通信用?48V直流配電系統(tǒng)及其短路分析

許火炬　繆希仁

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州　350108）

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通信用?48V直流配電系統(tǒng)及其短路分析

許火炬繆希仁

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州350108）

隨著社會的發(fā)展，直流配電方式以其自身優(yōu)勢受到了廣泛重視。?48V直流配電系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)的核心部分，對于通信的正常運行起著重要的作用。然而由于目前直流配電系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，直流保護技術一直是直流配電系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。本文以?48V直流配電系統(tǒng)為研究對象，介紹了其系統(tǒng)構架，根據(jù)短路能量來源，短路故障點，短路保護措施以及所建立的蓄電池短路故障仿真數(shù)學模型，對其短路特性進行了分析。最后總結了目前短路故障保護技術存在的問題，對直流配電系統(tǒng)短路故障保護技術研究進行了展望。

通信電源；短路故障；直流配電；短路特性

在現(xiàn)有的城市配電中，傳統(tǒng)的交流配電方式仍是主流，但是隨著社會對節(jié)能減排以及能源綜合利用需求的增長，還有電力電子技術的發(fā)展，相比于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)在許多領域都取得了技術及經(jīng)濟上的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展前景［1］。目前各國對直流配電的研究都還處于試驗探索階段，研究重點集中在以直流微網(wǎng)為核心的低壓直流配電網(wǎng)方面［2］。在鐵路牽引、艦船系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心等領域，直流系統(tǒng)已有較為長久的應用，并展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。?48V直流電源是國內(nèi)通信行業(yè)普遍采用的供電電源，其中作為通信系統(tǒng)的“心臟”，通信電源在通信站中具有無可比擬的重要地位，對保障通信系統(tǒng)安全可靠運行起著至關重要的作用。本文主要以通信電源系統(tǒng)為研究對象，研究其短路情況。

在國內(nèi)外，直流配電保護技術的研究仍處于起步階段，直流配電保護技術還有大量問題需要研究［3］。針對直流配電系統(tǒng)的短路故障，在保護原理方面，文獻［4］提出了基于電流上升率 di/dt及電流增量ΔI的保護方法；文獻［5］提出了基于3階B樣條小波的行波故障檢測新方法；文獻［6］將人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法應用到直流配電系統(tǒng)中，可以用于檢測系統(tǒng)的接地故障并進行故障定位；文獻［7］提出了一種基于阻抗測量的分布式直流配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性預測方法。在通信電源領域方面，文獻［8-9］提出了密封閥控式鉛酸蓄電池的遠程監(jiān)控以及故障預測方法，在保護原理方面，通信領域的研究目前仍比較空白。在保護設備方面，直流斷路器作為開斷短路故障的核心設備之一，在直流配電系統(tǒng)中有著重要的地位。然而由于缺乏成熟、經(jīng)濟的直流斷路器和實際運行經(jīng)驗，同時在直流配電系統(tǒng)中還存在著故障定位困難以及故障電流上升迅速的問題，保護技術成為制約直流配電系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸［10-11］。

本文介紹了通信用-48V直流配電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，建立了蓄電池組的數(shù)學模型進行短路仿真，并對?48V直流配電系統(tǒng)的短路故障特性進行了分析。最后總結了目前短路故障保護技術現(xiàn)存問題，對直流配電系統(tǒng)短路故障保護技術的研究進行了展望。

1　通信用?48V直流配電系統(tǒng)組成

在實際中，通信局（站）的電源系統(tǒng)規(guī)模龐大，類型多樣，針對不同的應用場合，有不同的供電方式。?48V直流配電系統(tǒng)作為通信電源系統(tǒng)中惟一的不間斷供電模塊，是每種不同的電源系統(tǒng)的核心部分，因此本文主要以此作為研究對象。

?48V直流配電系統(tǒng)主要包括3大模塊：直流配電屏，蓄電池組，以及負載模塊。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1?48V直流配電系統(tǒng)結構

1.1直流配電屏

通信用?48V直流配電系統(tǒng)中的直流配電屏是一個智能模塊，其不僅要求實現(xiàn)基本整流功能，并且還應具備電源系統(tǒng)的在線監(jiān)測與保護功能［12-13］。直流配電屏在?48V直流配電系統(tǒng)中的主要功能有3個：

