一、直流电源系统简介
发电厂和变电站的直流电源系统是保证操作电源、继电保护装置、自动控制装置、计算机监控系统、通信系统、遥视安防系统等在发电厂和变电站失去交流电源时仍能正常工作的重要安全设施。数十年来人们一直在沿用如图1所示的模式构造直流电源系统。
图1中的整流充电器、蓄电池组、绝缘电压监察装置及负荷在技术水平上都经历了极大的变革:充电器从早期的汞弧整流器、硒整流器、硅整流器、晶闸管整流器到现在的开关电源;蓄电池从维护烦杂、腐蚀气体无孔不入的低寿命到如今的免维护密封高能蓄电池;监察装置从原始的分立元件电磁继电器到微机全智能化监控系统;不仅如此负荷性质也有了极大的变化，过去以高耗低效的负荷为主，而现在大部分设备都是低耗高效的微机型设备，尤其应指出的是这些设备几乎都是交直流电源两用设备。这一进步不得不唤起人们关注直流电源系统的技术改造，改造的目标就是提高系统的性能/价格比。
下面将着重讨论供继电保护、自动装置、信号系统、计算机监控系统、通信系统、遥视安防系统、大屏幕显示系统等使用的直流系统改造问题。而讨论的起点则是从不间断电源UPS(Unintemptable Power Supply)开始。
二、变电站二次设备的传统供电可靠性 发电厂和变电站有为数不少的负荷需保证不间断供电，尤其在事故状态时更不允许供电中断。以火电厂的电气二次设备为例:计算机监控系统、继电保护装置、安全自动装置、断路器跳闸及合闸操作回路、预告及事故信号回路、控制室长明灯、设备位置信号、事故照明、通信系统、大屏幕显示系统、遥视警戒系统等都要求不间断供电。目前，解决不间断供电的途径是由蓄电池组供电，或由UPS供电[1]。现在几乎在所有的发电厂和变电站都可以看到这样的设计，这一供电方式似乎还会延续下去。然而，人们忽视了近20年来发电厂和变电站的大量(几乎全部)二次设备在电源供给上发生了一个根本性的变革，即当今这类装置内部都使用了小巧、高效的逆变开关稳压电源。它不再限于只能由交流电源供电，而且还可以由直流电源供电。显然，只要发电厂和变电站有了由蓄电池组产生的可靠直流电源，就能确保所有二次设备不会因交流电源停电而停止工作。于是UPS对发电厂和变电站而言就纯属多余，它不仅耗费了不菲的资金，而且使电源系统又多了一个引发故障的环节。
图2是传统二次设备的供电系统示意图。
图2中充电器左侧的UPS在交流电源停电时，利用自带的蓄电池经过逆变转换为交流电压继续供电、持续供电时间取决于蓄电池的容量。充电器右侧的逆变器实质是不带蓄电池的UPS，它将电站蓄电池组提供的直流电源逆变为交流电源，保证对负荷的不间断供电，从某种意义上讲图2中左右两侧都使用了逆变技术，只不过是蓄电池的来源不同而已。
三、逆变开关稳压电源 体积小、重量轻、效率高、干扰小、调压范围广的逆变开关稳压电源取代了体积大、重量重、效率低、干扰大、调压范围窄的线性稳压电源。这一变化带来的更大价值是后者只能取用交流电源，而前者则交直流电源通用，这就为在既有交流电源又有直流电源的发电厂和变电站奠定了废除UPS的基础。图3是一个线性稳压电源的原理示意图。
交流电压经过变压器TC将电压降低到给定值后由整流器VC整流为直流电压U1，再通过三端稳压器VST输出规定的稳定直流电压U0;C1，C2，C3为滤波电容。U0提供该二次设备所需的直流电压，由于负荷变化所引起的电压波动均由VST吸收，从而保证U0的稳定。为了使负荷在一定范围内变动时U0足够稳定，就要求VST能较大范围地吸收电压的波动，因而VST的功耗很大。再加上笨重的变压器，所以这种稳压电源技术指标极差。
由于一般电子电路的工作电压都是较低的直流电压，例如5V,l2V,24V等，所以变压器TC将电压降低并起电磁隔离作用就是不可或缺的部件。正是由于这个变压器的存在，就注定只能使用交流电源。
图4是一个脉宽调制(PWM)原理的逆变开关稳压电源的原理示意图。
