戴 斌，鐘其原
（國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421001）
0 引 言
電力通信網(wǎng)是確保電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)調(diào)度的關(guān)鍵支撐，是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，而其穩(wěn)定運(yùn)行離不開電力通信電源系統(tǒng)的支撐與保障[1]。當(dāng)前變電站內(nèi)的各類通信設(shè)備負(fù)載一般采用-48 V 直流供電，該直流供電系統(tǒng)的核心部件是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換與輸出的整流單元和作為后備電源的蓄電池組，整流單元與蓄電池組的故障容錯能力決定了直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2]。
1 電力通信電源系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)介紹
1.1 電力通信電源系統(tǒng)及其主要運(yùn)行風(fēng)險
電力通信電源系統(tǒng)主要由交流分配單元、整流單元、直流分配單元及蓄電池組等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。當(dāng)交流輸入和整流單元正常運(yùn)行時，通信負(fù)載由整流單元的直流輸出供電；當(dāng)整流單元的直流輸出中斷時，則由蓄電池組對通信負(fù)載進(jìn)行后備電源續(xù)航供電。
圖1 電力通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整流模塊的數(shù)量和蓄電池組的容量一般取決于通信負(fù)載的用電需求，雖然配置時會考慮一定的系統(tǒng)冗余，但在經(jīng)濟(jì)性前提下數(shù)量仍然有限。當(dāng)整流模塊或蓄電池的故障數(shù)量超過系統(tǒng)冗余數(shù)量，使得直流供電帶載能力達(dá)不到負(fù)載最低用電需求時，將不同程度地影響整流單元的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致通信電源的系統(tǒng)性崩潰與退出[4-5]。此外，蓄電池組自身通常還設(shè)置有欠壓保護(hù)機(jī)制，蓄電池故障引發(fā)的整組輸出電壓的不斷降低將最終導(dǎo)致蓄電池組的自行解列，進(jìn)而喪失其備用電源功能。
1.2 電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)
電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測通信電源的主要運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行異常工況的實(shí)時告警[6]。通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測量通常包括交流輸入三相電壓、直流母線電壓、單個整流模塊輸出電壓與電流、單節(jié)蓄電池電壓等。電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的框架如圖2 所示。
圖2 電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的框架
2 電力通信電源整流模塊的故障自投切機(jī)制
2.1 設(shè)計思路
本文設(shè)計的整流模塊故障自投切機(jī)制硬件原理如圖3 所示。其中整流模塊自投切裝置將作為原有整流模塊的并聯(lián)單元，其作用是在單個整流模塊故障且輸出電壓值低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)最低門限閾值時投入備用整流模塊，以保障單元的持續(xù)穩(wěn)定輸出。同時，整流模塊自投切裝置的微控制單元將驅(qū)動故障整流模塊并聯(lián)支路的動斷型觸點(diǎn)繼電器動作，以斷開故障整流模塊輸出，避免因單個模塊故障引發(fā)系統(tǒng)性故障。
圖3 整流模塊故障自投切機(jī)制硬件原理
整流模塊自投切裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由微控制單元、備用整流模塊、動合型觸點(diǎn)繼電器及顯示單元等部分組成。其中備用整流模塊與動合型觸點(diǎn)繼電器組成串聯(lián)支路，若干個此串聯(lián)支路再并聯(lián)組成裝置主干電路。微控制單元將在接收到模塊故障異常信號后驅(qū)動備用整流模塊支路的動合型觸點(diǎn)繼電器動作，從而使該支路的整流模塊由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。
圖4 整流模塊自投切裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.2 機(jī)制作用原理
首先，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生整流模塊故障時，自投切裝置內(nèi)部備用整流模塊支路的動合型觸點(diǎn)繼電器處于斷開狀態(tài)，即備用整流模塊不投入運(yùn)行。其次，當(dāng)整流模塊發(fā)生故障時，自投切裝置的微控制單元將接收到電源監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的模塊故障異常信號，進(jìn)而觸發(fā)裝置內(nèi)部的動合型觸點(diǎn)繼電器及裝置外部的動斷型觸點(diǎn)繼電器同時動作，在投入備用整流模塊的同時，切除故障整流模塊。投入的備用整流模塊數(shù)量與切除的故障整流模塊數(shù)量相同。最后，整流模塊的故障信息將在顯示單元上顯示。
