電力通信電源供電方式設(shè)計(jì)探討

趙榮崢,孟寶坤,李志斌

1.華北電力大學(xué),河北保定 071003

2.天津市電力公司東麗供電分公司,天津 300010

3.天津電力設(shè)計(jì)院,天津 300200

4.天津市電力公司,天津 300010

0 引言

電力系統(tǒng)通信為電力系統(tǒng)技術(shù)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)和功能支持，特別是對(duì)即將建設(shè)的智能電網(wǎng)來說，電力通信更是離不開的支撐和載體。而通信電源系統(tǒng)則是電力系統(tǒng)通信正常運(yùn)行的能量支持，離開電源，一切高科技設(shè)備和裝置都將失去功用。雖然通信電源系統(tǒng)投資在整個(gè)電力系統(tǒng)中或者說在電力系統(tǒng)通信行業(yè)中所占的比例非常小，但它是整個(gè)電力通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是通信網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)完整而又不可替代的獨(dú)立專業(yè)。對(duì)于電源產(chǎn)品來說也是最基礎(chǔ)的，產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展和變化速度也不同于其它通信產(chǎn)品，電源產(chǎn)品的種類繁多，包括高頻開關(guān)電源設(shè)備，半導(dǎo)體整流設(shè)備，直流-直流模塊電源，直流-直流變換設(shè)備，逆變電源設(shè)備，交、直流配電設(shè)備，交流穩(wěn)壓器，交流不間斷電源（UPS），鉛酸（膠體）蓄電池，發(fā)電機(jī)組，電源監(jiān)控系統(tǒng)等。

1 電力主網(wǎng)通信電源現(xiàn)狀

在電力通信網(wǎng)建設(shè)過程中，通過不斷積累經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)于主網(wǎng)通信電源的設(shè)計(jì)、建設(shè)逐漸形成了一套比較統(tǒng)一的方案，即220kV變電站的配套通信電源采用雙套通信電源配置，為便于運(yùn)行、維護(hù)管理，兩套通信電源分4個(gè)通信機(jī)柜安裝：1面交流配電屏、2面高頻開關(guān)電源柜（采用不同生產(chǎn)商產(chǎn)品）、1面直流配電屏（分2個(gè)分配母排）。每面開關(guān)電源屏各配置2組300AH鉛酸免維護(hù)蓄電池（單體2V），2套電源共4組蓄電池，蓄電池單獨(dú)組屏（或架式）安裝在專用通信蓄電池室。示意圖如圖1所示：

圖1 新建220kV站通信電源結(jié)構(gòu)示意圖

其中交流配電屏輸入為兩路來自不同站用電盤的380V，在交流屏配置一定數(shù)量的開關(guān)數(shù)量，分別為開關(guān)電源屏和部分其他交流用電設(shè)備提供交流電源。開關(guān)電源屏的交流輸入直接從交流配電屏引入，但為來自不同站用電盤交流電源，進(jìn)入開關(guān)電源屏后，2路輸入進(jìn)行自互投，為整流?？焯峁┛煽康慕涣鬏斎搿Ｄ壳盁o特殊用電需求時(shí)，整流容量一般配置6x30A模塊，具體原理示意圖如圖2 所示。2面高頻開關(guān)電源屏分別為直流配電屏的2個(gè)母排提供直流電源，2個(gè)直流分配母排采用大容量手動(dòng)開關(guān)連接，平時(shí)斷開，系統(tǒng)故障時(shí)可結(jié)合負(fù)荷情況閉合。

圖2 高頻開關(guān)電源原理示意圖

2 電力二級(jí)通信網(wǎng)通信電源現(xiàn)狀

近年來，在二級(jí)通信網(wǎng)建設(shè)過程中，也積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過每年不定期的改進(jìn)設(shè)計(jì)，針對(duì)110kV、35kV變電站通信設(shè)備種類較少，數(shù)量相對(duì)較少，需要的容量也不是很大的二級(jí)網(wǎng)通信特點(diǎn)，按照電力公司的規(guī)劃設(shè)計(jì)原則，一般配置1套通信電源系統(tǒng)。

