论文部分内容阅读
摘要：笔者通过理论、试验及实践情况，得出变电站内的IT类设备可以采用直流供电的结论，从而提出了取消UPS（及逆变电源），以简化变电站内供电网络，精简设备，提升变电站运行可靠性。
中图分类号：TM63 文献标识码：A
0 引言
目前，变电站内二次设备中的继电保护装置、安全自动装置、测控装置均为直流供电，但还有一部分IT类设备，因其电源输入标注为交流220V，如1：变电站自动化系统（或称为变电站计算机监控系统）的当地监控后台机（计算机及显示器）、部分站内网络交换机，仍旧采用交流220V供电，为确保实时信息的采集，必须不间断供电，故该交流220V采用的是UPS输出。如2：变电站内的调度数据网接入层路由器、二次安全防护设备（接入交换机、Ⅱ区防火墙、部分Ⅰ区加密认证装置），也是如此。
变电站内的直流电源系统是非常可靠的，因为它本身有多个充电模块并联运行，且有蓄电池组作为充电模块交流输入失电时的后备，另外，220kV变电站直流电源系统采用了两组蓄电池两套充电装置的二段单母线接线方式，就更加可靠了，见图0-1。上文提及的这些IT类设备，若能采用直流供电，则二次设备就统一是直流供电，这样一来可简化变电站内的供电网络，即可取消UPS供电这个层次，精简变电站内设备，提升变电站运行可靠性。因为电源网络越简单越可靠，设备越少越可靠。
图0-1 直流电源系统示意图
1 开关电源的发展过程分析
在开关电源出现之前，线性稳压电源（以下简称线性电源）已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为线性电源的一种替代物出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性电源而产生的。
线性电源的典型结构结构见图1-1。图中的关键元器件是调整管V。为了使调整管 V可以发挥足够的调节作用，V必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性电源。它的缺点：一是调整管V工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器T，使得电源体积大、重量重，搬运过早年生产的电子仪器的人都会有这样的体会，电子仪器往往“一头沉”，这较重的一头往往就是电源变压器所在的一头。
图1-1 线性电源结构简图
开关电源就是为了克服线性电源的缺点而出现的，其典型结构见图1-2。首先，该电路中起调节输出的逆变电路中的电力电子器件都工作在开关状态，损耗很小，使得电源的效率可达到90%甚至95%以上。其次，电路中起隔离和电压变换作用的变压器T是高频变压器，其工作频率多为20kHz以上，因为高频变压器体积可以做得很小，从而使整个电源的体积大为缩小，重量也大大减轻。同时由于工作频率高，滤波器的体积也大为减小。
图1-2 开关电源结构框图
按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源，因此，开关电源也常被称为高频开关电源，也可以说开关电源是高频开关电源的简称。
由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，体积却越来越小，因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。
新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，双极型电力晶体管的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。
开关频率的提高有助于开关电源体积减小、重量减轻。20世纪70年代开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz。后来，随着电力MOSFET的应用，开关电源的开关频率进一步提高。
由于和线性电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性电源。计算机、电视机、各种电子仪器几乎都已是开关电源的一统天下。
作为电子装置的供电电源，在20世纪80年代以前，作为线性电源的更新换代产品，开关电源主要用于小功率范围。那时，中大功率直流电源仍以晶闸管相控电源为主。但是，80年代起，绝缘双极型晶体管（IGBT）的出现使得开关电源的容量不断增大，在许多中等容量范围内迅速取代了相控电源。在通信领域，早期的48V基础电源几乎都是采用的晶闸管相控电源，现在已逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源以前也是采用晶闸管相控电源，目前开关电源已经成为其主流。
2 IT类设备内部电源模块分析及直流输入试验、实践
这些IT类设备，在其电源输入处标的是交流220V，那么改用直流220V输入时设备能正常运行?下文将从其内部电源模块的原理及实验情况来进行阐述。
