國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司 楊可林 張 娜 解曉敏 馬 群

電力通信系統(tǒng)的運行需通過串聯(lián)蓄電池方式提供電力支持，但傳統(tǒng)串聯(lián)方式極大增加了電池運維難度，并增加了蓄電池連接成本，給通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來一定隱患。因此，本文提出采取并聯(lián)直流電源技術(shù)解決這一問題，通過對蓄電池并聯(lián)方式接入電源系統(tǒng)，利用電壓轉(zhuǎn)換實現(xiàn)在線核容，以滿足通信系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，也能有效減少運維人員工作量，在經(jīng)濟效益和應(yīng)用效果上均有明顯提高。

1 某公司并聯(lián)直流電源系統(tǒng)配置

一般情況下，電力通信系統(tǒng)電源輸出電壓為48V，其配套蓄電池組包括24節(jié)2V，或者4節(jié)12V閥控鉛酸蓄電池串聯(lián)構(gòu)成。直流母線采取并聯(lián)蓄電池設(shè)計，在蓄電池處于浮充狀態(tài)下將蓄電池作為備用電池使用。直流電源系統(tǒng)采取串聯(lián)設(shè)計時，通過對多個蓄電池進行串聯(lián)提供系統(tǒng)端電壓。在串聯(lián)充放電回路中，蓄電池存在較大差異可能會影響板柵腐蝕，對蓄電池壽命帶來影響。因此，應(yīng)當(dāng)確保蓄電池電壓統(tǒng)一，減少蓄電池的使用故障，從而避免對蓄電池壽命帶來影響，保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。蓄電池在充放電一段時間后，可能產(chǎn)生容量、電壓不同步的情況，從而產(chǎn)生過充或放電問題，更需要保證蓄電池電壓均衡。

為了解決串聯(lián)設(shè)計帶來的問題，某公司積極研發(fā)并聯(lián)電源設(shè)計。直流電源系統(tǒng)經(jīng)過對直流母線和模塊均采取并聯(lián)設(shè)計后，并聯(lián)模塊以并聯(lián)方式和直流母線進行連接，在并聯(lián)模塊中包含直流變換器、交流變換器、雙向直流變換器等多種設(shè)備。有效提高電源模塊抗沖擊以及抗負載能力，保障了抗沖擊、冷啟動等相關(guān)需求的滿足。

并聯(lián)直流電源系統(tǒng)并聯(lián)電池組件主要包括12V蓄電池、直流/交流充電組件以及輸出變換器等設(shè)備，對多個組件進行并聯(lián)，形成間接并聯(lián)蓄電池組，更符合電力通信系統(tǒng)的實際需要[1]。在電力通信系統(tǒng)中，各種類型部件可以自動核容，完成熱插拔工作，支持在線換電池等工作需要。一般情況下標準軌中安裝組件和蓄電池一一對應(yīng)，能夠逐一更換蓄電池。

在電源變換模塊中，通過數(shù)字信號芯片的控制功能和采集功能，可以完成智能化無間斷切換電源供電，充分滿足電力系統(tǒng)不間斷的功能。在并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中，提供觸摸屏模塊對系統(tǒng)進行控制，可直接面對母線供電。通過對蓄電池連接方式的創(chuàng)新，能夠利用智能化模塊對蓄電池單體實現(xiàn)精細化管理和控制，并對蓄電池容量監(jiān)測、溫度補償以及充放電管理均實現(xiàn)精細化管理，有助于運維管理工作的開展，并一定程度上延長了蓄電池使用壽命，降低了通信電源系統(tǒng)的成本。

2 某公司電力通信系統(tǒng)中并聯(lián)直流電源技術(shù)分析

2.1 直流電源構(gòu)成

電力通信系統(tǒng)傳統(tǒng)電源系統(tǒng)采取相控電源，目前積極轉(zhuǎn)變?yōu)槟K化高頻開關(guān)電源，主要是指直流分配、蓄電池組、整流器等部分。在電源容量較小時，采取220V單相交流電，可以保證電源穩(wěn)定供電。為了規(guī)避雷擊或者過電壓等引起損傷，需要在輸入端安裝避雷器。利用整流器實現(xiàn)交流電向直流電的轉(zhuǎn)化，運行過程中，整流器性能優(yōu)劣取決于整流支路電阻以及互感值。整流器需要進行均流測試并進行調(diào)整，保證具備良好均流性能。在通信直流電源中選擇高頻開關(guān)整流器，其低噪聲、小體積以及高穩(wěn)定性優(yōu)勢，更符合發(fā)展趨勢[2]。

高頻開關(guān)整流器接入220V交流電，同時運行期間可接入380V交流電，并分配整流模塊。同時，能夠保證整流器穩(wěn)定運行，設(shè)計時需要考慮備用容量，采取N+1冗余設(shè)計。高頻開關(guān)整流器可以劃分為內(nèi)控和外控兩種類型。內(nèi)控式整流器作為整流器的中心，采取獨立監(jiān)控設(shè)計，能夠?qū)φ髂K進行協(xié)調(diào)以及監(jiān)視，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測并及時處理警報數(shù)據(jù)，并提供人機操作界面，保證對電源系統(tǒng)的控制。一旦監(jiān)控系統(tǒng)遇到故障問題，可以轉(zhuǎn)換整流器，最大限度上避免對電源系統(tǒng)帶來影響，保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

