電力通信電源直流單元的故障自投切機制

戴 斌，鐘其原

（國網湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421001）

0 引 言

電力通信網是確保電網安全與經濟調度的關鍵支撐，是電網實現調度自動化和管理現代化的基礎，而其穩定運行離不開電力通信電源系統的支撐與保障[1]。當前變電站內的各類通信設備負載一般采用-48 V 直流供電，該直流供電系統的核心部件是實現電能轉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的穩定性和可靠性[2]。

1 電力通信電源系統及其監控系統介紹

1.1 電力通信電源系統及其主要運行風險

電力通信電源系統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，其結構如圖1 所示[3]。當交流輸入和整流單元正常運行時，通信負載由整流單元的直流輸出供電；當整流單元的直流輸出中斷時，則由蓄電池組對通信負載進行后備電源續航供電。

圖1 電力通信電源系統結構

整流模塊的數量和蓄電池組的容量一般取決于通信負載的用電需求，雖然配置時會考慮一定的系統冗余，但在經濟性前提下數量仍然有限。當整流模塊或蓄電池的故障數量超過系統冗余數量，使得直流供電帶載能力達不到負載最低用電需求時，將不同程度地影響整流單元的正常運行，嚴重時甚至導致通信電源的系統性崩潰與退出[4-5]。此外，蓄電池組自身通常還設置有欠壓保護機制，蓄電池故障引發的整組輸出電壓的不斷降低將最終導致蓄電池組的自行解列，進而喪失其備用電源功能。

1.2 電力通信電源監控系統

電力通信電源監控系統通過實時監測通信電源的主要運行參數，實現運行異常工況的實時告警[6]。通信電源監控系統的監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、單節蓄電池電壓等。電力通信電源監控系統的框架如圖2 所示。

圖2 電力通信電源監控系統的框架

2 電力通信電源整流模塊的故障自投切機制

2.1 設計思路

本文設計的整流模塊故障自投切機制硬件原理如圖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預設最低門限閾值時投入備用整流模塊，以保障單元的持續穩定輸出。同時，整流模塊自投切裝置的微控制單元將驅動故障整流模塊并聯支路的動斷型觸點繼電器動作，以斷開故障整流模塊輸出，避免因單個模塊故障引發系統性故障。

圖3 整流模塊故障自投切機制硬件原理

整流模塊自投切裝置的內部結構如圖4 所示，主要由微控制單元、備用整流模塊、動合型觸點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繼電器組成串聯支路，若干個此串聯支路再并聯組成裝置主干電路。微控制單元將在接收到模塊故障異常信號后驅動備用整流模塊支路的動合型觸點繼電器動作，從而使該支路的整流模塊由備用狀態轉為運行狀態。

圖4 整流模塊自投切裝置內部結構

2.2 機制作用原理

首先，當系統未發生整流模塊故障時，自投切裝置內部備用整流模塊支路的動合型觸點繼電器處于斷開狀態，即備用整流模塊不投入運行。其次，當整流模塊發生故障時，自投切裝置的微控制單元將接收到電源監控系統發出的模塊故障異常信號，進而觸發裝置內部的動合型觸點繼電器及裝置外部的動斷型觸點繼電器同時動作，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量與切除的故障整流模塊數量相同。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制

3.1 設計思路

本文設計的蓄電池故障自投切機制硬件原理如圖5 所示。蓄電池自投切裝置將作為原有蓄電池組的串聯單元，在單節蓄電池故障且致其電壓值低于系統預設最低門限閾值時投入備用蓄電池，以保障蓄電池組的持續穩定輸出。同時，蓄電池自投切裝置的微控制單元將驅動故障蓄電池串聯的轉換型觸點繼電器動作，以斷開故障蓄電池，避免因單節蓄電池故障引發蓄電池組系統性故障。

圖5 蓄電池故障自投切機制硬件原理

蓄電池自投切裝置的內部結構如圖6 所示，主要由微控制單元、備用蓄電池、轉換型觸點繼電器及顯示單元等部分組成。其中備用蓄電池與轉換型觸點繼電器組成串聯支路，若干個此串聯支路再串聯組成裝置主干電路。微控制單元將在接收到蓄電池故障異常信號后驅動備用蓄電池支路的轉換型觸點繼電器動作，從而使該支路的蓄電池由備用狀態轉為運行狀態。

圖6 蓄電池自投切裝置內部結構

3.2 機制作用原理

首先，當系統未發生蓄電池故障時，自投切裝置內部的備用蓄電池支路的轉換型觸點繼電器處于導線連接狀態，即備用電池不投入運行；自投切裝置外部的蓄電池支路的轉換型觸點繼電器則處于電池連接狀態。其次，當蓄電池發生故障時，蓄電池自投切裝置的微控制單元將接收到電池監控系統發出的電池故障異常信號，進而觸發自投切裝置內部和外部的轉換型觸點繼電器同時動作，在投入備用蓄電池的同時，切除故障的單節蓄電池。投入的備用蓄電池數量與切除的故障蓄電池數量相同。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制的成效分析

首先，機制利用原有通信電源監控系統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，同時投入對應數量的備用整流模塊或蓄電池，有效保障了系統的持續穩定運行與電能輸出，有效提升了直流單元應對單體故障的能力，使其基本具備單體故障情況下的自愈功能，進而優化了通信系統的運維保障水平。

其次，機制及時切除故障整流模塊或蓄電池，將有效降低其對系統運行的不良影響，避免引發系統性運行風險。蓄電池自投切機制可有效縮短故障后蓄電池組的欠壓運行時長，有利于維護其使用性能，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熱、漏液變形甚至起火爆炸的風險。

最后，機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 論

本文分別設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制，可有效實現故障整流模塊和蓄電池的自動切除及對應備用單體的自動投入，在提升系統應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的系統運行風險及不良影響。整流模塊的冷備用模式還使得機制具有一定的節能效果。故障自投切機制利用通信電源原有監控系統，在不對原有系統進行重大結構調整和配置升級的情況下，顯著提升了電力通信電源系統的智能化運維水平，進而優化了電力通信系統的運維保障水平，具備較好的經濟效益與管理效益。