2.1 内部电源模块的原理及直流输入可行性分析
从上文开关电源的发展过程分析中，已知晓：现代的这些IT类设备，其内部电源模块均采用了开关电源。打开这些IT设备的机箱，“开关电源”四个字，有的已明显地将其印在了内部电源模块上。如，思科路由器Cisco2811、3725，台式计算机Dell GX620其内部电源模块的外壳上有“开关电源”四个字印在上面。
从开关电源的原理图（图2-1）中可以看出，开关电源内部最前级，即与工频交流输入直接连接的就是桥式整流电路，并不存在像线性电源一样的隔直通交的工频变压器，故改输入的直流220V也能顺利通过整流电路，向后级电路提供直流电。就算是个别变电站的直流电源系统为直流110V，因开关电源输入电压范围很宽，故也不存在任何问题。
图2-1 开关电源原理简图
部分厂家为节约成本或出于其它原因，其设备内部电源模块的输入电路采用了半波整流，故此时直流220V输入就有方向的要求了。如，终端服务器Moxa NPort6650-16，使用手册上就作了这样的说明。后续应用实验到的网络交换机Cisco WS-C2960也是如此。
2.2实验情况
2.2.1 测量各类设备的输入阻抗
测量方法，在不打开其机箱查看电路的情况下，用万用表（Fluke111）的“电阻档”测试，主要通过测得的电阻值来简单快速判断内部是开关电源还是老式的工频变压器整流电源。
从表2-1的记录实测数据可以看出，电阻值均较大，不属于工频变压器类型，而应属于开关电源类型。
序号 设备类别 设备型号 L、N之间的电阻值 L、地之间的电阻值 N、地之间电阻值
1 网络交换机 Cisco WS-C2950 0.612兆歐 ∞ ∞
2 网络交换机 Cisco WS-C2960 1.217兆欧 ∞ ∞
3 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 1.056兆欧（开关OFF） ∞ ∞
4 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 0.380兆欧（开关ON） ∞ ∞
5 防火墙 NetEye 0.836兆欧 ∞ ∞
6 当地监控后台机（台式计算机） Dell GX260 0.760兆欧 ∞ ∞
7 液晶显示器 Dell 1703Fpt 1.0兆欧 ∞ ∞
表2-1 变电站IT类设备输入阻抗测量记录表
2.2.2 输入直流220V，观察设备运行是否正常。
从表2-2记录的运行情况可以看出，直流输入时设备均能运行正常，且网络交换机Cisco WS-C2960直流输入时还有正负极性的要求。
序号 设备类别 设备型号 L、N之间接入直流 “＋” 220V时的运行情况 L、N之间接入直流 “－” 220V时的运行情况
1 网络交换机 Cisco WS-C2950 工作正常（内部有指示灯亮） 工作正常（内部有指示灯亮）
2 網络交换机 Cisco WS-C2960 未工作（风扇不转，SYST灯不亮） 工作正常（风扇转，SYST灯闪烁）
3 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 工作正常（有输出电压） 工作正常（有输出电压）
4 防火墙 NetEye 工作正常（风扇转，Power灯亮，HDD灯闪烁） 工作正常（风扇转，Power灯亮，HDD灯闪烁）
5 当地监控后台机（台式计算机） Dell GX260 工作正常（电源灯亮） 工作正常（电源灯亮）
表2-2 变电站IT类设备直流供电测试记录表
2.3 现场实践情况
2.3.1 IT类设备正向应用的一些情况。即标注为交流供电的设备，实际采用直流供电
2010年的220kV变电站二次安防工程，其二次安全防护设备（防火墙FW5120、网络交换机Cisco WS-C2960）；2011年的220kV变电站第二平面工程，其路由器ZXR10-3800、网络交换机ZXR10-2928；2011年的青阳变增容改造工程、球庄变新建工程，其路由器Quidway AR2240。这些，IT类设备均采用了直流220V供电，运行稳定正常。
2.3.2 其它设备的一些情况
2.3.2.1 监控系统设备屏、测控装置反向应用的一些情况。即标注为直流供电的设备，实际采用交流供电
1999、2000、2001年的35kV变电站计算机监控系统BJ-3设备屏，采用了交流220V供电，这说明其内部的开关电源模块对交直流来讲是互通的，即原先定义直流220V供电的设备，用交流220V也能正常运行。
2009年的UPS机房RCS-9603测控装置，采用了交流220V供电，这也说明是互通的。
2.3.2.2 早期的电气量变送器不能直流供电的一些情况
只有90年代至21世纪初的电气量变送器（交流有功功率变送器、交流电流变送器、交流电压变送器等等），其内部采用的是线性电源模块。花园电厂还出现了多次变送器故障的情况（实际为内部电源模块烧坏），后查明该变送器屏接在了应急电源上，应急电源是每隔几个月要切换一次，即由交流短时间地切到直流上，即直流向变送器供电，因变送器内部电源输入为工频变压器，故造成小电阻短路烧毁线圈。