1）基本的整流功能，將工頻 220V/380V交流電整流成48V直流電，對蓄電池充電并給負載供電。

2）在線監(jiān)測與保護功能。能夠?qū)崿F(xiàn)過壓，過流，過載，短路保護以及其他故障保護，實時監(jiān)測直流電源系統(tǒng)運行狀況，對故障快速做出反應以排除故障。直流配電屏采用短路回縮式設計，即使長期短路工作也不會損壞，同時擁有自動恢復功能，在短路故障排除后能夠繼續(xù)正常工作。短路回縮式設計原理如圖2所示。

圖2　短路回縮式設計原理

3）對蓄電池的智能充電，智能管理功能。蓄電池是直流配電系統(tǒng)的核心設備，如果出現(xiàn)蓄電池故障或者蓄電池維護不當，則可能發(fā)生停電事件，造成嚴重的通信事故。文獻［14-15］列舉了多種由于蓄電池管理不當而造成的蓄電池爆炸以及重大停電事故。蓄電池在大多數(shù)時間是處于充電狀態(tài)的，只有在停電時才會被用來給負載供電。這時必須在正常情況下對蓄電池進行浮充，才不會由于長時間的充電損壞電池，而在蓄電池作為電源供電到電壓低于一定程度時，對蓄電池進行均充，快速補充蓄電池電能。直流配電屏應該要能實現(xiàn)蓄電池充電的均充轉(zhuǎn)浮充功能，保障蓄電池安全可靠地工作［16-17］。圖3為蓄電池均充浮充的原理圖。

圖3　蓄電池均沖、浮充原理

1.2蓄電池模塊

蓄電池組是直流配電系統(tǒng)惟一的儲能設備，也是保證直流配電系統(tǒng)不間斷供電的重要設備。目前通信機房中使用的蓄電池的標準類型是閥控式密封鉛酸蓄電池［18］。根據(jù)中華人民共和國通信行業(yè)標準《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術要求》規(guī)定［19］，通信局（站）用直流基礎電源的首選電源電壓為?48V，通信機房內(nèi)每一個機架的直流輸入端子處?48V電壓允許變動范圍為?40～?57V。隨著現(xiàn)在通信網(wǎng)絡規(guī)模的日益擴大，對于直流供電系統(tǒng)的容量要求越來越高，但由于每個蓄電池的容量有限，通信基站通常將多個小電壓蓄電池串聯(lián)使用以提高蓄電池組的容量。

蓄電池在使用過程中一般是正極接地而使用其負電壓?48V，即如圖1所示另外設置一個工作地。采用這種接地方式可以防止電極以及電纜的腐蝕，另外將工作地線與交流零線分開也能減少工頻交流側對直流側的影響。

1.3負載模塊

?48V直流配電系統(tǒng)的負載為各種通信設備，一般通信局（站）中的通信設備數(shù)量龐大，分布較為密集。負載模塊一般采用地高阻接線方式［20］。負載對于電源供電的可靠性以及不間斷性要求較高，如果通信電源發(fā)生故障，將導致負載斷電，造成嚴重的通信事故。

2?48V直流配電系統(tǒng)短路分析

2.1短路能量來源

由于直流配電系統(tǒng)中的整流模塊具備短路保護功能，在發(fā)生短路故障之后，整流器模塊能夠迅速響應（短路瞬態(tài)只有電容微秒級的放電，大功率放電被抑制），并關閉整流器，使得整流器沒有輸出，因此?48V直流配電系統(tǒng)的短路能量主要來源于蓄電池，短路電流的大小取決于電池容量，電池內(nèi)阻以及回路電阻的大小。電池的容量越大，內(nèi)阻越小則發(fā)生短路時短路電流的大小越大。以表1為閥控式密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻及出口短路電流值。

