通信電源系統(tǒng)中并聯(lián)直流電源技術(shù)的應(yīng)用研究

朱關(guān)峰，趙 磊

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著電力通信系統(tǒng)的日漸完善，高功耗、大容量通信設(shè)備不斷增多，盡管能夠提高通信質(zhì)量和效率，但是也提高了對于通信電源系統(tǒng)的供電容量要求，增加了配套蓄電池組安全故障發(fā)生率[1]。配套蓄電池組是通信電源系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的基本保障，也是滿足系統(tǒng)供電容量要求的關(guān)鍵設(shè)備。為了進一步提高通信電源系統(tǒng)運行性能，有必要通過并聯(lián)直流電源技術(shù)優(yōu)化配套蓄電池組連接方式，從根本上優(yōu)化配套蓄電池組結(jié)構(gòu)，全面推動電力通信行業(yè)的發(fā)展。

1 關(guān)鍵并聯(lián)直流電源技術(shù)分析

1.1 均流技術(shù)

均流技術(shù)是通過數(shù)字化主從式平均電流法、配套蓄電池組直流監(jiān)控管理裝置、管理軟件實現(xiàn)對于各個蓄電池分擔負載電流的平均分配[2]。均流技術(shù)操作較為簡單，通過管理軟件便能夠?qū)崿F(xiàn)對于負載電流的有效分配及控制，具有良好的可移植性、運行可靠性、均流精度。1個直流監(jiān)控管理裝置能夠同時管理多個蓄電池，并且不會出現(xiàn)振蕩問題。

1.2 饋線短路隔離技術(shù)

基于并聯(lián)直流電源技術(shù)，配套蓄電池組能夠通過升壓電路間接并聯(lián)在通信電源系統(tǒng)直流母線上，因此實現(xiàn)了直流電源與交流電源的有效隔離，降低了2種電源發(fā)生串電問題的概率。如果出現(xiàn)了饋線短路故障，并聯(lián)直流電源系統(tǒng)能夠為短路饋線提供足夠的電流，確保饋線保護能夠做出正確保護動作，實現(xiàn)對于短路饋線的暫時隔離，此為饋線短路隔離技術(shù)[3]。

具體來講，各個蓄電池電流總和等于通信電源系統(tǒng)的輸出總電流，系統(tǒng)在饋線短路、直流過載狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)對于電流的平均分配。在分配過程中，各個蓄電池輸出電流與輸出時間呈反時限輸出特性。

當通信電源系統(tǒng)處于饋線短路、直流過載狀態(tài)下時，傳統(tǒng)并聯(lián)蓄電池由于固有局限不能持續(xù)輸出大電流，通過饋線短路隔離技術(shù)，管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)對于并聯(lián)蓄電池的有效續(xù)流。續(xù)流流程如下：當通信電源系統(tǒng)能夠正常運行時，為直流母線提供電壓的工作由充電電路、升壓電路完成；當通信電源系統(tǒng)出現(xiàn)饋線短路、直流過載情況時，提供電壓工作由并聯(lián)蓄電池由完成；當并聯(lián)蓄電池提供電壓超過直流母線電壓時，并聯(lián)蓄電池需要向直流母線提供大電流，從而維持直流母線電壓的安全穩(wěn)定。

1.3 全自動全容量核容技術(shù)

在通信電源系統(tǒng)能夠正常交流輸入的情況下，直流監(jiān)控管理裝置能夠按照既定時間間隔向達到要求的蓄電池下達調(diào)整指令[4]。蓄電池在接收到指令之后，會以均流形式退出通信電源系統(tǒng)，關(guān)閉內(nèi)部充電電路。直流監(jiān)控管理裝置對蓄電池的管理從充電管理轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姽芾?，具體管理流程如下：確定蓄電池處于滿容量狀態(tài)下后，按照既定恒定電流開始放電，直到蓄電池的電壓達到終止電壓為止，隨后計算蓄電池容量。開啟內(nèi)部充電電路，開始為蓄電池充電，就此完成一個完整的蓄電池全自動全容量核容過程。

通過全自動全容量核容技術(shù)，管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)對于離線式蓄電池容量的準確測試及評估，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對于蓄電池的一對一管理，管理周期可以達到10 h。

1.4 精細化蓄電池管理技術(shù)

直流監(jiān)控管理裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對于各個蓄電池的1對1精細化管理，具體管理項目包括根據(jù)電流及電壓計算蓄電池內(nèi)阻、定時均浮充管理、充放電管理、容量計算及監(jiān)測、溫度補償、完善保護等，管理人員可以自行設(shè)定管理參數(shù)。如果出現(xiàn)連接失效的情況，直流監(jiān)控管理裝置能夠按照既定參數(shù)完成各項蓄電池管理工作。

