陳嘉，田志峰，呂為，高強(qiáng)，黃曉奇

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

新型電力系統(tǒng)背景下的配電通信網(wǎng)建設(shè)工作中存在通信設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備電源可靠性低、抗多點(diǎn)故障能力弱等業(yè)務(wù)痛點(diǎn)。（1）配網(wǎng)通信電源相關(guān)故障嚴(yán)重影響快速?gòu)?fù)電成功率。在出現(xiàn)線路跳閘后，無(wú)論是集中式線路自愈，還是需進(jìn)行快速?gòu)?fù)電操作，都需要配網(wǎng)通信設(shè)備為配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用提供通道保障。在交流市電跳閘斷電的情況下，目前無(wú)法采取有針對(duì)性地應(yīng)急供電措施，從而不能有效保障線路自愈或快速?gòu)?fù)電。（2）配網(wǎng)通信電源相關(guān)故障長(zhǎng)期擠占大量運(yùn)維資源。按某地區(qū)供電局2021 年配網(wǎng)通信搶修工程量統(tǒng)計(jì)，約57%的搶修臺(tái)班與設(shè)備電源有關(guān)，尤其是配電電停電檢修引起的配電數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)環(huán)跳工作消耗大量人力物力，成本效益很低卻又不得不為之。（3）缺乏監(jiān)控配網(wǎng)通信設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的有效技術(shù)手段。配電點(diǎn)通常運(yùn)行環(huán)境惡劣，目前的技術(shù)手段無(wú)法對(duì)配網(wǎng)通信設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能感知設(shè)備用電狀況，更談不上落實(shí)事故預(yù)防措施，設(shè)備損耗率長(zhǎng)期居高不下。為此項(xiàng)目組調(diào)研了大量的配網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采集了設(shè)備安裝空間、電源配置等信息，針對(duì)柜體小型化、完備的供電系統(tǒng)、靈活的安裝方式等開展了深入的技術(shù)論證，原創(chuàng)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種應(yīng)急能源智慧管理裝置，主要解決配網(wǎng)通信設(shè)備應(yīng)急供電和環(huán)境監(jiān)控等一系列問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

柜體布局結(jié)構(gòu)主要由應(yīng)急儲(chǔ)能組件、智慧電源管理組件、交換機(jī)放置區(qū)、ODF 配線單元區(qū)、繞纖單元區(qū)和光纖固定單元區(qū)等組成。柜門為防盜結(jié)構(gòu)，裝有門禁監(jiān)測(cè)感應(yīng)器，采用帶限位器伸縮撐桿鉸鏈。柜體外殼依照IP34 防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)，并用金屬層板隔離出獨(dú)立的蓄電池系統(tǒng)區(qū)，以起到限制鋰電池包熱失控故障風(fēng)險(xiǎn)影響范圍的作用。在柜體底部過(guò)線孔開槽并裝有可拆卸式鎖片，支持免ODF 割接的低施工成本改造方式。

其中智慧電源管理組件除具備基本的交流220V 轉(zhuǎn)直流24V 供電功能外，具有寬范圍輸入、良好的輸出調(diào)整率，具備輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)流（短路）保護(hù)、輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)、整機(jī)過(guò)溫保護(hù)、浪涌電壓保護(hù)以及EMI 濾波等功能；整合了電池管理模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰電池智能充放電管理功能；配置了基于ARM 架構(gòu)的感知系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)交直流電量參數(shù)、柜體環(huán)境溫濕度和門禁狀態(tài)信息的采集管理；內(nèi)嵌了IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議模塊，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制信息在終端側(cè)和監(jiān)控平臺(tái)側(cè)之間的數(shù)據(jù)交互。

應(yīng)急儲(chǔ)能組件選用帶電池管理系統(tǒng)管理25Ah 的磷酸鐵鋰電池，能滿足主流配電數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)18 小時(shí)以上的后備工作時(shí)間要求。在交流市電跳閘或停電檢修情況下，仍能為環(huán)網(wǎng)內(nèi)配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)提供可靠通道，可有效保障配網(wǎng)線路自愈或快速?gòu)?fù)電。

主站監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)為B/S 架構(gòu)。采集后臺(tái)支持通過(guò)IEC61850 協(xié)議進(jìn)行接收遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)，下發(fā)遙控、遙調(diào)配置。采集程序接收測(cè)量設(shè)備的原始信息，包括周期推送、實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)等。具體通過(guò)kafka 實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。

2 智慧電源管理組件工作原理

智慧電源管理組件（以下簡(jiǎn)稱PDU）邏輯架構(gòu)參照?qǐng)D1，其中各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

