電力通信電源運維及故障分析

陳為召，馬冬云，王 景

（國網(wǎng)上海市電力公司 信息通信公司，上海 200120）

1 通信電源供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

通信電源系統(tǒng)是電力通信系統(tǒng)的一部分，主要包括交流系統(tǒng)、交直流整流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)、蓄電池模塊以及監(jiān)控系統(tǒng)等。

傳統(tǒng)通信電源系統(tǒng)采用-48 V直流輸出供電方式，蓄電池組和負載并聯(lián)在直流輸出上，如圖1所示。

圖1 低壓直流供電系統(tǒng)

此通信電源供電方式簡單實用，但只是整個機房直流供電中的一部分，供電可靠性相對較弱。

除直流供電系統(tǒng)之外，機房內(nèi)還有交流UPS系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 交流UPS供電系統(tǒng)

其中，市電交流輸入為交流負載穩(wěn)壓供電，通信電源為直流負載供電。此供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，系統(tǒng)消耗量大，效率比較低。

高壓直流供電方案很好地克服了以上2種供電系統(tǒng)的缺點，其系統(tǒng)框架如圖3所示[1]。

圖3 高壓直流供電系統(tǒng)

交流整流模塊輸出高壓直流，為機房內(nèi)繼電保護裝置、自動化信號設(shè)備供電。在此高壓直流基礎(chǔ)上，通過直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉(zhuǎn)換降壓模塊直接輸出-48 V直流電，為通信設(shè)備負載供電。與UPS系統(tǒng)相比，由于減少了直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使得供電系統(tǒng)更可靠。與傳統(tǒng)通信負載供電方式相比，高壓供電本身的可靠性較高，通過與機房內(nèi)110 V直流供電設(shè)備集成供電，系統(tǒng)供電效率更高，建設(shè)成本降低，同等機房可以采用更細的配電電線。

2 通信電源易發(fā)生故障點分析

2.1 交流切換裝置

通信電源通常采用三相交流輸入，雙母線接入情況下，接觸器自動切換功能是重要保障，也是實現(xiàn)雙路交流輸入保護的重要環(huán)節(jié)，當其中一路交流失電后會自動切換到另一路輸入[2]。接觸器自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS）裝置可以自動切換交流輸入，但其發(fā)生故障會引發(fā)非常嚴重的后果。如果發(fā)生自動切換裝置內(nèi)部楔子卡死不能動作的情形，其中一路斷電，另一路因卡死不能完成正常切換動作，則起不到保護作用，蓄電池放電完畢后通信負載全部中斷，影響非常嚴重。

2.2 避雷器

通信電源系統(tǒng)內(nèi)存在大量的電子設(shè)備，如整流模塊、逆變器模塊等，對雷電的抵抗能力較弱。雷擊對通信電源系統(tǒng)的危害主要體現(xiàn)在以下2個方面：一是雷擊常伴有大電流，如果直接流入電源系統(tǒng)內(nèi)會造成電源設(shè)備機械性損壞，如電容擊穿、二極管穿透、電感器件熔斷等；二是感應(yīng)性破壞，通常供電系統(tǒng)電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）能力較弱，當較大電流瞬間通過設(shè)備時會產(chǎn)生較大磁場，影響到鄰近設(shè)備的元器件，造成連帶破壞。

按照國家規(guī)定，電力通信電源系統(tǒng)防雷保護必須遵循3級保護制度[3]。一級保護是架空線路防雷保護，防止雷擊電流順著架空線路進入站內(nèi)，避免對站內(nèi)設(shè)備造成損害；二級保護是通信電源防雷保護，在電源機柜上安裝三相電源防雷設(shè)備，吸收流入配電系統(tǒng)的大電流脈沖信號，保護電源系統(tǒng)內(nèi)部器件；三級保護是直流電源防雷保護，在直流輸出配電柜上安裝防雷器件，通過吸收過電壓、過電磁脈沖的方式將電壓及脈沖量降低至允許范圍內(nèi)。目前，電力系統(tǒng)內(nèi)3級防雷系統(tǒng)建設(shè)較為完善，應(yīng)避免部分因避雷器引線過長導(dǎo)致設(shè)備遭受雷擊的情況[4]。

3 高頻整流模塊故障

電力通信-48 V電源系統(tǒng)中，出現(xiàn)故障點最多的就是直接為負載和蓄電池供電的整流模塊[5]。目前，常見的整流模塊主要由2級功率變換組成，前級采用三相Vienna整流器，后級采用零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch，ZVS）三電平半橋直流-直流（Direct Current-Direct Current，DC-DC）變換器。整流模塊的系統(tǒng)工作原理如圖4所示。其中，Ua、Ub、Uc為三相交流輸出電壓；La、Lb、Lc為升壓電感器件；ia、ib、ic為三相交流輸入電流；VD為三相整流二極管；Sa、Sb、Sc為雙向開關(guān)管；Ca、Cb為輸出正母線電容器；Ra、Rb為對應(yīng)電容器的等效電阻；R1為負載等效輸出電阻。