表1　閥控式密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻及出口短路電流值

2.2蓄電池組數(shù)學建模及短路仿真分析

為了了解?48V直流配電系統(tǒng)短路時的電壓電流特性，以便進行短路分析，本文參考了文獻［21-23］的蓄電池仿真建模方法，并結合實際直流配電系統(tǒng)中的密封閥控式鉛酸蓄電池的特性，通過仿真軟件Matlab中的Simulink工具箱，建立了蓄電池組短路故障仿真數(shù)學模型，進行了蓄電池組的短路故障模擬實驗，得到了蓄電池組在發(fā)生短路時的電壓電流波形特性。所得到的電壓、電流波形如圖5、圖 6所示。圖7為電壓波形的局部放大圖。

圖4　蓄電池短路Matlab仿真模型

圖5　蓄電池短路電流波形

圖6　蓄電池短路電壓波形

圖7　蓄電池短路電壓波形局部放大

由圖中分析短路電流波形可知，電流的變化曲線呈現(xiàn)簡單的一階上升趨勢，短路電流上升率高，經(jīng)過較短的時間便上升到短路電流峰值。從電壓波形可知，剛發(fā)生短路時，蓄電池組出口電壓有瞬時的突降，而由于蓄電池內(nèi)部存在內(nèi)電感以及內(nèi)電容，所以之后便呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢。

2.3保護設備

1）熔斷器

熔斷器是一種同時具備過電流繼電保護以及分斷能力的開關設備。其特點是尺寸小，價格低，限流特性好，分斷能力高。在直流配電系統(tǒng)中，由于線路及負載電感小，故障電流的上升率較高，故障電流在短時間內(nèi)會迅速上升到較高的數(shù)值，因此熔斷器在直流配電系統(tǒng)中較為適用。然而熔斷器在故障熔斷后必須更換熔斷體并且其保護功能單一，因此其適用于需要快速保護響應且不需要自動重合閘的保護場合。

2）隔離開關

隔離開關是無滅弧，無分斷能力的純機械式開關。隔離開關一般安裝在每個線路的兩端，只能在無負荷的情況下打開隔離開關形成物理隔離。隔離開關有明顯可見的斷點，將需要檢修的設備或線路與電源用一個明顯斷開點隔開，以保證檢修人員和設備的安全。

3）斷路器

直流斷路器是直流配電系統(tǒng)最重要最有效的保護設備，能在嚴重過載或短路等故障時自動切斷電路，保護系統(tǒng)及其他電器設備的安全。目前國內(nèi)外已有一些專家學者正在進行直流斷路器的研究，研究的直流斷路器的類型主要有：全固態(tài)斷路器、混合式斷路器及機械斷路器等。從斷路器的特性來看，全固態(tài)斷路器的分斷時間最短，分斷時不產(chǎn)生電弧，分斷性能最佳，但是靜態(tài)損耗很大；機械式斷路器的靜態(tài)損耗很小，但分斷時間較長，分斷特性較差；而混合式斷路器綜合兩者優(yōu)點，用快速機械開關導通正常運行電流，固態(tài)電力電子器件分斷短路電流，具有良好的靜態(tài)特性以及短路電流無弧快速分斷動態(tài)特性。然而目前對于直流斷路器的研究仍僅局限于高校實驗室或某些公司內(nèi)部，能真正應用于實際并已產(chǎn)品化的經(jīng)濟可靠的直流斷路器仍未問世。

2.4短路保護分區(qū)及目前的保護措施

實際通信機房配電系統(tǒng)中保護區(qū)域主要包含交流電源側保護、直流網(wǎng)絡保護、變換器保護、負載保護4部分，本文主要研究?48V直流配電系統(tǒng)直流側的短路故障。在?48V直流配電系統(tǒng)中，最常見的短路故障類型主要有蓄電池短路及負載短路兩種短路情況。

應對蓄電池短路故障，目前普遍采用的保護策略主要有兩種：①直接通過直流斷路器與熔斷器串聯(lián)來開斷短路電流；②采用交流斷路器與直流側隔離開關配合來清除直流系統(tǒng)故障。

應對負載短路故障，負載模塊的接線方式通常采用地高阻接線方式。地高阻接線方式中，各負載分路中都接有一定阻值的電阻，當某一負載分路發(fā)生短路時由該分路所串接的電阻來承受母線電壓，避免由于單一負載回路的短路造成直流電源的短路，影響其他分路負載的正常工作，以此來防護短路故障以提高系統(tǒng)供電的可靠性［16］。

