基于模块化ups的供电系统的制作方法
【专利摘要】一种基于模块化UPS的供电系统，包含模块化UPS、电性连接模块化UPS的智能配电模块、电性连接模块化UPS的若干磷酸铁锂电池组系统、以及电性连接智能配电模块和模块化UPS的智能监控单元。本发明解决了现有轨道交通供电系统使用及维护成本高、故障修复时间长、充放电控制策略不适合磷酸铁锂电池组系统、监控管理能力弱、故障数据记录简单、系统可扩展性差等问题，从整体上提高了轨道交通供电系统的可靠性、实用性，并降低了维护成本。
【专利说明】基于模块化UPS的供电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于模块化UPS (不间断电源Uninterruptible Power Supply)的供电系统。
【背景技术】
[0002]UPS供电系统是确保轨道交通系统高效、安全和可靠运营的基础，UPS供电系统给机房内用电设备提供高质量的不间断电源，来保证用电设备正常工作。现有轨道交通UPS供电系统基本采用塔式UPS系统，内部各功能模块多采用电缆或铜排通过螺钉紧固连接，更换维护工作量大，且需要将UPS内部与输入输出电气分断隔离后才能进行维修，因此使用及维护成本高、故障修复时间长。塔式UPS通常采用1+1或2+1并联冗余、单机双总线、(1+1)系统并联双总线方案，由于环流的影响，并机数量越多，可靠性反而下降。此外，考虑到系统扩容困难，初期装机容量大、并机数量多及大量电池组投资，造成大量资金沉淀浪费，塔式UPS系统一般采用铅酸或镍-镉电池作为备用电源，电池配置多，占地面积非常大，且重量重，必须对建筑进行加固。总之，塔式UPS系统存在着使用及维护成本高、故障修复时间长、充放电控制策略不适合磷酸铁锂电池组系统、监控管理能力弱、故障数据记录简单、系统可扩展性差等问题。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种基于模块化UPS的供电系统，解决了现有轨道交通供电系统使用及维护成本高、故障修复时间长、充放电控制策略不适合磷酸铁锂电池组系统、监控管理能力弱、故障数据记录简单、系统可扩展性差等问题，从整体上提高了轨道交通供电系统的可靠性、实用性，并降低了维护成本。
[0004]为了达到上述目的，本发明提供一种基于模块化UPS的供电系统，该供电系统包含智能监控单元和电性连接智能监控单元的若干模块配电装置；所述的模块配电装置包含模块化UPS、电性连接模块化UPS的智能配电模块、以及电性连接模块化UPS的若干磷酸铁锂电池组系统。
[0005]进一步地，所述的模块化UPS包含旁路模块、维修旁路模块、监控模块和若干UPS功率模块，所述的旁路模块、维修旁路模块、监控模块和若干UPS功率模块分别电性连接智能配电模块，所述的UPS功率模块的数量等于磷酸铁锂电池组系统的数量，每个UPS功率模块对应电性连接磷酸铁锂电池组系统，所述的监控模块电性连接每个磷酸铁锂电池组系统。
[0006]进一步地，所述的UPS功率模块包含整流器、电性连接整流器的逆变器和电性连接逆变器的充电器，所述的整流器和逆变器电性连接智能配电模块，所述的逆变器和充电器电性连接磷酸铁锂电池组系统。
[0007]进一步地，所述的磷酸铁锂电池组系统包含若干串联的单体电池、若干并联在单体电池两端的电池控制模块、以及总线连接若干电池控制模块的电池组管理模块，所述的电池组管理模块电性连接模块化UPS。
[0008]所述的电池组管理模块通过总线和两路干接点将信息输出给模块化UPS。
[0009]进一步地，所述的智能配电模块包含电性连接模块化UPS的输入配电模块和输出配电模块、电性连接输入配电模块的自动转换开关，所述的自动转换开关连接主电源和备用电源，所述的输出配电模块连接负载。
[0010]进一步地，所述的输入配电模块包含电性连接的输入断路器和输入分路开关。
[0011]进一步地，所述的输出配电模块为输出分路开关。
[0012]本发明从整体上提高了轨道交通供电系统的可靠性、实用性，并降低了维护成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明提供的一种基于模块化UPS的供电系统的电路框图。
[0014]图2是模块化UPS的电路框图。
[0015]图3是UPS功率模块的电路框图。
[0016]图4是磷酸铁锂电池组系统的电路框图。
[0017]图5是智能配电模块的电路框图。
【具体实施方式】
[0018]以下根据图1?图5，具体说明本发明的较佳实施例。
[0019]如图1所示，本发明提供一种基于模块化UPS的供电系统，包含智能监控单元4和电性连接智能监控单元4的若干模块配电装置11 ；
所述的模块配电装置11包含模块化UPSl、电性连接模块化UPSl的智能配电模块3、以及电性连接模块化UPSl的若干磷酸铁锂电池组系统2。
[0020]所述的智能配电模块3分别电性连接电源和负载。
[0021]所述的智能监控单元4连接若干智能配电模块3和若干模块化UPS1。
[0022]如图2所示，所述的模块化UPSl包含若干UPS功率模块101、旁路模块102、维修旁路模块103和监控模块104，所述的若干UPS功率模块101、旁路模块102、维修旁路模块103和监控模块104分别电性连接智能配电模块3，所述的每个UPS功率模块101还对应电性连接磷酸铁锂电池组系统2，所述的监控模块104连接每个磷酸铁锂电池组系统2。