圖4 整流模塊工作原理

將三相Vienna整流器等效為3個單相Vienna整流器，工作原理如下：以A相為例，當開關(guān)管Sa導(dǎo)通時，電感器La充電升壓，如果ia＞0，則該相整流橋上管VD1正向?qū)ǎ划旈_關(guān)管Sa關(guān)閉且ia＜0時，該相整流橋下管VD4導(dǎo)通[6]。

設(shè)計高壓直流通信電源中高頻開關(guān)整流模塊硬件拓撲和關(guān)鍵控制策略，在傳統(tǒng)整流模塊工作原理的基礎(chǔ)上，提出模塊后級采用新型ZVS三電平半橋DC-DC變換器，改善輕載ZVS的工作效果。此外，針對三電平整流器功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）及中點平衡控制改進問題，對中點電壓平衡控制器的幅度進行優(yōu)化設(shè)計，降低中點電壓對輸入電流的影響，抑制電網(wǎng)波動和負載擾動，提高系統(tǒng)動態(tài)性能[7]。

目前，針對通信電源系統(tǒng)整流器的研究大都是整流原理或控制方法上的改進與創(chuàng)新，無法擺脫電子器件構(gòu)造的一些固有特點。高頻整流模塊故障原因有很多種，如隨著溫度的升高，電子器件失效率幾乎呈指數(shù)上升。高頻整流模塊擁有大功率發(fā)熱器件，需要配置可靠的降溫設(shè)備作為支撐。整流器件運行時產(chǎn)生的電場非常容易吸附灰塵，同時由于風(fēng)扇降溫模塊不能密封，若設(shè)備周圍空氣濕度較大，則容易導(dǎo)致濕潤灰塵附著，造成器件短路[8]。

4 蓄電池故障

隨著現(xiàn)代通信行業(yè)的發(fā)展，通信機房內(nèi)的相關(guān)設(shè)備對直流電源系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)閥控式鉛酸蓄電池已經(jīng)不能滿足要求，鋰離子蓄電池替代閥控鉛酸電池是大勢所趨[9,10]。

受生產(chǎn)、流通、運行過程中各種客觀因素的影響，每個單體電池之間不可避免地存在不一致性，主要體現(xiàn)在電池單體容量和電壓等方面。當多個蓄電池單體串聯(lián)組成蓄電池組作為通信-48 V電源系統(tǒng)的儲能設(shè)施時，若無法解決電池組的整體均衡問題，則會引起蓄電池快速劣化，甚至導(dǎo)致安全事故。

電力通信-48 V電源系統(tǒng)長期處于靜止待用狀態(tài)，除了進行電源充放電性能檢測試驗外，還要平均3～4a添加一次電解液來延長其壽命。隨著時間的推移，蓄電池極板容易老化，正負極板會因長期化學(xué)反應(yīng)附著大量的硫酸鉛晶體，需要及時進行更換[11,12]。

鋰離子蓄電池陽極側(cè)與電解液接觸會形成一層穩(wěn)定的氧化膜，導(dǎo)致陽極老化現(xiàn)象。在鋰離子蓄電池充放電過程中，其內(nèi)部可能會出現(xiàn)活性物質(zhì)分解、電解液分解等現(xiàn)象，造成蓄電池不可逆轉(zhuǎn)的衰竭。為了延長蓄電池的使用壽命，需要避免蓄電池過放或過充。正確選擇并及時調(diào)整開關(guān)電源的各項運行參數(shù)，保證每節(jié)蓄電池輸出電壓相同，輸出電流均衡，防止電池?zé)崾Э亍４送猓M量使蓄電池的工作溫度保持在20～25 ℃，環(huán)境濕度也要符合要求。在實際運維工作中，定期檢查每節(jié)蓄電池的狀態(tài)，測量蓄電池電壓。

5 電源故障監(jiān)控分析

目前，大多數(shù)電力通信站點為無人值守站點，站內(nèi)設(shè)備運行狀況監(jiān)測和業(yè)務(wù)流運行維護尤為重要。采集電源系統(tǒng)運行狀態(tài)信息后由匯聚站統(tǒng)一傳輸至中心站集中監(jiān)控，包括機房內(nèi)運行環(huán)境情況、交直流電壓狀態(tài)、負載電流情況、各整流模塊供電狀態(tài)等[13,14]。

通過RS232或RS485串口與通信電源內(nèi)部監(jiān)控接口對接，實現(xiàn)通信電源運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控。該方式接入簡單，不需要購買直采設(shè)備，安裝方便，但是采集的數(shù)據(jù)可能不太準確，受電源本身情況影響較大。此外，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有聲光提示、故障日志記錄以及故障分析等功能，確保及時發(fā)現(xiàn)電源系統(tǒng)運行故障，按照故障預(yù)案流程解決實際問題。

6 結(jié) 論

基于對通信電源系統(tǒng)的理解，分析通信電源基本工作原理，結(jié)合上海地區(qū)通信電源運行狀態(tài)，總結(jié)通信電源常見故障點、故障原因，提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。通過分析通信電源運維要求和運維方式，為后續(xù)相關(guān)人員開展運維工作提供借鑒。