赖伟勇

（广州北环高速公路有限公司，广东 广州 510000）

一、高速公路用UPS传统方案

高速公路有很多都是地处偏远的地带,不得不采用农用电源,那里的供电条件不好,比如电压波动幅度大、经常停电;环境条件不好,比如山洞内湿度大,冬夏温差大,特别是雷雨季节干扰大;技术力量薄弱,维修能力差等等。所以就对UPS提出了严格的要求,比如要求UPS能耐恶劣环境,具有无人值守的能力。除此之外,为了提高供电系统的可靠性,在UPS前面增加了一级参数稳压器。采用何种稳压器,根据目前国内的稳压器产品现状有如下考虑:

1.自动稳压器

这种稳压器结构简单,价格低廉,但可靠性差。因为它是靠碳刷的移动 (滑动或滚动)来稳压,控制电路根据输出设定的情况,来控制M点上下移动,以使输出电压符合负载的要求。但这种电路的缺点是可靠性低和动态相应速度慢,不隔离干扰。碳刷在不同的移动中会慢慢变薄直至损坏,在湿度很大的情况下寿命缩短会更快。由于是机械运动,所以动态相应慢,这将会导致瞬间电压突升与突降,损坏后面的设备。比如当输入电压下降15%,即220V下降到187V时,为了保证输出仍为220V,M就必须上滑至N点,这时的变比为220∶187=1.18,这时如果有一个大型的感性负载突然下载,造成市电电压突然产生一个300V的浪涌,由于M点的机械惰性而来不及移动,在输出端就会出现一个354V的高电压,轻则使UPS电池放电,重则烧毁UPS输入电路。反之,如果有一个大型的感性负载突然加载,也将会出现一个100V的凹陷,也会导致UPS的电池放电,加速了电池的失效。

2.净化电源交流稳压器

这种交流稳压器的出现主要是代替原来的电磁补偿式614型稳压器。这种稳压器的原理是根据双向可控硅导通角度的不同而形成不同的等效电感量,使输出对输入的变化进行补偿而进行稳压的。这种电源的稳定度较高,可达到0.1%;效率也较高,可达97%;输出电压波形失真度较小,可达到0.2%。这种稳压器的可靠性很高,有隔离干扰的能力。可以看出,主电路中没有功率管,都是电感和电容等元器件,唯一的一只半导体器件还是可靠性很高的双向可控硅。但这种电路的缺点是调解范围窄,一般只适应额定电网电压的±10%,功率不容易做大,这显然无法满足高速公路的要求,一般不在考虑范围内。

3.NPS型智能稳压电源

这是一项新技术,是在总结了上述几种稳压器的优缺点和吸收了Delta变换技术的经验后而研制出的专利产品。这种电路既采用了当前成熟的PWM技术,又结合了UPS的Delta变换技术。这种电源解决了上面几种稳压器所存在的问题:

(1)由于吸取了Delta变换技术的经验,所以就具有了它的一些优点,比如输入功率因数高达0.95以上,比参数稳压器高得多。

(2)效率高。从电路的结构可以容易地看到,它是集中了自动稳压器的优点。而且反应速度快,是自动稳压器所无法比拟的。

(3)输入输出隔离性能好。集中了参数稳压器和净化电源的优点。由于在工作中没有无功功率的存储,所以不存在击毁其它设备问题。

(4)由于是PWM电路与磁路的结合原理,结构轻巧,而不是像参数稳压器那样的笨重。

(5)可靠性高。由于工作效率高、损耗小,使机内温度不高,提高了机器的可靠性。

(6)可以智能监控。机器留有RS232串口,可以做远程监控。

(7)容量可以做得很大。不像净化电源和参数稳压器那样最大只能做到几十千伏安。正是有了如上的优点,在高速公路配电中应为首选。

二、UPS在高速公路工程中的作用

在高速公路中用量最大的应属收费系统。其次还有通信、数据处理、变电站和摄像监控等。收费系统的重要性很大,不能有一点疏忽。尤其是现在有的地方自动化程度很高、制度很严,比如收费站的栏杆不经过刷卡就不能抬起放行,如果因电源问题使刷卡机停止工作,就会导致车辆的堵塞。比如福建一高速公路段因"参数稳压器UPS"系统故障而导致停止运行2h,从而造成了几百辆汽车"闯关",造成了重大损失。