开关晶体管VT1和高频变压器TP的W1及W3绕组构成了一个自激振荡开关电路，交直流电源经LC噪声滤波器后通过整流器VC整流得到直流电压U1。当开关管VT1导通时TP的次级绕组W2无输出电流。而当VT1截止时则W2将变压器的储能输出。由于VT1在振荡过程中交替导通和截止，工作在开关状态，所以变压器TP的绕组W2输出为一个占空比受晶体管VT2控制的矩形波电压，经过二极管VD整流及电容C滤波后即得到平滑的直流输出电压U0供负荷使用。比较放大器AJ通过分压器R1，R2取得输出电压U0的当前值，再与稳压管VS的标准电压比较，输出与电压偏差成比例的电流控制线性光藕合器的LED电流，进而调节晶体管VT2的基极电流，改变振荡电压的占空比，从而实现电压的稳定调节。
不难看出开关电源靠调节振荡矩形波电压的占空比稳定电压，开关管VT1交替工作在开(电阻极小)和关(电阻极大)两个状态，因此功耗极小，且由于将矩形波进行整流很容易得到平滑的直流输出电压，因此目前各种电子设备几乎全都淘汰了线性稳压电源，例如计算机、打印机、显不器、服务器、微机继电保护、微机自动装置、路由器、RTU、测量仪表甚至DVD、电视机、录像机、手机等都采用开关电源。图4中没有图3中的电源变压器TC，电源通过由高频电感L及电容C组成的噪声滤波器后直接施加到整流器VC上。不难看到，不管是直流电压或是交流电压加到整流器后，输出的都是直流电压，只不过输入交流电压时全波整流桥的两对桥臂交替导通，而输入直流电压时只有一对桥臂持续导通，在整流二极管容量足够且滤波的容量足够大的前提下丝毫不影响稳压电源的输出电压和功率。
由此可见，把发电厂和变电站现成的直流电源直接作为各个二次设备的电源，摒去传统二次设备供电系统中的UPS和逆变器(见图2)，不仅节省投资，而且提高了直流电源系统的可靠性。
四、分布式直流电源系统
分布式控制提高了系统的可靠性和运行速度，并使系统结构清晰，扩展方便。概括地说分布式控制系统就是分散危险性，避免高度集权所造成全军覆没的毁灭性后果[2]。
发电厂和变电站对直流电源从来都是极端重视的，因为它涉及到对最要害设备的供电，所以都尽可能减少直流电源的负荷数量、减少直流电缆的敷设长度，从而避免为数不多(一组或两组蓄电池)的直流电源遭受侵害而停电。
在以前的设计中未曾考虑所有二次设备都直接取用直流电源，尽管它们都具备这个条件，而且这样做不仅省去了用于UPS的投资，更重要的是提高了可靠性，因所有二次设备都处在交、直流电源同时供电的双保险状态。在阐述分布式直流电源系统的方案之前，先提供一个作者已使用多年的交直流电源无缝切换电路，如图5所示。
图5的虚线左面为交、直流电源自动无缝切换电路，交流电源经变压器TC次级输出到整流器VC及滤波电容C，得到整流后的直流电压UJ，设计时使UJ略高于直流电源电压UZ，这样由于二极管VD1，VD2被反偏，形成负载电流完全由UJ供给，一旦交流电源消失，UJ下降到低于Uz时，VD1，VD2反偏消失，直流电源无缝进入带负荷状态，二极管VD3，VD4则用于防止直流电源倒灌。如果发电厂和变电站的二次设备按这种模式设计电源系统，比起用UPS既省钱又更可靠。
现在的蓄电池与20年前相比已有了很大改进，其体积小、容量大、免维护。当前的逆变开关电源同样是体积小、容量大、效率高且自动化程度高，还可实现远程监控和维护;再加上所有二次设备都能够直接取用直流电源，这些优越的硬件条件已足以支持产生分布式直流电源系统。作者认为分布式直流电源系统应具备以下特点:
a.充电器、蓄电池组、监控设备三合一、组成独立的直流电源屏。
b.二次设备按工作性质及负荷大小分组，每组二次设备由一面与诸设备并列布置的直流电源屏供电，即直流电源屏下放到二次设备安装地。
c.多面直流电源屏共用一面备用直流电源屏，并能实现备用电源自动切换。
d.各直流电源屏的监控设备通过现场总线或局域网受控于上位控制机。
不难看出，这样的直流电源系统不同于过去由1-2组蓄电池组集中供电的方式，由于电源及负荷在地域上进了分散，缩短了电源电缆供电距离。减少了每组蓄电池组的供电范围，大大降低了直流系统接地和故障概率，并且减少了维护工作量。