2.5短路故障保護技術現(xiàn)存的問題

1）缺乏經(jīng)濟、可靠的直流斷路器：由于直流斷路器應用得少，其價格較為昂貴，并且直流短路電流沒有像交流短路電流一樣存在自然過零點，所以直流電弧分斷較為困難，需要采用專門的滅弧措施，技術難度較高，因此目前直流斷路器是限制直流配電系統(tǒng)發(fā)展的重要方面之一。

2）蓄電池是直流配電系統(tǒng)最常用的儲能設備，然而蓄電池易燃易爆，如果通過較長時間的短路電流時，其發(fā)生爆炸事故的可能性將大大提高，因此蓄電池的短路保護對快速性要求較高。而目前主要采用斷路器與熔斷器來開斷短路電流，這兩種保護設備都需要經(jīng)過一段時間才能響應短路故障，存在一定的延時，因此不具備短路電流的快速分斷能力。

3）為防護負載短路采用的高阻接法需要在每一路負載中串接高阻，在串接電阻中必然產(chǎn)生電壓降，使得負載電壓降低，因此還得考慮串接高阻以及負載之間的配合問題，并且所串接的高阻也會產(chǎn)生一定的功率損耗。

4）由于直流配電系統(tǒng)主要以微網(wǎng)形式存在，其線路并不長，各種設備較為密集，并且?guī)в写罅侩娏﹄娮釉O備，故障定位困難，目前尚缺乏智能的短路故障保護機制。

3　短路故障保護技術研究展望

未來直流配電系統(tǒng)短路保護技術研究方向展望如下：

1）開發(fā)經(jīng)濟、可靠的直流斷路器。目前國內(nèi)外已有學者正在研究全固態(tài)斷路器、混合固態(tài)斷路器、混合式斷路器等幾種不同類型的直流斷路器，相比于傳統(tǒng)的直流斷路器具有更好的特性。

2）研究直流短路故障的早期檢測技術。在交流配電系統(tǒng)中已有學者對交流短路故障的早期檢測做了大量的研究，并取得了一定的成果［24-25］，直流短路故障對于快速性的要求較高，研究直流短路故障的早期檢測技術具有較大的意義。

3）建立基于快速通信系統(tǒng)的智能控制與保護機制。有效整合電力電子設備保護功能，減少分散保護設備數(shù)量，降低保護系統(tǒng)復雜性及成本，并建立快速通信通道，搭建集保護、控制、通信集成一體化的智能控制平臺。

4　結論

本文分析了?48V直流配電系統(tǒng)在通信中的應用現(xiàn)狀，介紹了?48V直流配電系統(tǒng)的框架以及系統(tǒng)組成，并對其中的三大組成模塊，直流配電屏，蓄電池組以及負載模塊在整個配電系統(tǒng)中的作用，地位，意義進行了較為詳細的分析。從?48V直流配電系統(tǒng)的短路能量來源，短路故障類型以及目前短路故障保護措施三方面入手，并通過建立蓄電池短路故障仿真數(shù)學模型，分析了直流配電系統(tǒng)的短路特性。從目前采用的幾種短路故障保護措施中總結了現(xiàn)今短路故障保護技術存在的問題，最后展望了今后直流配電系統(tǒng)短路故障保護技術的研究方向。

［1］ 曾嘉思，徐習東，趙宇明. 交直流配電網(wǎng)可靠性對比［J］. 電網(wǎng)技術，2014，38（9）︰2582-2589.

［2］ 宋強，趙彪，劉文華，等. 智能直流配電網(wǎng)研究綜述［J］. 中國電機工程學報，2013，33（25）︰9-19.

［3］ 張祖平. 直流配電技術的發(fā)展前景［J］. 供用電，2015（2）︰52-53.

［4］ 李墨雪. 直流牽引供電系統(tǒng)建模及基于電流變化特征量的保護算法研究［D］. 北京︰北京交通大學，2010.

［5］ 易小志. 地鐵饋電線路行波保護方式研究［D］. 北京︰北京化工大學，2006.