[0023]如图3所示，所述的UPS功率模块101包含整流器1011、逆变器1012和充电器1013，所述的整流器1011和逆变器1012电性连接智能配电模块3，所述的逆变器1012和充电器1013电性连接磷酸铁锂电池组系统2。
[0024]UPS功率模块101采用三电平技术，控制技术为高速DSP (数字信号处理器)的数字化并联技术，每个UPS功率模块101独立控制，市电正常的情况下，主电源或备用电源通过智能配电模块3经整流器1011和逆变器1012给负载供电，同时由充电器1013为磷酸铁锂电池组系统2充电，失去主备电源后，由磷酸铁锂电池组系统2通过逆变器1012给负载供电，当所有UPS功率模块101同时故障时，由旁路模块102给负载供电，当所有UPS功率模块101同时故障，旁路模块102也故障时，启用维修旁路模块103给负载供电。监控模块104根据接收到的指令对磷酸铁锂电池组系统2进行充放电控制和上报故障。UPS功率模块101具有故障录波功能，在系统发生故障时，可自动记录故障前后的各种电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，可以分析处理事故，判断保护是否正确动作，提高供电系统的安全运行水平。模块化UPSl内的功能组件以模块为维修单元，任一部分出现故障会自动退出，不影响系统供电，对于故障模块只需在线拔出，插入新的模块即可，维修时间短、零风险。在系统运行时可随意移除和安装UPS功率模块101，不影响系统的运行及输出，既满足后期设备的随意扩容，又降低了初期购置成本。
[0025]所述的模块化UPSl在现有模块化UPS基础上，根据轨道交通实际应用做针对性设计，提高系统可靠性、电池管理水平和可维护性。系统旁路控制有两路互为备份的辅助电源供电，主DSP控制和独立硬件控制双重冗余，提高旁路的可靠性，核心控制板和风道分开设计，防止灰尘进入，UPS功率模块尺寸4U，比标准模块大，有利于通风及散热，UPS功率模块增加输入滤波，加强防浪涌，提高母线电容电压，输出短路保护自诊断恢复，避免假短路，机柜顶部加防水盖板，防止施工时有水滴下来，采用RS485接口连接智能配电模块，支持BMS(电池管理系统Battery Management System)电池管理协议，电池充电电流和电压可调整，UPS输出端提供BMS电源交流输入，当发生故障时，功率模块可记录故障前后的波形和各项参数，包括输入电压、输入电流、母线电压、电池电压、电池电流、逆变电压、电感电流、输出电压、旁路电压。
[0026]如图4所示，所述的磷酸铁锂电池组系统2包含若干串联的单体电池203、若干并联在单体电池203两端的电池控制模块202 (LE⑶)、以及总线连接若干电池控制模块202的电池组管理模块201 (BMU)，所述的电池组管理模块201电性连接模块化UPSl，通过总线和两路干接点将信息输出给模块化UPSl。
[0027]电池组管理模块201通过CAN总线与多个电池控制模块202实时通信，获取单体电池203的电压、温度等参数，电池组管理模块201分析计算得出电池组综合信息后，通过RS485总线及干接点信号上报给模块化UPSl，模块化UPSl根据接收到的指令对磷酸铁锂电池组系统进行充放电控制和上报故障。
[0028]基于模块化UPS的供电系统采用磷酸铁锂电池组系统2作为模块化UPSl的后备电池，克服了采用铅酸电池体积大、设备沉重、寿命短、充电时间长等问题，使其具有高集成度、高智能化、体积小、可快速充电、接线简单明了等特点，最大限度地满足了 UPS对电池的要求。磷酸铁锂电池组系统2采用模块化结构，方便拆卸和更换；采用与UPS—体化的设计方案，内嵌的电池组管理模块201和电池控制模块202对磷酸铁锂电池组系统进行日常测量、监控和维护管理，两路干接点输出作为通信备份，一路用于充电指令上报，一路用于放电指令上报，以提高系统可靠性，同时，磷酸铁锂电池组系统具有均衡维护接口，便于均衡维护。
[0029]如图5所示，所述的智能配电模块3包含电性连接模块化UPSl的输入配电模块301和输出配电模块302、电性连接输入配电模块301的自动转换开关303(ATS)，所述的自动转换开关303连接主电源和备用电源，所述的输出配电模块302连接负载。
[0030]所述的输入配电模块301包含电性连接的输入断路器和输入分路开关，所述的输出配电模块302为输出分路开关。
[0031]当主电源正常时，主电源经自动转换开关303给输入断路器送电，再传送到输入分路开关，通过输入分路开关给模块化UPSl供电，模块化UPSl对送入的电源经整流、逆变后成为纯净的标准正弦波电源，经输出分路开关送给各负载供电。当主电源异常时，经自动转换开关303切换到备用电源给模块化UPSl供电，其工作原理跟在主电源状况下是一样的，在主电源与备用电源切换过程中有短暂的供电中断，这时由磷酸铁锂电池组系统2供应电能给模块化UPS1，确保系统的正常供电保障。可为信息设备提供近距离电源，缩短线路传输距离，减少占地面积。经过系统的模块化设计，可实现快速安装及更换，大幅提高管理运营效率，降低运营成本。对输出各分路开关进行控制，实现分时下电。输入输出的相线及零线分别对地加装避雷器，有效避免浪涌电压的影响。