3 電力通信電源蓄電池的故障自投切機(jī)制
3.1 設(shè)計思路
本文設(shè)計的蓄電池故障自投切機(jī)制硬件原理如圖5 所示。蓄電池自投切裝置將作為原有蓄電池組的串聯(lián)單元，在單節(jié)蓄電池故障且致其電壓值低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)最低門限閾值時投入備用蓄電池，以保障蓄電池組的持續(xù)穩(wěn)定輸出。同時，蓄電池自投切裝置的微控制單元將驅(qū)動故障蓄電池串聯(lián)的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器動作，以斷開故障蓄電池，避免因單節(jié)蓄電池故障引發(fā)蓄電池組系統(tǒng)性故障。
圖5 蓄電池故障自投切機(jī)制硬件原理
蓄電池自投切裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6 所示，主要由微控制單元、備用蓄電池、轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器及顯示單元等部分組成。其中備用蓄電池與轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器組成串聯(lián)支路，若干個此串聯(lián)支路再串聯(lián)組成裝置主干電路。微控制單元將在接收到蓄電池故障異常信號后驅(qū)動備用蓄電池支路的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器動作，從而使該支路的蓄電池由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。
圖6 蓄電池自投切裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)
3.2 機(jī)制作用原理
首先，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生蓄電池故障時，自投切裝置內(nèi)部的備用蓄電池支路的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器處于導(dǎo)線連接狀態(tài)，即備用電池不投入運(yùn)行；自投切裝置外部的蓄電池支路的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器則處于電池連接狀態(tài)。其次，當(dāng)蓄電池發(fā)生故障時，蓄電池自投切裝置的微控制單元將接收到電池監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的電池故障異常信號，進(jìn)而觸發(fā)自投切裝置內(nèi)部和外部的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器同時動作，在投入備用蓄電池的同時，切除故障的單節(jié)蓄電池。投入的備用蓄電池數(shù)量與切除的故障蓄電池數(shù)量相同。最后，蓄電池的故障信息將在顯示單元上顯示。
4 直流單元故障自投切機(jī)制的成效分析
首先，機(jī)制利用原有通信電源監(jiān)控系統(tǒng)提供的故障告警信號，在整流單元或蓄電池組單體故障情況下自動切除故障整流模塊或蓄電池，同時投入對應(yīng)數(shù)量的備用整流模塊或蓄電池，有效保障了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行與電能輸出，有效提升了直流單元應(yīng)對單體故障的能力，使其基本具備單體故障情況下的自愈功能，進(jìn)而優(yōu)化了通信系統(tǒng)的運(yùn)維保障水平。
其次，機(jī)制及時切除故障整流模塊或蓄電池，將有效降低其對系統(tǒng)運(yùn)行的不良影響，避免引發(fā)系統(tǒng)性運(yùn)行風(fēng)險。蓄電池自投切機(jī)制可有效縮短故障后蓄電池組的欠壓運(yùn)行時長，有利于維護(hù)其使用性能，延長其使用壽命。故障蓄電池的及時切除可以避免其過充發(fā)熱、漏液變形甚至起火爆炸的風(fēng)險。
最后，機(jī)制采用整流模塊的冷備用模式代替原有的冗余熱備用模式，可在保障備用需求的前提下有效節(jié)約電能，減少電量消耗，同時將大幅提升備用整流模塊的使用壽命。
5 結(jié) 論
本文分別設(shè)計了整流模塊及蓄電池的自投切裝置，提出了電力通信電源直流單元的故障自投切機(jī)制，可有效實(shí)現(xiàn)故障整流模塊和蓄電池的自動切除及對應(yīng)備用單體的自動投入，在提升系統(tǒng)應(yīng)對整流模塊及蓄電池單體故障能力的同時，降低或避免了故障引發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險及不良影響。整流模塊的冷備用模式還使得機(jī)制具有一定的節(jié)能效果。故障自投切機(jī)制利用通信電源原有監(jiān)控系統(tǒng)，在不對原有系統(tǒng)進(jìn)行重大結(jié)構(gòu)調(diào)整和配置升級的情況下，顯著提升了電力通信電源系統(tǒng)的智能化運(yùn)維水平，進(jìn)而優(yōu)化了電力通信系統(tǒng)的運(yùn)維保障水平，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益與管理效益。