3 结语
早期投运的35kV变电站（即少量80年代投运的），其电容储能式直流电源系统已陆续淘汰，改造为蓄电池组式直流电源系统，故变电站直流电源系统已是非常可靠的设备、回路供电系统。
传统的UPS，其应用的范围一般为各单位数据中心机房，各级各类调度大楼自动化机房、信息机房，由单独的蓄电池组作为后备电源，确保给设备提供不间断的交流220V电源。这些场所，只能提供市电，即交流220V，它不像变电站有直流电源系统。
80年代末至90年代初的变电站安装自动化装置（遥测、遥信），以及90年代中期开始的变电站无人值班改造（遥测、遥信、遥控），那时因电气量变送器、遥控执行屏等设备其内部仍为线性电源模块，只能交流220V供电，故变电站内必须配置传统的UPS（含蓄电池组），向这些设备提供不间断的交流220V电源。
21世纪初开始的变电站综合自动化改造，陆续淘汰了技术落后的电气量变送器、遥控执行屏等设备，采用的技术先进的测控装置、保护测控一体装置。虽然当时传统UPS陆续或同步淘汰，采用了后备电源为直流220V的新式UPS、或逆变电源，但UPS这个类型的设备还继续存在着，向这些电源输入端文字标注着交流220V输入的IT类设备供着电。
根据上述对开关电源的发展过程分析，变电站IT类设备内部电源模块的分析、试验及现场实践，可以得出变电站内的IT类设备可以采用直流供电的结论。
从上可以看出，变电站有一般办公场所所不可能具备的直流电源系统，且该供电系统是非常可靠的，而变电站的这些IT类设备在技术层面又完全可以支持直流供电，那么变电站UPS已经没有存在的必要性了。故本文最终提出取消UPS（及逆变电源），以简化变电站内供电网络，精简设备，提升变电站运行可靠性。
参考文献
[1] 裴云庆，杨旭，王兆安. 开关稳压电源的设计和应用. 北京：机械工业出版社，2010.
[2] 沙占友，于国庆，王晓君，许云峰等. 线性及开关稳压器设计320例. 北京：电子工业出版社，2009.
[3] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2006.
[4] 何永华. 发电厂及变电站的二次回路. 北京：中国电力出版社，2004.
[5] 姚春球. 发电厂电气部分. 北京：中国电力出版社，2004.
[6] 谢萍. 直流系统及逆变电源系统 施工图. 南京：江苏省电力设计院，2010.
[7] NSR600R系列保护测控装置说明书. 南京：国电南瑞科技股份有限公司，2004.
[8] PS60000变电站综合自动化系统说明书. 南京：国电南京自动化股份有限公司，2002.
中图分类号：TM63 文献标识码：A
0 引言
目前，变电站内二次设备中的继电保护装置、安全自动装置、测控装置均为直流供电，但还有一部分IT类设备，因其电源输入标注为交流220V，如1：变电站自动化系统（或称为变电站计算机监控系统）的当地监控后台机（计算机及显示器）、部分站内网络交换机，仍旧采用交流220V供电，为确保实时信息的采集，必须不间断供电，故该交流220V采用的是UPS输出。如2：变电站内的调度数据网接入层路由器、二次安全防护设备（接入交换机、Ⅱ区防火墙、部分Ⅰ区加密认证装置），也是如此。
变电站内的直流电源系统是非常可靠的，因为它本身有多个充电模块并联运行，且有蓄电池组作为充电模块交流输入失电时的后备，另外，220kV变电站直流电源系统采用了两组蓄电池两套充电装置的二段单母线接线方式，就更加可靠了，见图0-1。上文提及的这些IT类设备，若能采用直流供电，则二次设备就统一是直流供电，这样一来可简化变电站内的供电网络，即可取消UPS供电这个层次，精简变电站内设备，提升变电站运行可靠性。因为电源网络越简单越可靠，设备越少越可靠。
图0-1 直流电源系统示意图
1 开关电源的发展过程分析
在开关电源出现之前，线性稳压电源（以下简称线性电源）已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为线性电源的一种替代物出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性电源而产生的。
线性电源的典型结构结构见图1-1。图中的关键元器件是调整管V。为了使调整管 V可以发挥足够的调节作用，V必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性电源。它的缺点：一是调整管V工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器T，使得电源体积大、重量重，搬运过早年生产的电子仪器的人都会有这样的体会，电子仪器往往“一头沉”，这较重的一头往往就是电源变压器所在的一头。
图1-1 线性电源结构简图
