 000 mF）；负荷：AC/DC 220 V/1.3 A/150 W交直流两用电机及配套负荷开关；示波器：安捷伦 DSOX3034A/350 MHz；高压隔离探头：安捷伦10076C/100∶1；电流探头：泰克TCP303。

试验波形如图11、图12所示。

图11 200 ms级别电压电流波形

图12 1 ms级别电压电流波形

从图11、图12可以看出，在电机启动时，220 V输出电压无明显跌落，峰值电流为13.5 A。

对BIM信息在项目全生命周期有效传递和共享的探讨………………………………………………… 周艳，张志（9-257）

从以上分析可以看出，根据智能箱变的负载特点，采用微型直流电源作为其操作电源具有良好的适应性。首先，可以在直流输出端并入一个合适容量的电容以缓冲感性负载所需要的瞬时冲击电流；其次，直流电源不存在逆变电路，因此也不存在半桥逆变架构不适合带动半波整流负载的情况；另外，根据智能箱变的长期运行功率，直流电源的长期持续输出功率可以设计得相对较小，而不存在轻载问题。

在双侧向测井响应中，低角度裂缝的电阻率值在致密高电阻率背景下明显降低，曲线形状尖锐，深、浅侧向测井值一般呈负差异。裂缝的张开度与电导率成正比。当张开度增大时，低角度裂缝的深、浅侧向电阻率都下降，幅度差值增大，但它们之间的幅度差远小于高角度裂缝。在给定条件下，对于油气层，当侵入深度大于深侧向探测深度时，为低阻负差异；对于浅层侵入，无论流体性质如何，均为高阻正差异。

4 结语

不考虑环境、产品品质以及蓄电池维护要求等方面的原因，采用UPS作为智能箱变操作电源存在负载不适应的问题，采用微型直流电源作为其操作电源则显示良好的适应性。微型直流电源本身电路简单、体积小、价格适中，且已经过较长时间实际运行检验，运行效果良好，建议逐步推广使用。

如必须采用UPS作为智能箱变操作电源，则为满足负载瞬时功率要求，其功率不低于最大单个高低压开关电动操作机构额定功率的4～7倍（可考虑过载峰值）；UPS的逆变器架构应采用全桥逆变方式；在设置蓄电池截止电压时，应按照单节电池截止电压不低于11.4 V来设置；同时必须上传市电失电报警信号以便及时处理。

参考文献：

[1] 丁杰，李英武，肖艳义，等. 变电站操作电源有关问题分析[J]. 建筑电气，2012，31（5）：19-22.

[2] 翟佑华.直流电源代替UPS电源和交流电源的优点及方法[J]. 电工技术，2001（12）：31-32.

[3] 刘心爱.铁路智能型箱式变电站操作电源分析[J].铁道标准设计，2010（11）：107-109.

[4] 姚崇武. 铁路智能型箱式变电站应用[J].科技广场，2009（9）：207-209.

Abstract:The paper analyzes the load characteristics of secondary circuits in a typical intelligent container substation, discovers the adaptability of UPS and micro type DC operating power source for intelligent container substation in terms of circuitry principles and experimental verification, puts forward proposals on substitution of UPS by micro type DC operating power source for intelligent container substation as well as precautions to be taken when UPS is employed as the operating power source for intelligent container substation.

Key words: Intelligent container substation; operation power source for electric power; AC UPS; micro DC power source; adaptability

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.01.008

中图分类号：U224.3

文献标识码：B

文章编号：1007-936X(2019)01-0034-05

收稿日期：2019-01-03

作者简介：邢 挺.中国铁路青藏集团有限公司供电处，工程师；

梁伦发，吴承业.深圳蓝信电气有限公司，工程师。