長(zhǎng)輸管道高頻開關(guān)通信電源改進(jìn)研究

王 振，張 陽(yáng)

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

通信系統(tǒng)是長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，長(zhǎng)輸管道依靠通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)監(jiān)控。高頻開關(guān)通信電源能提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能，因此經(jīng)常被長(zhǎng)輸管道輸氣站所選用。可見(jiàn)，高頻開關(guān)通信電源是保障長(zhǎng)輸管道通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵部件。一旦通信電源發(fā)生故障，將造成通信設(shè)備供電中斷，引起通信鏈路中斷，造成重要信息無(wú)法正常傳輸[1]，影響管道正常運(yùn)行。因此，提升高頻開關(guān)通信電源可靠性和穩(wěn)定性，優(yōu)化改進(jìn)其運(yùn)行方式至關(guān)重要。

1 高頻開關(guān)通信電源特點(diǎn)

1.1 通信設(shè)備對(duì)電源的要求

（1）可靠性。通信設(shè)備所承載的業(yè)務(wù)往往非常重要，不允許出現(xiàn)中斷，要求電源保證連續(xù)供電[2]。電源一般通過(guò)兩路市電冗余接入，當(dāng)市電中斷時(shí)，與通信電源并接的蓄電池組便會(huì)為通信設(shè)備進(jìn)行供電，以此來(lái)確保正常通信[2]。

（2）穩(wěn)定性。電壓波動(dòng)、諧波脈沖等因素都會(huì)影響通信設(shè)備正常運(yùn)行。例如，電壓太高會(huì)損害電子組件，電壓過(guò)低無(wú)法保證設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，要求電源系統(tǒng)的電壓、電流、交流電頻率以及直流電脈沖諧波等參數(shù)均控制在一定范圍內(nèi)[3]。

（3）高效性。隨著光傳輸設(shè)備、OTN設(shè)備等容量逐漸增大，設(shè)備總功率在不斷增大，這就要求電源系統(tǒng)具備運(yùn)行效率高、熱損耗低以及功率密度大的特點(diǎn)，從而滿足節(jié)能要求。

1.2 高頻開關(guān)通信電源組成及功能

高頻開關(guān)通信電源一般采用模塊化形式，由交流配電單元、直流配電單元、整流模塊、監(jiān)控模塊[4]和電池組成，如圖1所示。

（1）交流配電單元。用于實(shí)現(xiàn)市電的引入及切換，向整流模塊供給交流電源，向監(jiān)控模塊上傳交流電壓與電流的采樣輸出，還能夠?qū)崿F(xiàn)交流備用輸出[5]。

（2）直流配電單元。整流模塊為并聯(lián)輸出，通過(guò)匯流排接入直流配電單元，并由直流接觸器控制直流輸出。系統(tǒng)有二次下電保護(hù)功能，當(dāng)電池組放電時(shí)，會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)保護(hù)參數(shù)分兩次切斷負(fù)載，以保護(hù)電池組過(guò)度放電。

（3）整流模塊。將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸出端為直流配電單元，直流通信設(shè)備和蓄電池并聯(lián)接入直流配電單元取電[3]。

（4）監(jiān)控模塊。用于統(tǒng)一監(jiān)控交流配電、直流配電、電池組等，是整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)的“中樞”，監(jiān)控各單元模塊的運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)各單元模塊的正常運(yùn)行。

（5）電池組。通常選用體積較小、零污染、電壓平穩(wěn)以及易于維護(hù)[6]的2 V閥控式鉛酸蓄電池，通過(guò)串聯(lián)構(gòu)成48 V電池組。

正常工作時(shí)，交流配電單元將輸入的三相交流電分配給多個(gè)整流模塊[4]，經(jīng)整流模塊完成交流變換后，為負(fù)載提供直流電源。當(dāng)某路交流電斷電時(shí)，由控制電路驅(qū)動(dòng)自動(dòng)切換到另一路供電；當(dāng)兩路交流同時(shí)斷電時(shí)，由電池組供電[7]。監(jiān)控模塊具有二次下電功能，當(dāng)電池組電壓下降到一次下電保護(hù)脫離值時(shí)，直流配電單元切斷非重要負(fù)載的供電；當(dāng)電壓繼續(xù)下降至二次下電保護(hù)脫離值時(shí)，直流接觸器斷開，電池停止向外供電。市電恢復(fù)正常后，整流模塊重新投入工作，直流接觸器自動(dòng)閉合，對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電，電池組充滿后自動(dòng)進(jìn)入浮充狀態(tài)。

