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　　一、直流電源系統(tǒng)簡介
　　
　　發(fā)電廠和變電站的直流電源系統(tǒng)是保證操作電源、繼電保護裝置、自動控制裝置、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遙視安防系統(tǒng)等在發(fā)電廠和變電站失去交流電源時仍能正常工作的重要安全設(shè)施。數(shù)十年來人們一直在沿用如圖1所示的模式構(gòu)造直流電源系統(tǒng)。
　　
　　圖1中的整流充電器、蓄電池組、絕緣電壓監(jiān)察裝置及負荷在技術(shù)水平上都經(jīng)歷了極大的變革:充電器從早期的汞弧整流器、硒整流器、硅整流器、晶閘管整流器到現(xiàn)在的開關(guān)電源;蓄電池從維護煩雜、腐蝕氣體*的低壽命到如今的免維護密封高能蓄電池;監(jiān)察裝置從原始的分立元件電磁繼電器到微機全智能化監(jiān)控系統(tǒng);不僅如此負荷性質(zhì)也有了極大的變化，過去以高耗低效的負荷為主，而現(xiàn)在大部分設(shè)備都是低耗的微機型設(shè)備，尤其應(yīng)指出的是這些設(shè)備幾乎都是交直流電源兩用設(shè)備。這一進步不得不喚起人們關(guān)注直流電源系統(tǒng)的技術(shù)改造，改造的目標(biāo)就是提高系統(tǒng)的性能/價格比。
　　
　　下面將著重討論供繼電保護、自動裝置、信號系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遙視安防系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)等使用的直流系統(tǒng)改造問題。而討論的起點則是從不間斷電源UPS（UnintemptablePowerSupply）開始。
　　
　　二、變電站二次設(shè)備的傳統(tǒng)供電可靠性
　　
　　發(fā)電廠和變電站有為數(shù)不少的負荷需保證不間斷供電，尤其在事故狀態(tài)時更不允許供電中斷。以火電廠的電氣二次設(shè)備為例:計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護裝置、安全自動裝置、斷路器跳閘及合閘操作回路、預(yù)告及事故信號回路、控制室長明燈、設(shè)備位置信號、事故照明、通信系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)、遙視警戒系統(tǒng)等都要求不間斷供電。目前，解決不間斷供電的途徑是由蓄電池組供電，或由UPS供電[1]?，F(xiàn)在幾乎在所有的發(fā)電廠和變電站都可以看到這樣的設(shè)計，這一供電方式似乎還會延續(xù)下去。然而，人們忽視了近20年來發(fā)電廠和變電站的大量（幾乎全部）二次設(shè)備在電源供給上發(fā)生了一個根本性的變革，即當(dāng)今這類裝置內(nèi)部都使用了小巧、的逆變開關(guān)穩(wěn)壓電源。它不再限于只能由交流電源供電，而且還可以由直流電源供電。顯然，只要發(fā)電廠和變電站有了由蓄電池組產(chǎn)生的可靠直流電源，就能確保所有二次設(shè)備不會因交流電源停電而停止工作。于是UPS對發(fā)電廠和變電站而言就純屬多余，它不僅耗費了不菲的資金，而且使電源系統(tǒng)又多了一個引發(fā)故障的環(huán)節(jié)。
　　
　　圖2是傳統(tǒng)二次設(shè)備的供電系統(tǒng)示意圖。

　　
　　圖2中充電器左側(cè)的UPS在交流電源停電時，利用自帶的蓄電池經(jīng)過逆變轉(zhuǎn)換為交流電壓繼續(xù)供電、持續(xù)供電時間取決于蓄電池的容量。充電器右側(cè)的逆變器實質(zhì)是不帶蓄電池的UPS，它將電站蓄電池組提供的直流電源逆變?yōu)榻涣麟娫矗ＷC對負荷的不間斷供電，從某種意義上講圖2中左右兩側(cè)都使用了逆變技術(shù)，只不過是蓄電池的來源不同而已。
　　
　　三、逆變開關(guān)穩(wěn)壓電源
　　
　　體積小、重量輕、效率高、干擾小、調(diào)壓范圍廣的逆變開關(guān)穩(wěn)壓電源取代了體積大、重量重、效率低、干擾大、調(diào)壓范圍窄的線性穩(wěn)壓電源。這一變化帶來的更大價值是后者只能取用交流電源，而前者則交直流電源通用，這就為在既有交流電源又有直流電源的發(fā)電廠和變電站奠定了廢除UPS的基礎(chǔ)。圖3是一個線性穩(wěn)壓電源的原理示意圖。
　　
　　交流電壓經(jīng)過變壓器TC將電壓降低到給定值后由整流器VC整流為直流電壓U1，再通過三端穩(wěn)壓器VST輸出規(guī)定的穩(wěn)定直流電壓U0;C1，C2，C3為濾波電容。U0提供該二次設(shè)備所需的直流電壓，由于負荷變化所引起的電壓波動均由VST吸收，從而保證U0的穩(wěn)定。為了使負荷在一定范圍內(nèi)變動時U0足夠穩(wěn)定，就要求VST能較大范圍地吸收電壓的波動，因而VST的功耗很大。再加上笨重的變壓器，所以這種穩(wěn)壓電源技術(shù)指標(biāo)極差。
　　
　　由于一般電子電路的工作電壓都是較低的直流電壓，例如5V,l2V,24V等，所以變壓器TC將電壓降低并起電磁隔離作用就是*的部件。正是由于這個變壓器的存在，就注定只能使用交流電源。
　　
　　圖4是一個脈寬調(diào)制（PWM）原理的逆變開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理示意圖。

