油氣場(chǎng)站通信后備電源優(yōu)化方案與應(yīng)用探討

黃威皓，肖逸軍，焦冠文，李晨

（中國(guó)石油西南油氣田公司通信與信息技術(shù)中心，四川 成都 610051）

通信后備電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行是場(chǎng)站通信網(wǎng)絡(luò)可靠穩(wěn)定運(yùn)行的保障，一套完整的后備電源系統(tǒng)由UPS主機(jī)、逆變器以及蓄電池組構(gòu)成，當(dāng)場(chǎng)站通信市電或太陽能電源中斷后能快速切換為蓄電池供電，以保障場(chǎng)站生產(chǎn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。隨著場(chǎng)站智能化發(fā)展，負(fù)載逐漸增多，傳統(tǒng)后備電源系統(tǒng)已無法滿足監(jiān)管維護(hù)需求。本文針對(duì)傳統(tǒng)場(chǎng)站后備電源系統(tǒng)提出優(yōu)化方案，給油氣行業(yè)后備電源建設(shè)提供參考。

1 傳統(tǒng)通信后備電源系統(tǒng)存在的問題

以川渝地區(qū)某油氣田公司為例，生產(chǎn)場(chǎng)站通信后備電源系統(tǒng)按照?qǐng)稣炯?jí)別以及周邊配套電力資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般分為兩種模式：負(fù)載較大且具備市電接入條件的場(chǎng)站場(chǎng)站設(shè)備供電以市電為主，蓄電池作為后備電源在市電中斷的時(shí)候通過UPS主機(jī)接管供電的職能；而針對(duì)一些較為偏遠(yuǎn)不具備市電接入且負(fù)載較小的場(chǎng)站，采用太陽能和蓄電池結(jié)合的方式進(jìn)行供電。當(dāng)白天陽光充足的時(shí)候通過光伏板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，由太陽能控制器對(duì)各設(shè)備進(jìn)行供電，同時(shí)，多余電量對(duì)蓄電池進(jìn)行充電以備在無法充電的時(shí)間段提供電力。通過日常的巡檢維護(hù)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)通信后備電源系統(tǒng)存在以下問題。

1.1 供電時(shí)間不足

在接入市電場(chǎng)站場(chǎng)景中，會(huì)遇到市電中斷的情況，而中斷時(shí)間往往不可控，為保障生產(chǎn)業(yè)務(wù)不會(huì)非正常中斷，對(duì)后備電源的供電時(shí)間有很高要求。傳統(tǒng)的后備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，蓄電池組部分均是按照六塊12V、100AH規(guī)格的鉛酸蓄電池進(jìn)行組裝，可保證900W的功率供電8h，但部分大型、核心場(chǎng)站負(fù)載較高，傳統(tǒng)鉛酸蓄電池電量無法保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸8h。

1.2 規(guī)范性不強(qiáng)

傳統(tǒng)后備電源系統(tǒng)給不同類型設(shè)備提供12V、24V、48V以及220V等不同電壓的輸出，需要在電源機(jī)柜內(nèi)部署不同電壓等級(jí)的適配器和空開，無標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)規(guī)范，同時(shí)，因占用柜體的大量空間，較為影響內(nèi)部散熱。

1.3 安全穩(wěn)定性低

蓄電池組的各單體電池之間，存在容量、電壓、內(nèi)阻不均衡的問題，傳統(tǒng)的整組充電方式，使得各單體電池分別出現(xiàn)過充、欠充現(xiàn)象。充電過量會(huì)導(dǎo)致電池失水、鼓包，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)熱失控。充電不足會(huì)在負(fù)極柱產(chǎn)生難以還原的硫酸鹽，造成蓄電池組損壞。同時(shí)，蓄電池組的充放電維護(hù)主要依靠人力進(jìn)行，其維護(hù)需要將電池組脫離系統(tǒng)，會(huì)增大系統(tǒng)死機(jī)和中斷風(fēng)險(xiǎn)，離線測(cè)試完被測(cè)電池組電壓與系統(tǒng)電壓壓差大，在合并系統(tǒng)時(shí)可能存在打火現(xiàn)象，存在安全隱患。

1.4 缺乏智能化管理手段

在蓄電池組的檢測(cè)維護(hù)工作中,需要嚴(yán)格按照電源維護(hù)規(guī)程規(guī)定的維護(hù)周期，對(duì)蓄電池組總電壓、單體電壓、電流、溫度、時(shí)間、放電率等參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量和檢查維護(hù)，對(duì)于蓄電池組的檢測(cè)維護(hù)卻一直沿用傳統(tǒng)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)記錄，隨時(shí)觀察測(cè)試電池電壓數(shù)據(jù)，或者將蓄電池離線，采用假負(fù)載放電，工作量較大，且風(fēng)險(xiǎn)較高。部分電池需要活化時(shí)，需要將蓄電池脫離系統(tǒng)，取回活化，耗費(fèi)人力物力。當(dāng)電源設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，需要人工前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行判斷處理，造成人員及時(shí)間成本的浪費(fèi)。