开关电源就是为了克服线性电源的缺点而出现的，其典型结构见图1-2。首先，该电路中起调节输出的逆变电路中的电力电子器件都工作在开关状态，损耗很小，使得电源的效率可达到90%甚至95%以上。其次，电路中起隔离和电压变换作用的变压器T是高频变压器，其工作频率多为20kHz以上，因为高频变压器体积可以做得很小，从而使整个电源的体积大为缩小，重量也大大减轻。同时由于工作频率高，滤波器的体积也大为减小。
图1-2 开关电源结构框图
按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源，因此，开关电源也常被称为高频开关电源，也可以说开关电源是高频开关电源的简称。
由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，体积却越来越小，因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。
新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，双极型电力晶体管的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。
开关频率的提高有助于开关电源体积减小、重量减轻。20世纪70年代开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz。后来，随着电力MOSFET的应用，开关电源的开关频率进一步提高。
由于和线性电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性电源。计算机、电视机、各种电子仪器几乎都已是开关电源的一统天下。
作为电子装置的供电电源，在20世纪80年代以前，作为线性电源的更新换代产品，开关电源主要用于小功率范围。那时，中大功率直流电源仍以晶闸管相控电源为主。但是，80年代起，绝缘双极型晶体管（IGBT）的出现使得开关电源的容量不断增大，在许多中等容量范围内迅速取代了相控电源。在通信领域，早期的48V基础电源几乎都是采用的晶闸管相控电源，现在已逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源以前也是采用晶闸管相控电源，目前开关电源已经成为其主流。
2 IT类设备内部电源模块分析及直流输入试验、实践
这些IT类设备，在其电源输入处标的是交流220V，那么改用直流220V输入时设备能正常运行?下文将从其内部电源模块的原理及实验情况来进行阐述。
2.1 内部电源模块的原理及直流输入可行性分析
从上文开关电源的发展过程分析中，已知晓：现代的这些IT类设备，其内部电源模块均采用了开关电源。打开这些IT设备的机箱，“开关电源”四个字，有的已明显地将其印在了内部电源模块上。如，思科路由器Cisco2811、3725，台式计算机Dell GX620其内部电源模块的外壳上有“开关电源”四个字印在上面。
从开关电源的原理图（图2-1）中可以看出，开关电源内部最前级，即与工频交流输入直接连接的就是桥式整流电路，并不存在像线性电源一样的隔直通交的工频变压器，故改输入的直流220V也能顺利通过整流电路，向后级电路提供直流电。就算是个别变电站的直流电源系统为直流110V，因开关电源输入电压范围很宽，故也不存在任何问题。
图2-1 开关电源原理简图
部分厂家为节约成本或出于其它原因，其设备内部电源模块的输入电路采用了半波整流，故此时直流220V输入就有方向的要求了。如，终端服务器Moxa NPort6650-16，使用手册上就作了这样的说明。后续应用实验到的网络交换机Cisco WS-C2960也是如此。
2.2实验情况
2.2.1 测量各类设备的输入阻抗
测量方法，在不打开其机箱查看电路的情况下，用万用表（Fluke111）的“电阻档”测试，主要通过测得的电阻值来简单快速判断内部是开关电源还是老式的工频变压器整流电源。
从表2-1的记录实测数据可以看出，电阻值均较大，不属于工频变压器类型，而应属于开关电源类型。
序号 设备类别 设备型号 L、N之间的电阻值 L、地之间的电阻值 N、地之间电阻值
1 网络交换机 Cisco WS-C2950 0.612兆歐 ∞ ∞
2 网络交换机 Cisco WS-C2960 1.217兆欧 ∞ ∞
3 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 1.056兆欧（开关OFF） ∞ ∞
4 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 0.380兆欧（开关ON） ∞ ∞
5 防火墙 NetEye 0.836兆欧 ∞ ∞
6 当地监控后台机（台式计算机） Dell GX260 0.760兆欧 ∞ ∞
7 液晶显示器 Dell 1703Fpt 1.0兆欧 ∞ ∞
表2-1 变电站IT类设备输入阻抗测量记录表
2.2.2 输入直流220V，观察设备运行是否正常。
从表2-2记录的运行情况可以看出，直流输入时设备均能运行正常，且网络交换机Cisco WS-C2960直流输入时还有正负极性的要求。