　　
　　開關(guān)晶體管VT1和高頻變壓器TP的W1及W3繞組構(gòu)成了一個自激振蕩開關(guān)電路，交直流電源經(jīng)LC噪聲濾波器后通過整流器VC整流得到直流電壓U1。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時TP的次級繞組W2無輸出電流。而當(dāng)VT1截止時則W2將變壓器的儲能輸出。由于VT1在振蕩過程中交替導(dǎo)通和截止，工作在開關(guān)狀態(tài)，所以變壓器TP的繞組W2輸出為一個占空比受晶體管VT2控制的矩形波電壓，經(jīng)過二極管VD整流及電容C濾波后即得到平滑的直流輸出電壓U0供負荷使用。比較放大器AJ通過分壓器R1，R2取得輸出電壓U0的當(dāng)前值，再與穩(wěn)壓管VS的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，輸出與電壓偏差成比例的電流控制線性光藕合器的LED電流，進而調(diào)節(jié)晶體管VT2的基極電流，改變振蕩電壓的占空比，從而實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
　　
　　不難看出開關(guān)電源靠調(diào)節(jié)振蕩矩形波電壓的占空比穩(wěn)定電壓，開關(guān)管VT1交替工作在開（電阻極?。┖完P(guān)（電阻極大）兩個狀態(tài)，因此功耗極小，且由于將矩形波進行整流很容易得到平滑的直流輸出電壓，因此目前各種電子設(shè)備幾乎全都淘汰了線性穩(wěn)壓電源，例如計算機、打印機、顯不器、服務(wù)器、微機繼電保護、微機自動裝置、路由器、RTU、測量儀表甚至DVD、電視機、錄像機、手機等都采用開關(guān)電源。圖4中沒有圖3中的電源變壓器TC，電源通過由高頻電感L及電容C組成的噪聲濾波器后直接施加到整流器VC上。不難看到，不管是直流電壓或是交流電壓加到整流器后，輸出的都是直流電壓，只不過輸入交流電壓時全波整流橋的兩對橋臂交替導(dǎo)通，而輸入直流電壓時只有一對橋臂持續(xù)導(dǎo)通，在整流二極管容量足夠且濾波的容量足夠大的前提下絲毫不影響穩(wěn)壓電源的輸出電壓和功率。
　　
　　由此可見，把發(fā)電廠和變電站現(xiàn)成的直流電源直接作為各個二次設(shè)備的電源，摒去傳統(tǒng)二次設(shè)備供電系統(tǒng)中的UPS和逆變器（見圖2），不僅節(jié)省投資，而且提高了直流電源系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　四、分布式直流電源系統(tǒng)
　　
　　分布式控制提高了系統(tǒng)的可靠性和運行速度，并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，擴展方便。概括地說分布式控制系統(tǒng)就是分散危險性，避免高度集權(quán)所造成全軍覆沒的毀滅性后果[2]。
　　
　　發(fā)電廠和變電站對直流電源從來都是重視的，因為它涉及到對zui要害設(shè)備的供電，所以都盡可能減少直流電源的負荷數(shù)量、減少直流電纜的敷設(shè)長度，從而避免為數(shù)不多（一組或兩組蓄電池）的直流電源遭受侵害而停電。
　　
　　在以前的設(shè)計中未曾考慮所有二次設(shè)備都直接取用直流電源，盡管它們都具備這個條件，而且這樣做不僅省去了用于UPS的投資，更重要的是提高了可靠性，因所有二次設(shè)備都處在交、直流電源同時供電的雙保險狀態(tài)。在闡述分布式直流電源系統(tǒng)的方案之前，先提供一個作者已使用多年的交直流電源無縫切換電路，如圖5所示。

　　
　　圖5的虛線左面為交、直流電源自動無縫切換電路，交流電源經(jīng)變壓器TC次級輸出到整流器VC及濾波電容C，得到整流后的直流電壓UJ，設(shè)計時使UJ略高于直流電源電壓UZ，這樣由于二極管VD1，VD2被反偏，形成負載電流*由UJ供給，一旦交流電源消失，UJ下降到低于Uz時，VD1，VD2反偏消失，直流電源無縫進入帶負荷狀態(tài)，二極管VD3，VD4則用于防止直流電源倒灌。如果發(fā)電廠和變電站的二次設(shè)備按這種模式設(shè)計電源系統(tǒng)，比起用UPS既省錢又更可靠。
　　
　　現(xiàn)在的蓄電池與20年前相比已有了很大改進，其體積小、容量大、免維護。當(dāng)前的逆變開關(guān)電源同樣是體積小、容量大、效率高且自動化程度高，還可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和維護;再加上所有二次設(shè)備都能夠直接取用直流電源，這些*的硬件條件已足以支持產(chǎn)生分布式直流電源系統(tǒng)。作者認為分布式直流電源系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點:
　　
　　a.充電器、蓄電池組、監(jiān)控設(shè)備三合一、組成獨立的直流電源屏。
　　
　　b.二次設(shè)備按工作性質(zhì)及負荷大小分組，每組二次設(shè)備由一面與諸設(shè)備并列布置的直流電源屏供電，即直流電源屏下放到二次設(shè)備安裝地。
　　
　　c.多面直流電源屏共用一面?zhèn)溆弥绷麟娫雌?，并能實現(xiàn)備用電源自動切換。
　　
　　d.各直流電源屏的監(jiān)控設(shè)備通過現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)受控于上位控制機。
　　
　　不難看出，這樣的直流電源系統(tǒng)不同于過去由1-2組蓄電池組集中供電的方式，由于電源及負荷在地域上進了分散，縮短了電源電纜供電距離。減少了每組蓄電池組的供電范圍，大大降低了直流系統(tǒng)接地和故障概率，并且減少了維護工作量。