電源系統(tǒng)和蓄電池安裝在一面屏中，并將通信電源屏與通信其他設(shè)備并排安裝在主控室，蓄電池不再單獨(dú)安裝于專用蓄電池室對(duì)于110kV和35kV站，高頻開關(guān)電源容量均按3x30A考慮，但110kV站配置2組100AH鉛酸閥控免維護(hù)蓄電池（單體12V），而35kV站僅配置1組100AH蓄電池（單體12V）。

二級(jí)網(wǎng)通信設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、數(shù)量不多、功耗也不大，對(duì)可靠性要求也不是特別的高，因此從節(jié)約投資的角度來說，1套通信電源已經(jīng)能夠滿足需要。并且目前各運(yùn)行單位均安裝了通信電源在線監(jiān)測(cè)告警系統(tǒng)，能夠及時(shí)通知運(yùn)維人員進(jìn)行故障排除，減少因通信電源故障導(dǎo)致的通信電路停運(yùn)，從而造成電力生產(chǎn)事故。

3 通信電源設(shè)計(jì)方案討論

3.1 通信電源設(shè)計(jì)原則

1）安全可靠性。通信設(shè)備對(duì)電源的基本要求就是提供不中斷而且穩(wěn)定的電源，因而在設(shè)計(jì)中首先就應(yīng)考慮供電的可靠性和供電的穩(wěn)定性。除要求電源設(shè)備系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)可靠、性能穩(wěn)定外，在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮系統(tǒng)檢修、擴(kuò)容等可能出現(xiàn)的狀況，提前預(yù)留出檢修位置或接口，便于日后的運(yùn)行和維護(hù)。

2）技術(shù)先進(jìn)性。在保證滿足基本電源基本功能的同時(shí)，要積極采用技術(shù)先進(jìn)的電源設(shè)備和供電系統(tǒng)。目前，無論是電力變壓器技術(shù)還是微電子控制技術(shù)，都在不停的向前發(fā)展，通信電源系統(tǒng)不斷小型化、集成化和智能化，在機(jī)房面積越來越緊張的今天，選用先進(jìn)的、占地面積小的通信電源已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。

3）經(jīng)濟(jì)合理。在電源工程設(shè)計(jì)中，所采用的電源設(shè)備、組成的供電系統(tǒng)和建立運(yùn)行維護(hù)制度，應(yīng)當(dāng)高效和節(jié)約能源消耗，應(yīng)能提高維護(hù)效率。設(shè)計(jì)中一般以近期為主，結(jié)合設(shè)備壽命，考慮擴(kuò)容發(fā)展的可能，并切合實(shí)際，合理利用建筑、設(shè)備、器材，進(jìn)行多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，努力降低工程造價(jià)和維護(hù)成本。

3.2 電力通信電源負(fù)荷發(fā)展分析

傳統(tǒng)的電力模擬通信承載的業(yè)務(wù)范圍比較窄（主要是電話、傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)等），而通信設(shè)備一般都是交直流兩用，電源容量需要不大，對(duì)直流電源的要求也不高，加上傳統(tǒng)的蓄電池是開放性結(jié)構(gòu)，日常維護(hù)中需要時(shí)常加水和酸，導(dǎo)致電池室空氣里酸霧較多，所以先前在設(shè)計(jì)時(shí)一般都是將蓄電池組單獨(dú)安裝在專用的蓄電池室，并相應(yīng)配置排風(fēng)和加溫裝置，這個(gè)階段的通信電源以相控電源為主。