序号 设备类别 设备型号 L、N之间接入直流 “＋” 220V时的运行情况 L、N之间接入直流 “－” 220V时的运行情况
1 网络交换机 Cisco WS-C2950 工作正常（内部有指示灯亮） 工作正常（内部有指示灯亮）
2 網络交换机 Cisco WS-C2960 未工作（风扇不转，SYST灯不亮） 工作正常（风扇转，SYST灯闪烁）
3 数据网路由器内的电源模块 Cisco 3725电源模块 工作正常（有输出电压） 工作正常（有输出电压）
4 防火墙 NetEye 工作正常（风扇转，Power灯亮，HDD灯闪烁） 工作正常（风扇转，Power灯亮，HDD灯闪烁）
5 当地监控后台机（台式计算机） Dell GX260 工作正常（电源灯亮） 工作正常（电源灯亮）
表2-2 变电站IT类设备直流供电测试记录表
2.3 现场实践情况
2.3.1 IT类设备正向应用的一些情况。即标注为交流供电的设备，实际采用直流供电
2010年的220kV变电站二次安防工程，其二次安全防护设备（防火墙FW5120、网络交换机Cisco WS-C2960）；2011年的220kV变电站第二平面工程，其路由器ZXR10-3800、网络交换机ZXR10-2928；2011年的青阳变增容改造工程、球庄变新建工程，其路由器Quidway AR2240。这些，IT类设备均采用了直流220V供电，运行稳定正常。
2.3.2 其它设备的一些情况
2.3.2.1 监控系统设备屏、测控装置反向应用的一些情况。即标注为直流供电的设备，实际采用交流供电
1999、2000、2001年的35kV变电站计算机监控系统BJ-3设备屏，采用了交流220V供电，这说明其内部的开关电源模块对交直流来讲是互通的，即原先定义直流220V供电的设备，用交流220V也能正常运行。
2009年的UPS机房RCS-9603测控装置，采用了交流220V供电，这也说明是互通的。
2.3.2.2 早期的电气量变送器不能直流供电的一些情况
只有90年代至21世纪初的电气量变送器（交流有功功率变送器、交流电流变送器、交流电压变送器等等），其内部采用的是线性电源模块。花园电厂还出现了多次变送器故障的情况（实际为内部电源模块烧坏），后查明该变送器屏接在了应急电源上，应急电源是每隔几个月要切换一次，即由交流短时间地切到直流上，即直流向变送器供电，因变送器内部电源输入为工频变压器，故造成小电阻短路烧毁线圈。
3 结语
早期投运的35kV变电站（即少量80年代投运的），其电容储能式直流电源系统已陆续淘汰，改造为蓄电池组式直流电源系统，故变电站直流电源系统已是非常可靠的设备、回路供电系统。
传统的UPS，其应用的范围一般为各单位数据中心机房，各级各类调度大楼自动化机房、信息机房，由单独的蓄电池组作为后备电源，确保给设备提供不间断的交流220V电源。这些场所，只能提供市电，即交流220V，它不像变电站有直流电源系统。
80年代末至90年代初的变电站安装自动化装置（遥测、遥信），以及90年代中期开始的变电站无人值班改造（遥测、遥信、遥控），那时因电气量变送器、遥控执行屏等设备其内部仍为线性电源模块，只能交流220V供电，故变电站内必须配置传统的UPS（含蓄电池组），向这些设备提供不间断的交流220V电源。
21世纪初开始的变电站综合自动化改造，陆续淘汰了技术落后的电气量变送器、遥控执行屏等设备，采用的技术先进的测控装置、保护测控一体装置。虽然当时传统UPS陆续或同步淘汰，采用了后备电源为直流220V的新式UPS、或逆变电源，但UPS这个类型的设备还继续存在着，向这些电源输入端文字标注着交流220V输入的IT类设备供着电。
根据上述对开关电源的发展过程分析，变电站IT类设备内部电源模块的分析、试验及现场实践，可以得出变电站内的IT类设备可以采用直流供电的结论。
从上可以看出，变电站有一般办公场所所不可能具备的直流电源系统，且该供电系统是非常可靠的，而变电站的这些IT类设备在技术层面又完全可以支持直流供电，那么变电站UPS已经没有存在的必要性了。故本文最终提出取消UPS（及逆变电源），以简化变电站内供电网络，精简设备，提升变电站运行可靠性。
参考文献
[1] 裴云庆，杨旭，王兆安. 开关稳压电源的设计和应用. 北京：机械工业出版社，2010.
[2] 沙占友，于国庆，王晓君，许云峰等. 线性及开关稳压器设计320例. 北京：电子工业出版社，2009.
[3] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2006.
[4] 何永华. 发电厂及变电站的二次回路. 北京：中国电力出版社，2004.
[5] 姚春球. 发电厂电气部分. 北京：中国电力出版社，2004.
[6] 谢萍. 直流系统及逆变电源系统 施工图. 南京：江苏省电力设计院，2010.
[7] NSR600R系列保护测控装置说明书. 南京：国电南瑞科技股份有限公司，2004.
[8] PS60000变电站综合自动化系统说明书. 南京：国电南京自动化股份有限公司，2002.