[0032]所述的智能监控单元4基于32bit ARM Cortex_M3系列微控制器STM32F205实现，STM32F205提供多个USART接口和2个UART接口，USART分别经TTL-RS232电平变换芯片SP3222EEA形成RS232串口，用于连接智能配电模块3和模块化UPS1，I路UART连接IPORT模块，该IPORT模块集成10/100M自适应以太网接口，串口通信最高波特率高达230.4Kbps，具有 TCP Server, TCP Client, UDP 和 Real COM driver 等多种工作模式，支持最多四个连接，支持域名访问，另外I路UART UART6连接M35 GSM/GPRS模块，该GSM/GPRS 模块内嵌常用的 TCP、UDP、FTP、HTTP、SMTP、MUX 协议栈，使用 GSM 07.07,07.05 和其它AT扩展指令等实现数据的透明传输，还支持点到点短信收发，实现主动报警。智能监控单元4的供电电压为3.3?4.6V，典型电压为4.0V，工作温度范围-40?+85°C。基于模块化UPS的供电系统中各个设备通过RS232总线，把信号汇集到智能监控单元4，智能监控单元4收到各个设备的信号数据后，通过GPRS接口将数据上传至Internet互联网，管理人员可以通过访问互联网实时监控每个设备的工作状况。智能监控单元4同时实现对基于模块化UPS的供电系统中各子系统数据、开关状态的本地监测、组网及远程监控与管理，可以方便和实时地监控供电系统的运行状态，便于维护人员明确设备状况，降低维护成本，提高工作效率。
[0033]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，该供电系统包含智能监控单元(4)和电性连接智能监控单元(4 )的若干模块配电装置(11);所述的模块配电装置(11)包含模块化UPS (I)、电性连接模块化UPS (I)的智能配电模块(3)、以及电性连接模块化UPS (I)的若干磷酸铁锂电池组系统(2)。
2.如权利要求1所述的基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，所述的模块化UPS(I)包含旁路模块(102)、维修旁路模块(103)、监控模块(104)和若干UPS功率模块(101)，所述的旁路模块(102)、维修旁路模块(103)、监控模块(104)和若干UPS功率模块(101)分别电性连接智能配电模块(3)，所述的UPS功率模块(101)的数量等于磷酸铁锂电池组系统(2 )的数量，每个UPS功率模块(101)对应电性连接磷酸铁锂电池组系统(2 )，所述的监控模块(104)电性连接每个磷酸铁锂电池组系统(2)。
3.如权利要求2所述的基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，所述的UPS功率模块(101)包含整流器(1011)、电性连接整流器(1011)的逆变器(1012)和电性连接逆变器(1012)的充电器(1013)，所述的整流器(1011)和逆变器(1012)电性连接智能配电模块(3)，所述的逆变器(1012)和充电器(1013)电性连接磷酸铁锂电池组系统(2)。
4.如权利要求3所述的基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，所述的磷酸铁锂电池组系统(2 )包含若干串联的单体电池(203 )、若干并联在单体电池(203 )两端的电池控制模块(202)、以及总线连接若干电池控制模块(202)的电池组管理模块(201)，所述的电池组管理模块(201)电性连接模块化UPS (I)。
5.如权利要求4所述的基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，所述的电池组管理模块(201)通过总线和两路干接点将信息输出给模块化UPS (I)。
6.如权利要求4或5所述的基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，所述的智能配电模块(3)包含电性连接模块化UPS (I)的输入配电模块(301)和输出配电模块(302)、电性连接输入配电模块(301)的自动转换开关(303 )，所述的自动转换开关(303 )连接主电源和备用电源，所述的输出配电模块(302)连接负载。
7.如权利要求6所述的基于模块化UPS的供电系统,其特征在于,所述的输入配电模块(301)包含电性连接的输入断路器和输入分路开关。
8.如权利要求7所述的基于模块化UPS的供电系统，其特征在于，所述的输出配电模块(302)为输出分路开关。
【文档编号】H02J9/06GK104242438SQ201410384708
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】蒋新华, 周钦哲, 吴洋, 刘祥, 彭健 申请人:上海航天电源技术有限责任公司