2 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)方案及應(yīng)用原理

2.1 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)方案

并聯(lián)直流電源的研發(fā)及應(yīng)用是為了避免和解決傳統(tǒng)配套蓄電池組串聯(lián)導(dǎo)致的各種問題，主要應(yīng)用于變電站通信電源系統(tǒng)建設(shè)[5]。市面上的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)以并聯(lián)電源變換模塊為核心單元，主要由整流電路、充電電路、放電電路等組件構(gòu)成，應(yīng)用的蓄電池組一般為單體12 V蓄電池、6只串聯(lián)2 V蓄電池。

現(xiàn)以單體12 V蓄電池為例，簡單設(shè)計如圖1所示的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)。圖1中每個并聯(lián)電源組件都配置了1個電壓為12 V的蓄電池，通過直流熔斷器與電壓為220 V的直流母線連接，通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）通信總線與直流監(jiān)控管理裝置連接。除了圖上標注的組件和設(shè)備，并聯(lián)直流電源系統(tǒng)還設(shè)置了專門的數(shù)字信號處理芯片，負責數(shù)字信號的采集、調(diào)制、處理工作。

圖1 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)

當通信電源系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)下時，整流放電電路通過隔離二極管與放電電路并聯(lián)，需要將整流放電電路的電壓設(shè)置為高出放電電路3～5 V，使得整流放電電路成為主用電路，為負載設(shè)備提供電力資源，將放電電路作為備用電路。

2.2 并聯(lián)直流電源技術(shù)的應(yīng)用原理

基于上述并聯(lián)直流電源系統(tǒng)方案，總結(jié)并聯(lián)直流電源技術(shù)的應(yīng)用原理如下：當通信電源系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)下時，220 V交流電能夠通過放電電路實現(xiàn)整流，并且傳輸?shù)街绷髂妇€為負載設(shè)備提供電力資源，通過均流控制器局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對于傳輸電流的平均分配；通過充電電路管理并聯(lián)電源變換模塊連接的蓄電池，以220 V交流電實現(xiàn)充電。

如果220 V交流電出現(xiàn)了斷電情況，蓄電池能夠通過放電電路實現(xiàn)升壓，從而獲得通信電源系統(tǒng)額定端電壓，不需要進行模式切換，便能夠繼續(xù)為負載設(shè)備提供電力資源，確保并聯(lián)直流電源能夠滿足通信電源系統(tǒng)對于電源總?cè)萘康娜哂嘈枨骩6]。

3 通信電源系統(tǒng)中并聯(lián)直流電源技術(shù)的應(yīng)用實例分析

3.1 應(yīng)用方案

3.1.1 并聯(lián)直流電源技術(shù)應(yīng)用改進方案設(shè)計

目前，并聯(lián)直流電源技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了國家電網(wǎng)110 kV及以下變電站通信電源系統(tǒng)改進中，能夠令單體12 V蓄電池實現(xiàn)升壓，升壓數(shù)值一般為110 V、220 V，從而獲得理想應(yīng)用效果。對于48 V變電站通信電源系統(tǒng)，并聯(lián)直流電源技術(shù)能夠令單體12 V蓄電池、6只串聯(lián)2 V蓄電池實現(xiàn)升壓，升壓數(shù)值一般為48 V，并且將蓄電池并聯(lián)到直流母線實現(xiàn)應(yīng)用。

現(xiàn)階段，應(yīng)用技術(shù)較為成熟的并聯(lián)直流蓄電池為12 V閥控鉛酸蓄電池，此類型電池的最大容量為200 Ah[7]。但是變電站通信電源系統(tǒng)對于并聯(lián)直流蓄電池最大容量的要求一般為300 Ah或500 Ah，部分大型變電站甚至能夠達到1 500 Ah。如果選擇直接通過并聯(lián)電源變換模塊將單只串聯(lián)2 V閥控鉛酸蓄電池升壓為48 V，再將蓄電池并聯(lián)到直流母線中，盡管能夠滿足變電站通信電源系統(tǒng)的蓄電池最大容量要求，但是卻會導(dǎo)致較多的改造工作量及成本。

考慮到變電站通信電源系統(tǒng)改進工作量及成本，現(xiàn)設(shè)計如下并聯(lián)直流電源技術(shù)應(yīng)用改進方案：將原來的24只串聯(lián)2 V閥控鉛酸蓄電池劃分為4個蓄電池串聯(lián)小組，每個蓄電池串聯(lián)小組的電壓為2 V×6（12 V），隨后通過并聯(lián)電源變換模塊將每個蓄電池串聯(lián)小組升壓為48 V，再將蓄電池并聯(lián)到直流母線中。

在上述并聯(lián)直流電源技術(shù)應(yīng)用改進方案中，如果變電站通信電源系統(tǒng)出現(xiàn)了斷電情況，基于并聯(lián)電源變換模塊總額定電流需要超過負載電流，并且需要預(yù)留充足的冗余容量這一基本原則，可以歸結(jié)4個蓄電池串聯(lián)小組中每個蓄電池串聯(lián)小組對應(yīng)的并聯(lián)電源變換模塊數(shù)量計算公式為