現(xiàn)階段數(shù)字化的通信設(shè)備均采用直流電源，其承載的業(yè)務(wù)也越來越多，傳輸?shù)娜萘恳苍絹碓酱?，?duì)電源系統(tǒng)的要求也越來越高。首先是對(duì)電源的容量提出了更大的需求，其次由于單臺(tái)設(shè)備傳輸容量增大，承載的業(yè)務(wù)量也就增大，這就對(duì)電源的可靠性要求更高，否則設(shè)備失電丟失業(yè)務(wù)將更大。此時(shí)，通信電源也從項(xiàng)控電源逐步發(fā)展到智能化開關(guān)電源，蓄電池也從普通的鉛酸電池發(fā)展到閥控式密封免維護(hù)電池，并且大部分電力企業(yè)對(duì)通信電源的運(yùn)行情況進(jìn)行了集中監(jiān)控，減少設(shè)備失電事故的概率。

隨著智能化光纖傳輸設(shè)備、基于IP技術(shù)的路由交換機(jī)等大負(fù)荷通信設(shè)備的投入運(yùn)行，使得對(duì)通信電源容量的要求進(jìn)一步增大，并且變電站中部分二次設(shè)備（如光電轉(zhuǎn)換柜等）也開始使用通信的-48V直流電源。因此，通信設(shè)計(jì)時(shí)需要適當(dāng)關(guān)注相關(guān)專業(yè)的需求，預(yù)留部分電源容量和開關(guān)數(shù)量。這就需要對(duì)原來變電站典型設(shè)計(jì)中的電源、蓄電池容量進(jìn)行重新計(jì)算，并在通信電源運(yùn)行、檢修維護(hù)上也需要適當(dāng)調(diào)整。

3.3 目前供電方案（AC-DC+蓄電池）探討

目前，通信組合電源系統(tǒng)一般由五部分組成：由交流配電單元、直流配電單元、整流模塊、監(jiān)控單元和蓄電池組。而目前電力通信主網(wǎng)應(yīng)用最多的為2套開關(guān)電源系統(tǒng)。

兩面整流屏整流電源分別獨(dú)立工作，系統(tǒng)容量也平均分配到6個(gè)30A的高頻開關(guān)整流模塊中，當(dāng)出現(xiàn)個(gè)別整流模塊故障時(shí)，系統(tǒng)供電一般不會(huì)受到影響。故障信息也將通過監(jiān)控模塊上傳至遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，并告知運(yùn)行維護(hù)人員。系統(tǒng)中在2面開關(guān)電源屏中各安裝了1套交流自互投裝置，這樣每個(gè)開關(guān)電源屏所整流的交流電源已經(jīng)是該變電站中最可靠的交流電源。相對(duì)于將交流自互投裝置安裝在交流配電屏中的方案，有利有弊。利是降低了因?yàn)榻涣髋潆婇_關(guān)或個(gè)別母排器件故障、造成2面整流開關(guān)電源同時(shí)停止工作的故障概率，也便于運(yùn)行過程中對(duì)交流配電屏進(jìn)行檢修、調(diào)試、擴(kuò)容等操作；弊是多了一套自互投裝置，成本加大，并且交流配電屏的交流配電輸出僅來自一臺(tái)站用電盤，對(duì)一些交流負(fù)荷來說，可靠性降低。好在目前這樣的交流輸出很少，通信機(jī)房中極少出現(xiàn)新的通信用交流負(fù)荷，通信設(shè)備基本都統(tǒng)一到-48V直流供電。

系統(tǒng)中2面開關(guān)電源屏的直流輸出分別至直流配電屏的2個(gè)母排上，現(xiàn)在通信設(shè)備基本都具備雙路電源輸入功能，因此，可以從2個(gè)直流母排上分別引電源線至通信設(shè)備。為便于系統(tǒng)維護(hù)檢修，一般在直流配電屏的2個(gè)母排之間加裝一個(gè)大容量的的手動(dòng)開關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)斷開，待系統(tǒng)故障或需要檢修時(shí)，人工手動(dòng)合上開關(guān)，靈活運(yùn)行。對(duì)于在直流部分設(shè)置自動(dòng)互投裝置的供電方案由于存在不穩(wěn)定因素，一般在設(shè)計(jì)時(shí)不采用。

綜合考慮通信電源供電方案，安全可靠性較高，便于檢修維護(hù)、擴(kuò)容等操作，能夠?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備提供安全可靠的電源。