2 后備電源系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 總體思路

針對(duì)上述痛點(diǎn)，擬對(duì)UPS主機(jī)+鉛酸蓄電池的傳統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以鋰電池替代傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，將蓄電池部分新增單體電池的采集模塊作為智能管理提供數(shù)據(jù)來源，并以帶嵌入式系統(tǒng)的電源管理單元替代傳統(tǒng)UPS主機(jī)和柜內(nèi)供配電單元，最后，根據(jù)蓄電池管理需求開發(fā)智能管理平臺(tái)，形成包括鋰電池、電源管理單元、智能管理平臺(tái)的整體架構(gòu)。

2.2 優(yōu)化方案

2.2.1 電源設(shè)備優(yōu)化

使用鋰蓄電池組代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸蓄電池。鋰電池較鉛酸電池體積小、污染小，同時(shí)，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、供電效率更高，充放電次數(shù)和使用壽命更是遠(yuǎn)高于鉛酸電池（見表1），極大程度上減少占用空間，同時(shí)，提升了供電的穩(wěn)定性和安全性。并將傳統(tǒng)電源設(shè)備中的UPS主機(jī)、電源適配器和空開整體替換為電源管理單元，電源管理單元隨著技術(shù)發(fā)展已經(jīng)形成一系列成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，不僅具備傳統(tǒng)UPS主機(jī)功能，還支持太陽能、市電或油機(jī)等多種能源輸入并提供多樣化的電壓輸出，使得機(jī)柜內(nèi)設(shè)備無須額外配備適配器，提升了整體規(guī)范性和安全性。

表1 傳統(tǒng)組網(wǎng)與工業(yè)PON組網(wǎng)對(duì)比

圖1 后備電源優(yōu)化架構(gòu)

2.2.2 智能管理提升

基于各單體電池采集的數(shù)據(jù)，在電源管理單元上開發(fā)部署智能管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組電壓、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)重要開關(guān)控制等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，完整記錄蓄電池各項(xiàng)性能參數(shù)，及時(shí)掌握蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)和變化趨勢(shì)，迅速發(fā)現(xiàn)單個(gè)劣化蓄電池。實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理手段從手動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自動(dòng)化、安全化、可跟蹤化，降低誤操作可能性，提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)站場(chǎng)所需負(fù)荷（如表2）進(jìn)行供電策略設(shè)計(jì)，蓄電池滿容量時(shí)對(duì)所有設(shè)備供電，當(dāng)蓄電池容量低于80%時(shí)，自動(dòng)斷開第二優(yōu)先級(jí)的設(shè)備，全力支撐第一優(yōu)先級(jí)的設(shè)備，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)的8h穩(wěn)定傳輸。

表2 站場(chǎng)平均負(fù)荷

同時(shí)，加入遠(yuǎn)程充電、放電模塊。充電過程自動(dòng)記錄電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)診斷蓄電池組、單體電池的健康狀態(tài)，自動(dòng)生成報(bào)表；充電結(jié)束后采用等電壓切換方式讓蓄電池組回歸原有供電系統(tǒng)，規(guī)避人工巡檢可能產(chǎn)生打火現(xiàn)象的問題，從而降低風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.3 優(yōu)化效果

通過電源設(shè)備優(yōu)化提升電源機(jī)柜內(nèi)部的規(guī)范性，極大地節(jié)約柜內(nèi)空間，可自動(dòng)適配不同充電電壓，充電快、使用壽命長(zhǎng)。蓄電池智能管理平臺(tái)的開發(fā)可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控、測(cè)試，對(duì)整組蓄電池進(jìn)行統(tǒng)一管理，定期對(duì)蓄電池進(jìn)行體檢，實(shí)現(xiàn)浮充差異化管理、遠(yuǎn)程核容放電、遠(yuǎn)程活化。蓄電池經(jīng)過技術(shù)調(diào)整，在保障應(yīng)急時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)，可以延長(zhǎng)使用年限3～5年甚至更長(zhǎng)。同時(shí)利用后臺(tái)數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用準(zhǔn)確判斷斷電時(shí)長(zhǎng)，結(jié)合預(yù)算分期提前更換因物理原因?qū)е聯(lián)p耗的蓄電池，替代大量人員工作，減少現(xiàn)場(chǎng)巡檢次數(shù)，降低因人員現(xiàn)場(chǎng)操作帶來的安全隱患，降低維護(hù)成本，提高網(wǎng)絡(luò)安全保障。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)通信后備電源系統(tǒng)的電源設(shè)備優(yōu)化和智能管理提升，可以對(duì)通信系統(tǒng)后備電源的管理模式進(jìn)行有效賦能，同時(shí)對(duì)于后備電源作用的發(fā)揮以及通信系統(tǒng)的可靠性也有著相當(dāng)積極的作用。對(duì)于鋰電池的創(chuàng)新應(yīng)用和系統(tǒng)功能優(yōu)化，仍具有改進(jìn)與提升的空間，還需不斷進(jìn)行研究和完善。