并聯(lián)直流電源能夠有效解決串聯(lián)傳統(tǒng)蓄電池面臨的各類問題，在通信電源中得到應(yīng)用。蓄電池組包含12V蓄電池、2V蓄電池6只串聯(lián)得到。以12V蓄電池為例，并聯(lián)電源均安裝12V蓄電池，由220V直流母線和直流熔斷器保持連接，控制器局域網(wǎng)（WAN）可連接直流監(jiān)控裝置以及通信總線，并配置數(shù)字信號處理芯片，對數(shù)字信號進行調(diào)制、采集以及處理。整流放電電路和隔離二極管采取并聯(lián)設(shè)計，電壓較放電電壓高出3～5V，作為主用電路，而備用電路為放電電路，共同為電力設(shè)備提供電力支持[3]。

基于上述結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)中由放電電路支持220V交流電完成整流，經(jīng)過直流母線完成供電，結(jié)構(gòu)中均流控制器可滿足電流分配的需要。充電電路通過并聯(lián)電源變換模塊蓄電池，能夠通過220V交流電完成充電過程。一旦220V交流電斷電，蓄電池能夠借助于放電電路升壓，獲得電源系統(tǒng)的額定端電壓，不需對電源模式進行切換，方便為電力設(shè)備持續(xù)提供電力支持，保證并聯(lián)直流電源可以為通信系統(tǒng)提供電源容量支持，提高電源系統(tǒng)管理便捷性。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢

按照N+X模式配置電源系統(tǒng)，其中N表示所需要的最少電源數(shù)，X表示實際需要的最少備用電源數(shù)。經(jīng)過對電池數(shù)量的計算，可以發(fā)現(xiàn)按照電源系統(tǒng)電源數(shù)量1.3倍來設(shè)計電源配置，在滿足電源運行需要的同時，能夠減少鉛酸蓄電池數(shù)量。隨著電源數(shù)量的減少能夠有效節(jié)約電源系統(tǒng)配置成本。同時，由于并聯(lián)直流電源技術(shù)能夠滿足自動化核容，能夠最大限度上減少對于蓄電池組的維護管理工作量。如在傳統(tǒng)電源配置中，需要兩名運維人員花費兩天時間對1組蓄電池進行核容，但采取并聯(lián)直流電源技術(shù)后，只需要一名運維人員花費一天時間完成核容，可見有效減少了運維管理的工作量。

并聯(lián)電源系統(tǒng)將隔離變壓器安裝在交流/直流母線與蓄電池之間，避免蓄電池和母線產(chǎn)生電氣聯(lián)系，一定程度上保障了電源系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可靠度。同時，采取并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，避免通信系統(tǒng)受到蓄電池故障的影響發(fā)生停運事故，極大降低了系統(tǒng)故障率和停運風(fēng)險。

2.4 核心技術(shù)

蓄電池精細化管理。通過直流監(jiān)控管理設(shè)備能夠?qū)π铍姵剡M行單獨管理，管理裝置能夠記錄蓄電池內(nèi)阻、充放電狀態(tài)、溫度補償、定時均充管理等參數(shù)，管理人員通過管理設(shè)備可以調(diào)整管理參數(shù)，實現(xiàn)對蓄電池的精細化管理。

均流技術(shù)?？山邮芄芾碥浖刂茖ω撦d電流實現(xiàn)有效控制以及分配，具備良好可靠性和可移植性，該技術(shù)借助于平均電流法、管理軟件以及直流監(jiān)控管理裝置完成對負載電流分配，安裝1個監(jiān)控管理裝置可以實現(xiàn)多個蓄電池的同時管理，且不容易發(fā)生振蕩問題。

饋線短路隔離技術(shù)。蓄電池組能夠利用升壓電路和直流母線并聯(lián)，對交流和直流電源形成了有效隔離，減少串電問題的發(fā)生。一旦發(fā)生饋線短路故障，電源系統(tǒng)仍然可以保障充足電流，保證饋線保護及時進行保護動作，實現(xiàn)暫時隔離短路饋線。一般情況下，蓄電池電流之和與電源系統(tǒng)輸出電流之和相同，在直流過載以及饋線短路等特殊情況下，能夠平均分配電流。分配過程中蓄電池輸出電流和時間存在反時限特征。在直流過載以及饋線短路等特殊情況中，蓄電池受到局限輸出電流較小，通過對饋線短路進行隔離，能夠保證蓄電池有效續(xù)流。通信電源系統(tǒng)在穩(wěn)定運行狀態(tài)中，升壓電路以及充電電路能夠給直流母線提供電壓。若通信系統(tǒng)發(fā)生直流過載或者饋線短路的特殊情況時，并聯(lián)蓄電池能夠提供工作電壓。若蓄電池電壓超過母線電壓，蓄電池為母線提供大電流，保證母線電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。