圖1 邏輯架構(gòu)圖

（1）主程序。主程序主要功能：對(duì)IEC61850 通訊管理、RS485 通訊管理、LTC4162 充電管理、AC（220V）參數(shù)采集管理、DC 參數(shù)采集管理、溫濕度采集管理、門禁管理、LED 顯示、調(diào)試信息的信號(hào)采集、處理、控制以及信息數(shù)據(jù)打印，以到達(dá)對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)控與時(shí)間片段輪訓(xùn)上傳到監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)與無(wú)人看守的智能監(jiān)控控制。

（2）通訊模塊。IEC61850 通訊：通信電源系統(tǒng)提供以太網(wǎng)口（100Base-T）與監(jiān)控主站之間通信。通信電源系統(tǒng)與監(jiān)控主站之間采用TCP 方式進(jìn)行通訊，通信電源系統(tǒng)作為TCP 服務(wù)端，監(jiān)控系統(tǒng)作為TCP 客戶端。通信電源系統(tǒng)同時(shí)支持不少于4 個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)訪問(wèn)。通信電源系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)通信之間采用DL/T860 標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850）上報(bào)數(shù)據(jù)，具體遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控量參照技術(shù)規(guī)范的要求，使用統(tǒng)一的監(jiān)控名稱及邏輯名稱。IEC61850 通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控協(xié)議滿足《電網(wǎng)通信電源監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CSG1204027-2018）相關(guān)要求的設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足PDU 核心控制模塊為從機(jī)，IEC61850 管理模塊為主機(jī)，數(shù)據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互設(shè)計(jì)。

RS458 通訊：把MCU 出來(lái)的一條的TTL 信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片轉(zhuǎn)換為兩根線（線A、線B）上的信號(hào)。當(dāng)MCU 給轉(zhuǎn)換器輸入低TTL 電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)使得B 的電壓比A 的電壓高，反之，A 的電壓比B 的電壓高。RS485 協(xié)議規(guī)約兩條電平線上差值為多少表示0 或者1，在通過(guò)自定義的主從機(jī)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互設(shè)計(jì)。

（3）LTC4162 充電管理。LTC4162 充電管理IC 通過(guò)IIC 硬件接口連接，在使用相應(yīng)的IIC 通訊協(xié)議進(jìn)行讀取輸入電壓、電流、輸出負(fù)載電流、電池電壓、電流等參數(shù)，同時(shí)能設(shè)置輸入電壓、電流以及電池電壓、電流的上下限值等參數(shù)的充電管理。實(shí)現(xiàn)PDU 核心控制模塊為主機(jī)，LTC4162 充電管理模塊為從機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控遙測(cè)設(shè)置。

（4）溫濕度采集管理。溫濕度采集管理IC 通過(guò)IIC 硬件接口連接，在使用相應(yīng)的IIC 通訊協(xié)議進(jìn)行讀取溫度、濕度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PDU 核心控制模塊為主機(jī)，溫濕度采集管理模塊為從機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控遙測(cè)機(jī)柜環(huán)境溫濕度。

（5）門禁管理。門禁管理通過(guò)PDU 核心控制模塊的輸入IO 進(jìn)行電平高電位，低電位的檢測(cè)，低電位開，高電位關(guān)，以及低電位持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。

（6）BMS 管理設(shè)備。BMS 管理設(shè)備通過(guò)對(duì)電池包里的每節(jié)電池電壓的過(guò)壓、欠壓；電流的過(guò)流的管理以及電池過(guò)充、過(guò)放、電池短路管理控制，實(shí)現(xiàn)PDU 核心控制模塊為主機(jī)，BMS 管理設(shè)備為從機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控遙測(cè)BMS管理設(shè)備情況通訊接口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485電氣接口，采用自定義的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

（7）LED 顯示。實(shí)現(xiàn)對(duì)是否有AC（220V）；電池包是否在充電以及是否有DC 輸出的指示提醒，AC220V接入時(shí)AC 紅燈亮，電池充電指示燈亮，DC 供電指示燈滅；AC220V 停電時(shí)AC 紅燈滅，電池充電指示燈滅，DC供電指示燈亮。

3 應(yīng)急儲(chǔ)能組件選型分析

通過(guò)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，配網(wǎng)通信設(shè)備對(duì)應(yīng)急儲(chǔ)能的需求主要有3 點(diǎn)：一是續(xù)航時(shí)間要夠長(zhǎng)。交流市電中斷后，設(shè)備續(xù)航時(shí)間必須能夠覆蓋絕大多數(shù)停電事件的持續(xù)事件，一般要保證12 小時(shí)備電。二是運(yùn)行耐溫要夠高。在華南沿海城市地區(qū)，配電房設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度通常都在40 ～50℃區(qū)間浮動(dòng)。三是采購(gòu)成本要夠低。按照華南沿海超大城市電網(wǎng)2 萬(wàn)多個(gè)配電點(diǎn)的規(guī)模來(lái)全覆蓋改造，采購(gòu)成本控制得好不好將直接影響成果產(chǎn)品推廣應(yīng)用情況。