式中：N代表蓄電池串聯(lián)小組對應(yīng)的并聯(lián)電源變換模塊數(shù)量，遇到小數(shù)時向上取整；k代表冗余系數(shù)，通常情況下取值為1.2；I代表變電站通信電源系統(tǒng)斷電之后的負載電流，A；IS代表單個并聯(lián)電源變換模塊的額定輸出電流，A。

3.1.2 并聯(lián)直流電源技術(shù)應(yīng)用改進方案應(yīng)用

為了進一步驗證本次設(shè)計并聯(lián)直流電源技術(shù)應(yīng)用改進方案的實踐效果，現(xiàn)在A變電站通信機房標準機柜式內(nèi)安裝4組電壓為2 V、最大容量為500 Ah的閥控鉛酸蓄電池。假設(shè)變電站通信電源系統(tǒng)斷電后的負載電流為50 A，通過式（1）能夠計算出代表蓄電池串聯(lián)小組對應(yīng)的并聯(lián)電源變換模塊數(shù)量為2。

在上述并聯(lián)直流電源技術(shù)應(yīng)用改進過程中，A變電站安裝的2只電壓為48 V、負載電流為10 A的閥控鉛酸蓄電池被轉(zhuǎn)換為了4組6只電壓為2 V、最大容量為500 Ah的閥控鉛酸蓄電池，共有24只閥控鉛酸蓄電池。隨后再結(jié)合A變電站通信電源系統(tǒng)的實際運行需求設(shè)置并聯(lián)電源變換模塊各項參數(shù)，實現(xiàn)對于各個閥控鉛酸蓄電池組的均勻充電，并且平均分配需要承擔的并聯(lián)電源變換模塊總負載電流。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 降低鉛酸蓄電池應(yīng)用數(shù)量

現(xiàn)階段，通信電源系統(tǒng)一般應(yīng)用“1+1”的雙電源模式，通過并聯(lián)直流電源技術(shù)，通信電源系統(tǒng)能夠應(yīng)用“N+X”的電源模式。其中，N代表通信電源系統(tǒng)實際需要的最少電源數(shù)量，X代表通信電源系統(tǒng)實際需要的最少備用電源數(shù)量[8]。

經(jīng)過計算分析，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用并聯(lián)直流電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于通信電源系統(tǒng)電源數(shù)量的1.3倍設(shè)計，說明并聯(lián)直流電源技術(shù)既能夠滿足原有雙電源模式的運行需求，又能夠降低0.7倍的鉛酸蓄電池應(yīng)用數(shù)量，不但能夠節(jié)約通信電源系統(tǒng)建設(shè)成本，還能夠減少通信電源系統(tǒng)建設(shè)造成的環(huán)境污染問題。

3.2.2 減少系統(tǒng)運行維護工作量

并聯(lián)直流電源技術(shù)支持蓄電池全自動、全容量核容，能夠大幅度減少工作人員的通信電源系統(tǒng)運行維護工作量[9]。

假設(shè)傳統(tǒng)串聯(lián)直流電源模式下，2名工作人員2 d能夠完成對1組蓄電池組的容量核驗檢測工作，并聯(lián)直流電源技術(shù)能夠節(jié)約的系統(tǒng)運行維護工作量為4人/d。假設(shè)國家電網(wǎng)有3萬組蓄電池組，并聯(lián)直流電源技術(shù)能夠節(jié)約的系統(tǒng)運行維護工作量為12 000人/d。

3.2.3 提高系統(tǒng)運行可靠性

并聯(lián)直流電源系統(tǒng)在蓄電池與交流母線、蓄電池與直流母線之間均安裝了隔離變壓器，使得各個蓄電池之間不會出現(xiàn)任何的直接電氣聯(lián)系，極大程度上提高了通信電源系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性。并且并聯(lián)直流電源系統(tǒng)應(yīng)用的是并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，單個蓄電池故障并不會對通信電源系統(tǒng)的正常運行造成任何影響，只有全部的并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)組件均出現(xiàn)故障時，才會影響通信電源系統(tǒng)的正常運行，顯然這種極端故障情況的發(fā)生概率較低。

4 結(jié) 論

關(guān)鍵并聯(lián)直流電源技術(shù)主要包括均流技術(shù)、饋線短路隔離技術(shù)、全自動全容量核容技術(shù)、精細化蓄電池管理技術(shù)。市面上的并聯(lián)直流電源系統(tǒng)應(yīng)用的蓄電池組一般為單體12 V蓄電池、6只串聯(lián)2 V蓄電池，220 V交流電能夠通過放電電路實現(xiàn)整流，從而為負載設(shè)備提供電力資源，同時實現(xiàn)對于傳輸電流的平均分配。并聯(lián)直流電源技術(shù)在變電站通信電源系統(tǒng)改進中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果，能夠顯著降低鉛酸蓄電池的應(yīng)用數(shù)量、減少系統(tǒng)運行維護工作量、提高系統(tǒng)運行可靠性，因此成為了主流的通信電源系統(tǒng)蓄電池組連接方式。