2 高頻開關(guān)通信電源故障原因調(diào)查分析

長(zhǎng)輸管道上的輸氣站通常采用10 kV專線供電，并且站場(chǎng)配備有天然氣發(fā)電機(jī)及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS），從設(shè)計(jì)角度來(lái)講，電力供應(yīng)是可靠的。但若高頻開關(guān)通信電源本體故障，不可避免會(huì)引起通信中斷，存在一定的安全隱患。2020年6月，某輸氣站因高頻開關(guān)通信電源故障引起掉電，造成通信中斷。統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自2019年以來(lái)，公司所轄輸氣站發(fā)生類似高頻開關(guān)通信電源故障共6次，且均不同程度地給長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行造成影響。分析總結(jié)故障原因，主要為電池組故障、監(jiān)控模塊故障兩類。

例如，2020年6月發(fā)生的故障，在外電中斷的情況下，巡檢發(fā)現(xiàn)高頻開關(guān)通信電源監(jiān)控屏顯示電池輸出電壓僅為33.5 V，電池組停止向外供電。為確定電池組性能是否下降，對(duì)電池組進(jìn)行2 h放電測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 電池組2 h放電測(cè)試記錄

由表1可知，電池組放電120 min后，輸出電壓下降1%。同時(shí)，電池組放電10 min和30 min后，測(cè)得單體電池最大電壓差為0.02 V，其值小于0.1 V，表明電池組性能合格，排除了電池組故障。查詢監(jiān)控模塊預(yù)設(shè)參數(shù)，得知一次下電和二次下電保護(hù)脫離值分別為46.00 V和43.20 V。當(dāng)外電中斷時(shí)，電池組開始放電，而監(jiān)控模塊檢測(cè)輸出電壓為33.5 V，小于二次下電保護(hù)脫離值，直流接觸器斷開，電池組停止向外供電，而使用萬(wàn)用表測(cè)量，電池組實(shí)際輸出電壓為50.6 V?？梢?jiàn)監(jiān)控模塊采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，致使電池組供電中斷。

3 高頻開關(guān)通信電源改進(jìn)措施

針對(duì)故障頻發(fā)的現(xiàn)狀，統(tǒng)計(jì)分析了公司所轄輸氣站高頻開關(guān)通信電源故障問(wèn)題，提出改進(jìn)措施。

3.1 優(yōu)化監(jiān)控模塊運(yùn)行方式

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研可知，該品牌監(jiān)控模塊故障率較高，且已經(jīng)停產(chǎn)，無(wú)法單體換新，維修意義不大。綜合考慮電力供應(yīng)情況及成本因素，同時(shí)保證高頻開關(guān)通信電源的可靠性，減少因模塊故障引起的通信中斷，拆除監(jiān)控模塊二次下電保護(hù)功能，改進(jìn)監(jiān)控模塊運(yùn)行方式，使直流接觸器保持常閉狀態(tài)。當(dāng)有外電時(shí)，電池組為浮充狀態(tài)；若外電中斷，電池組放電為負(fù)載供電。

3.2 增加雙電源冗余回路

從輸氣站UPS輸出端引出一路380 V交流電，代替原有的380 V市電Ⅱ，接入交流配電單元輸入端，如圖2所示。實(shí)現(xiàn)“三回路”供電，即市電優(yōu)先，若市電中斷，則由UPS供電，最后為電池組供電。雖在兩路交流切換時(shí)存在時(shí)間間隙，其間由電池組繼續(xù)供電，從而實(shí)現(xiàn)供電“雙保險(xiǎn)”。

通過(guò)上述改造，只有在市電、UPS全部停電后，電池才會(huì)持續(xù)放電工作。通常情況下，長(zhǎng)輸管道輸氣站外電中斷時(shí)，啟用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電，并且根據(jù)電池組放電測(cè)試結(jié)果，推算其能夠滿足設(shè)備不間斷運(yùn)行要求。同時(shí)，控制室溫在25 ℃以內(nèi)，為蓄電池提供良好的運(yùn)行環(huán)境，降低老化速度，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，定期在蓄電池接線柱頭上涂抹凡士林，確保接觸良好[8]。

4 結(jié) 論

2020年下半年起，針對(duì)類似故障情況，公司對(duì)所轄長(zhǎng)輸管道輸氣站場(chǎng)進(jìn)行了高頻開關(guān)通信電源柜改造。改造后未發(fā)生過(guò)通信電源中斷的事件，說(shuō)明高頻開關(guān)通信電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠。高頻開關(guān)通信電源改造實(shí)踐取得了良好的效果，不僅響應(yīng)了公司提質(zhì)增效的號(hào)召，更解決了生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，為長(zhǎng)輸管道通信系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行夯實(shí)了基礎(chǔ)。