基于以上選型需求，參考目前應(yīng)急儲(chǔ)能市場(chǎng)主流技術(shù)方向，對(duì)以下幾種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了論證。

（1）耐高溫鉛酸蓄電池。耐高溫鉛酸蓄電池是基于節(jié)約運(yùn)營(yíng)商基站空調(diào)能耗而設(shè)計(jì)的，持續(xù)高溫使用安全可靠。相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，其差異特性見表1。

表1 耐高溫鉛酸蓄電池差異特性表

雖然耐高溫鉛酸蓄電池運(yùn)行溫度特性符合需求，但是其體積大、循環(huán)壽命短、故障率高等缺點(diǎn)較難解決。

（2）超級(jí)電容器。超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容器相比，有極高的儲(chǔ)能密度，具有低內(nèi)阻、高功率、寬工作溫區(qū)、超長(zhǎng)循環(huán)壽命等特性，且原材料天然無(wú)污染。超級(jí)電容器在-40 ～65℃主要性能指標(biāo)幾乎無(wú)差異，溫度特性符合需求。但是，作為其主要優(yōu)點(diǎn)的快速充電和瞬間大功率放電能力，對(duì)于配網(wǎng)通信場(chǎng)景而言并非關(guān)鍵因素。反而，目前超級(jí)電容器生產(chǎn)成本較高，不符合本場(chǎng)景需求。

（3）鋰電池。鋰電池按極片材料的不同又可細(xì)分為磷酸鐵鋰電池(LFP)、鈷酸鋰電池(LCO)、錳酸鋰電池(LMO)、鎳鈷錳酸鋰電池(NCM)等。相比于其他材料，LFP 電池耐高溫，工作溫度范圍在-20 ～75℃，熱峰值最高可達(dá)500℃。并且安全穩(wěn)定性好，相對(duì)于其他材料的層狀晶體結(jié)構(gòu)，LiFePO4具有緊密堆積的橄欖石結(jié)構(gòu)，難以分解，即便在高溫或過(guò)充時(shí)也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或形成強(qiáng)氧化物質(zhì)。LFP 更適用于配電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景，是本項(xiàng)目的優(yōu)選方案。

4 主站監(jiān)控平臺(tái)

主站監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了61850 協(xié)議轉(zhuǎn)換，充分挖掘了服務(wù)器的運(yùn)算能力，節(jié)省了61850 協(xié)轉(zhuǎn)設(shè)備的硬件投資。其采集后臺(tái)定時(shí)通過(guò)61850 協(xié)議連通站點(diǎn)電源柜測(cè)量設(shè)備采集遙測(cè)、遙信到kafka，同時(shí)具備接收kafka 的遙控、遙調(diào)消息數(shù)據(jù)通過(guò)61850 協(xié)議進(jìn)行下發(fā)。適配后臺(tái)接收kafka 的遙測(cè)、遙信消息數(shù)據(jù)進(jìn)行適配入庫(kù)，同時(shí)兼具接收界面下發(fā)調(diào)用往kafka 遙控、遙調(diào)生產(chǎn)消息。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)采集回來(lái)的遙測(cè)、遙信、遙調(diào)信息。界面提供了所有相關(guān)可操作的功能頁(yè)面，包括監(jiān)控管理、歷史信息、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、系統(tǒng)管理等等功能。在服務(wù)器云與配電數(shù)據(jù)網(wǎng)的互聯(lián)方式上也特別部署了安全隔離防火墻，屏蔽可能來(lái)自各配電房、環(huán)網(wǎng)柜的網(wǎng)絡(luò)攻擊（圖2）。

圖2 監(jiān)控平臺(tái)聯(lián)接拓?fù)?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

本成果在配電網(wǎng)通信設(shè)備柜中實(shí)現(xiàn)了支持多維運(yùn)行環(huán)境要素感知系統(tǒng)和對(duì)鋰電池智慧管理系統(tǒng)的整合，并原生支持IEC61850 協(xié)議，以及實(shí)現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控和便于施工、改造、運(yùn)維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本成果能在惡劣的環(huán)境下工作，同時(shí)具有交直流同時(shí)輸出功能；具備應(yīng)急供電功能，以及對(duì)磷酸鐵鋰電池智能充放電管理功能，確保配網(wǎng)交換機(jī)掉電不掉線；實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜運(yùn)行條件下的多維環(huán)境要素感知，具有“可靠、可測(cè)、可控”獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本成果產(chǎn)品的推廣，可通過(guò)保障配網(wǎng)線路自愈或快速?gòu)?fù)電操作來(lái)減少間接經(jīng)濟(jì)損失，降低搶修及檢修運(yùn)維人工成本，降低設(shè)備運(yùn)行損耗帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失，并通過(guò)在線監(jiān)控設(shè)備用電狀態(tài)，指導(dǎo)針對(duì)性的事故預(yù)防措施以節(jié)約投資。