要求供电系统的设备质量不但要高,而求当供电故障时,其维修时间要非常短。比如发现故障快、功能部件更换速度快。最好有预警系统。

三、用于高速公路供电系统的几种电源解决方案

1.单机供电系统。在一些电网情况比较好的地方,最好不要在UPS前面加稳压器,如图1所示。因为加一级设备,就多一个故障点。故障率比原来提高了一倍。

图1 单机供电系统

2.双机供电系统。为了以防万一,有些收费站要求多机系统。所谓多机系统就是指有的用户要求每一个车道配一台UPS,这样一来,即使有一个车道的电源故障,另外的车道可照常运行,以避免堵车闯关现象发生。为了提高可靠性和可用性,采用双台UPS冗余并联或互为备份是科学的。(1)双台UPS冗余并联解决方案

图2 双台UPS冗余并联系统

如图2所示。这个方案可用于各种容量的系统中,小到几千伏安,大到几百千伏安。但遗憾的是10kVA以下的UPS很少有并联机型,即使有,在价格上也比较高,否则这种并联的功能就不足。

(2)互为备份解决方案

互为备份解决方案对于一些小的收费站非常合适,比如车道是3进2出,每个车道的用电约为700VA,考虑到其他因素,以1kVA计,5个车道就是5kVA。这是可用2台5kVAUPS构成互为备份系统,如图3所示。两台UPS可接到三相电的任意两相上,如图中的A相和B相,就有了类似双路供电效果。

图3 互为备份解决方案原理图

两台UPS之间用以快速机电器JO连接,在正常时JO是断开状态,两台UPS可各带一部分负载。一旦一相电(比如A相断电)出了问题,继电器JO就会闭合,将另一相电(B相)的UPS2输出转接过来,使负载继续运行,等故障UPS修复后,又恢复双机供电状态。这种继电器的切换时间小于10ms,这是任何计算机类负载完全允许的。由于是两相供电,互差120°,所以这种切换必须要有间断。根据IBM的测试,在市电停电后,计算机本身的PWM电源可满负荷工作50ms。由图3可以看出,A相断电且UPS1电池耗尽时,输出为零,继电器JO的闭合使UPS1输出又恢复电压,由于电压的恢复又会使JO断开,JO的断开,又导致UPS1输出为零,这样一来就会形成UPS1的断续输出状态,使负载无法工作下去。

解决方案实施电路就详细说明了它的解决方法。这里采用了两只快速继电器,将两只继电器的线包分别接在两台UPS输出端可实现可靠切换了。这个方案既节约又可靠,同时容易实现。除此之外,在单相供电的地方也可采用。有的地方采用N+1模块式单机结构也不失为好方案。

3.双系统供电解决方案

一般在大型控制中心要求更高的可靠性,所以不但设置了双路供电 (两路市电或一路市电,一路发电机),而且还采用了两套UPS冗余系统互为冗余。这种系统的切换由于容量太大,就再也无法使用继电器和接触器来实现短时间(<10ms)切换了,在这种情况下可采用静态开关STS。

结束语：总之，UPS具有的比较完善的状态监控、电池状态监控、输入输出电压监控、负载变化监控等检测监控数据,并可以轻松并入网络。UPS广泛地应用于IT行业和特殊的精密设备,遍布从信息采集、传送、处理、储存和应用的各个环节,其重要性随着信息应用重要性的日益提高而不断提高。

[1]赵亮.UPS不间断电源"1+1"并机冗余技术应用[J].中国交通信息化；2010.08.10.

[2]温宗建，刘晓蕾.UPS电源新技术在高速公路信息系统中的应用[J].山东通信技术；2004.03.30.