3.4 DC-DC方案供電探討

近年來，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速，變電站建設(shè)成本中征地費(fèi)用逐年升高。為節(jié)約占地面積，減少變電站設(shè)備數(shù)量，部分地區(qū)通信電源開始與變電站操作直流系統(tǒng)共用，由于220kV及以上電壓等級(jí)變電站僅有220V操作直流電源，110kV及以下電壓等級(jí)變電站僅有110V操作直流電源，而通信直流電源采用-48V，因此，需要進(jìn)行DC-DC變換。加上近年來DC-DC技術(shù)的不斷成熟，并且投資相對(duì)較小，特別是在功率不是很大的電源需求領(lǐng)域里，DC-DC技術(shù)更得到了廣泛的應(yīng)用。但在電力系統(tǒng)通信中應(yīng)用DC-DC技術(shù)也存在著一定缺點(diǎn)：

1）使通信電源系統(tǒng)與電力生產(chǎn)系統(tǒng)存在耦合、共用環(huán)節(jié)，一方的故障可能會(huì)耦合到另一方，降低了電力生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性?？煽啃砸彩请娏ιa(chǎn)中極其看重的一點(diǎn)，因此應(yīng)該避免使用；

2）從技術(shù)層面講，DC-DC大規(guī)模的并聯(lián)，難以防止短路和失控；

3）由于脫離的蓄電池的防浪涌保護(hù)，通信設(shè)備將直接受到電源電壓波動(dòng)的影響，使通信設(shè)備處于不安全的境地；

4）從電能量傳播的過程看，多進(jìn)行了一次功率變換，造成能源資源的浪費(fèi)。并且隨著通信設(shè)備不斷增加，通信電源系統(tǒng)的擴(kuò)容也變得復(fù)雜起來，需要對(duì)整個(gè)變電站的操作直流電源整體考慮，增加了工程的復(fù)雜度，并且失去了最初節(jié)省投資的優(yōu)勢(shì)；

5）變電站操作直流電源與通信電源的接地方式不同。操作直流電源是浮地系統(tǒng)，而通信電源是正接地系統(tǒng)，維護(hù)習(xí)慣也不同，在運(yùn)行、檢修工程中容易出現(xiàn)誤操作，導(dǎo)致不必要的安全事故。

3.5 其它技術(shù)方案

近年來，通信用太陽能電池電源供電系統(tǒng)在其它領(lǐng)域也得到一定的應(yīng)用。太陽能通信電源供電系統(tǒng)一般由太陽能電池方陣、儲(chǔ)能裝置（蓄電池）、配電裝置組成。適合于容量不大的一些邊遠(yuǎn)地區(qū)不通市電的通信站使用（譬如小型移動(dòng)基站），可節(jié)省投資，但目前在電力通信網(wǎng)中暫無應(yīng)用，若將來不考慮新上無線等容災(zāi)、備用通信方式，太陽能通信電源供電系統(tǒng)將很難在電力系統(tǒng)變電站內(nèi)使用。

在蓄電池方面，目前基本采用的都是免維護(hù)鉛酸（膠體）蓄電池，在不久的將來，隨著釩電池（Vanadium Redox Battery）和燃料電池的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，通信用蓄電池可能也會(huì)面臨著改革。

4 結(jié)論

電力通信在電力系統(tǒng)中的支撐作用不斷增大，電網(wǎng)一次系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)的依賴也越來越大，組建一個(gè)高可靠性、高穩(wěn)定性的通信網(wǎng)非常重要，而通信電源則是堅(jiān)強(qiáng)通信網(wǎng)的支撐。雖然目前通信電源的硬件水平不斷提高，可靠性也不斷提高，但在具體配置上存在很多方式。因此，我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先研究通信電源的新技術(shù)發(fā)展方向、通信電源的具體供電方式，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，發(fā)揮投資的最大效益。

[1]朱雄世.通信電源設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2]余子勇,肖景輝.變電站電力通信系統(tǒng)DC-DC供電問題探討.北京:電力系統(tǒng)通信,2007,6:70-72.