［6］ Jin J，Allan J，Goodman C J，et al. Single pole-to-earth fault detection and location on a fourth-rail DC railway system［J］. IEE Proceedings-Electric Power Applications，2004，151（4）︰498-504.

［7］ Hao Wang，Liu Jinjun，Wei Huang. Stability prediction based on individual impedance measurement for distributed DC power systems［J］. 8th International Conference on Power Electronics-ECCE Asia. 2011.

［8］ Tsujikawa T，Matsushima T. Remote monitoring of VRLA batteries for telecommunications systems［J］. Journal of Power Sources，2007，168（1）︰99-104.

［9］ Zhao Zhendong，Huang Xing. A method of fault prediction of VRLA batteries using in communication network［J］. International Conference on Intelligent Computing and Integrated Systems 2011.

［10］ 薛士敏，陳超超，金毅，等. 直流配電系統(tǒng)保護技術研究綜述［J］. 中國電機工程學報，2014，34（19）︰3114-3122.

［11］ 胡競競，徐習東，裘鵬，等. 直流配電系統(tǒng)保護技術研究綜述［J］. 電網(wǎng)技術，2014，38（4）︰844-851.

［12］ 李芳影. 通信開關電源智能監(jiān)控系統(tǒng)及智能模塊的研制［D］. 天津︰天津大學，2004.

［13］ 智宇. 先進通信電源技術發(fā)展與應用研究［D］. 北京︰北京郵電大學，2010.

［14］ 李克民. 蓄電池是通信電源技術維護工作中的重中之重［J］. 電信技術，2003（5）︰3-6.

［15］ 王平. 通信用直流?48V電源系統(tǒng)安全應用可靠性提升措施淺析［C］//2012年中國通信能源會議論文集. 2012.

［16］ 戰(zhàn)旗. 通信直流供電系統(tǒng)開關電源和蓄電池維護及配置探討［J］. 通信電源技術，2012，29（5）︰116-119.

［17］ 趙淑蘭. 通信電源系統(tǒng)配置與故障維護［J］. 通信電源技術，2014，31（6）︰117-118.

［18］ 中華人民共和國通信行業(yè)標準YDT 799—2010. 通信用閥控式密封鉛酸蓄電池［S］.

［19］ 通信局. YD/T1051—2010. 站［S］.

［20］ 胡海. 通信電源系統(tǒng)中的直流配電［J］. 通信電源技術，2008，25（2）︰71-73.

［21］ 徐正喜，姜波，魏華，等. 大容量鉛酸蓄電池組短路特性分析研究［J］. 船電技術，2007，27（4）︰221-226.

［22］ 徐國順，莊勁武，楊鋒，等. 大容量蓄電池組的數(shù)學建模及短路特性研究［J］. 低壓電器，2006（11）︰18-21.

［23］ 徐國順，莊勁武，楊鋒，等. 大容量蓄電池組的數(shù)學建模及參數(shù)辨識［J］. 海軍工程大學學報，2007，19（3）︰35-38.

［24］ 繆希仁，吳曉梅. 低壓系統(tǒng)多層級短路電流早期檢測與預測［J］. 電工技術學報，2014，29（11）︰177-183.

［25］ 王田，繆希仁，孫秦陽. 基于渦流斥力機構的低壓交流接觸器技術［J］. 電器與能效管理技術，2015（2）︰13-18.

Short Circuit Analysis of ?48V DC Distribution System for Communication

Xu HuojuMiao Xiren
（School of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou350108）

With the development of society，the way of DC distribution has received broad attention for its own advantage. ?48V DC distribution system as the core part of communication system has played an important role in normal communication operation. However，because of the research of DC distribution system is still in early stage，DC protection technology has become the bottleneck of development of DC distribution system. This paper studies ?48V DC distribution system，introduces the structure of the system and analyzes the short circuit characteristics from the short circuit resource，short circuit point，short circuit protection and the established short circuit fault mathematical simulation model of battery. Finally，the current problem of short circuit fault protection technology is summarized and the technical research on short circuit protection for DC distribution system was prospected.

communication power supply； short circuit fault； DC distribution； short circuit characteristics

許火炬（1990-），男，福州大學在讀碩士研究生，研究方向為智能電器及在線監(jiān)測技術。