自動核容技術(shù)。通信電源系統(tǒng)在穩(wěn)定交流運輸狀態(tài)下，直流監(jiān)控管理裝置可以按照時間間隔對蓄電池提出調(diào)整指令，收到指令后經(jīng)過均流形式退出系統(tǒng)，將內(nèi)部充電電路關(guān)閉。監(jiān)控管理裝置從充電管理調(diào)整為放電管理，蓄電池在滿容量時，根據(jù)恒定容量進行放電，至蓄電池電壓終止放電，計算蓄電池的容量，完成自動化核容。借助于自動化核容技術(shù)能夠減少運維人員對蓄電池的評估和測試，提高了運維管理效率。

3 應(yīng)用案例

國家電網(wǎng)某110kV變電站通信電源系統(tǒng)應(yīng)用并聯(lián)直流電源技術(shù)進行升級改造，從12V蓄電池升壓至110V電壓，以支持變電站需求：模組通過50只單體電池構(gòu)成，容量為1500F/30=30F；模組內(nèi)阻為0.41×50=20.5mΩ；150A放電1s壓降150A/30F+0.03×150=9.5V；最低電壓為115V-9.5V=105.5V。

以12V閥控鉛酸蓄電池為例（見表1），作為目前技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣的一種蓄電池，該蓄電池容量最大值達到了200Ah。一般情況下通信電源系統(tǒng)對于容量的最大要求達到300～500Ah，甚至在大型變電站中蓄電池容量需要達到1500Ah。如果選擇通過并聯(lián)電源模塊將2V蓄電池升壓達到48V，再并聯(lián)連接直流母線，雖然可以達到升壓需要，但會增加蓄電池成本以及升級工作量。因此，將上述方案改為，將2V蓄電池劃分為4個串聯(lián)小組，每個小組6個蓄電池，即得到12V蓄電池。再通過并聯(lián)電源模塊將蓄電池小組升壓為48V。

表1 不同類型蓄電池特點對比

采取這一設(shè)計方法，一旦遇到突發(fā)斷電事故等特殊情況，并聯(lián)電源變換模塊電流在負載電流之上，同時預(yù)留冗余容量。因此，每個蓄電池小組所對應(yīng)的變換模塊可以采取以下公式進行計算：N=kI/4IS，其中N表示蓄電池小組所對應(yīng)的電源變換模塊的數(shù)量（取整數(shù)），個；k表示冗余系數(shù)，取1.2；I表示變電站通信系統(tǒng)發(fā)生斷電后的負載電流，A；Is表示單個電源模塊額定電流，A。

在本文設(shè)計方案中，變電站通信電源系統(tǒng)具備4組500Ah的閥控鉛酸蓄電池，系統(tǒng)斷電后負載電流50A，能夠計算并聯(lián)電源變換模塊為兩個。按照要求對變電站電源變換模塊參數(shù)進行設(shè)計，實現(xiàn)對蓄電池的均勻充電，對總負載電流平均分配。具體應(yīng)用時，拆除原本的直流電源系統(tǒng)，關(guān)閉空氣開關(guān)，有助于簡化直流系統(tǒng)。雖然轉(zhuǎn)換過程較快，但直流電壓瞬時變換很容易引起電源插件故障，或出現(xiàn)保護裝置誤動作等問題。

為了降低上述故障的風(fēng)險，需要提前將保護出口壓板退出，在轉(zhuǎn)換直流電源系統(tǒng)后更換壓板。另外，在新直流電源系統(tǒng)調(diào)試后重復(fù)這一過程，將直流電源拆除。閉合空氣開關(guān)后將直流電源整合至系統(tǒng)中，將直流電源拆除，安裝全新的直流屏并完成調(diào)試。在保證正常直流供電基礎(chǔ)上對電源系統(tǒng)進行升級改造，避免影響系統(tǒng)正常運行。期間，運維人員可通過App程序?qū)﹄娫聪到y(tǒng)運行狀態(tài)展開全天候遠程監(jiān)護，能夠?qū)崟r掌握電源系統(tǒng)運行狀態(tài)。在App上可呈現(xiàn)出蓄電池電壓、環(huán)境溫度等具體參數(shù)，將電池運行參數(shù)等數(shù)據(jù)記錄在文件中，當(dāng)蓄電池發(fā)生故障后，運維人員能夠通過查看日歷數(shù)據(jù)了解蓄電池故障類型，展開針對性維修處理，保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

綜上所述，在通信電源系統(tǒng)中應(yīng)用并聯(lián)直流電源技術(shù)能夠有效減少蓄電池使用數(shù)量，減輕運維人員工作量，保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行，預(yù)防斷電事故發(fā)生，已經(jīng)成為通信電源系統(tǒng)中主流連接方式。在該項技術(shù)中，通過均流技術(shù)、自動化核容技術(shù)以及饋線短路隔離技術(shù)等技術(shù)支持，將蓄電池分組并聯(lián)，通過放電電路完成整流，可以對電力設(shè)備提供穩(wěn)定電力支持，分配輸電電流。