柔性通信電源系統(tǒng)的創(chuàng)新型設(shè)計

趙峙鈞

（南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京 211111）

0 引 言

變電站通信電源系統(tǒng)在運行過程中存在信號上傳、信號采集和控制指令下發(fā)速度緩慢以及系統(tǒng)散熱能力差等問題，無法滿足110 kV變電站綜自系統(tǒng)運行調(diào)試需求。為提高變電站綜自系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和管理調(diào)試水平，需要對通信電源系統(tǒng)進行創(chuàng)新設(shè)計，以加強綜自系統(tǒng)的調(diào)試管理。

1 柔性通信電源系統(tǒng)的創(chuàng)新型設(shè)計

1.1 柔性通信電源系統(tǒng)設(shè)計方案

柔性通信電源系統(tǒng)除了需要具備監(jiān)測變電站綜自系統(tǒng)運行參數(shù)外，還包括對變電站環(huán)境的監(jiān)控。根據(jù)變電站綜自系統(tǒng)調(diào)試需求，設(shè)計了柔性通信電源系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性通信電源系統(tǒng)硬件框架

從圖1中可以看出，該系統(tǒng)可以對綜自系統(tǒng)變壓器傳輸?shù)慕涣鞲叩蛪弘娏鬟M行實時監(jiān)測和顯示，同時當(dāng)通信電源系統(tǒng)市電斷開時，系統(tǒng)會自動將切換供電方式，利用發(fā)電機為通信電源系統(tǒng)供電。對綜自系統(tǒng)直流配電情況進行實時監(jiān)測，并且還具備門限開關(guān)告警功能。通信電源系統(tǒng)監(jiān)控單元可以對綜自系統(tǒng)開關(guān)整流模塊進行停止和啟動控制，能夠?qū)C自系統(tǒng)機房環(huán)境進行實時監(jiān)測，當(dāng)溫度和濕度超過限值后，通信電源系統(tǒng)會發(fā)出警報提醒管理人員對環(huán)境溫度進行控制。通信電源系統(tǒng)會記錄綜自系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，以便于對綜自系統(tǒng)的維護管理。通信電源系統(tǒng)配置有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，能夠與PC機進行通信。

1.2 柔性通信電源系統(tǒng)交流配電單元設(shè)計

柔性通信電源系統(tǒng)交流輸入模式分為兩種，一種為市電輸入，另一種為發(fā)電機輸入。當(dāng)市電發(fā)生故障時，通信電源系統(tǒng)會自動切換交流輸入方式，由發(fā)電機為系統(tǒng)提供電源。交流配電單元模塊如圖2所示。

圖2 交流配電單元

從圖2中可以看出，通信電源系統(tǒng)3項市電R、S、T分別接入L1、L2、L3，此外通信電源系統(tǒng)控制面板上設(shè)置有市電過欠壓指示功能，當(dāng)市電可以為通信電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源時，控制面板上指示燈為熄滅狀態(tài)，當(dāng)市電出現(xiàn)過欠壓情況時，指示燈會閃爍以提醒管理及時處理。另外，通信電源系統(tǒng)還配備防雷系統(tǒng)，可以保障系統(tǒng)交流輸出的安全性[1]。

（1）交流接入電路：通信電源系統(tǒng)交流電采用空氣開關(guān)接入方式，空氣開關(guān)型號為施耐德C65N。

（2）交流輸入開關(guān)：交直流配電單元主要為通信電源系統(tǒng)各開關(guān)整流模塊提供交流電源輸入需求。

（3）交流輔助輸出：交直流配電不僅需要為通信電源系統(tǒng)開關(guān)整流模塊提供交直流供電需求外，還需要配備其他型號輸出接口，以滿足其他用電設(shè)備的連接?；谠撔枨?，在交流配電電源模塊上配置的交流配電排，可以同時滿足多個用電設(shè)備取電需求。

（4）交流采樣電路：該電路主要由整流器件和交流變壓器組成，采樣電路可以將交流電流、電壓轉(zhuǎn)換為通信電源系統(tǒng)可以處理的電信號。

（5）交流監(jiān)控電路：通信電源系統(tǒng)監(jiān)控單元包括配電信息微處理器，可以實現(xiàn)信號告警、檢測、顯示、處理等功能。

1.3 柔性通信電源系統(tǒng)直流配電單元設(shè)計

直流配電單元如圖3所示。從圖3中可以看出，直流配電單元與整流模塊相連接，其可以同時接入3組電池；配電單元電池模塊采用熔斷器和分流器于電池開關(guān)和線路相連接；霍爾傳感器主要負責(zé)檢測3組電池電流[2]。

圖3 直流配電單元

低電壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）為電池電流切斷器，在通信電源系統(tǒng)一次或二次下電時，LVDS會切斷電源電流，避免電池組過度放電造成損壞，以達到保護電池組的目的。綜自系統(tǒng)交流電中斷依靠電池維持正常運行時，通信電源系統(tǒng)會自動檢測電池組電壓，當(dāng)電池電壓值低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)運行電壓時，通信電源系統(tǒng)會發(fā)送跳脫信號指令，控制LVDS切斷直流電源。

1.4 開關(guān)整流模塊設(shè)計

1.4.1 開關(guān)整流模塊結(jié)構(gòu)

開關(guān)整流模塊主要由2種電路組成，分別為主電路和控制電路。主電路主要負責(zé)交流和直流電源的轉(zhuǎn)換；控制電路負責(zé)輔助主電路工作，保證電壓電流輸出和輸入的穩(wěn)定性。

交流輸入濾波器的主要作用是濾除市電電網(wǎng)中的雜波，為工作電路提供穩(wěn)定純凈的交流電，此外濾波器也可以防止通信電源系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰噪聲。整流濾波電路主要負責(zé)將交流電整流為直流電，然后將直流電提供至下級電路。逆變電路可以將整流后的直流電逆變?yōu)楦哳l交流電，進一步提高電源穩(wěn)壓精度。控制電路主要負責(zé)采集輸出電壓，然后與基準(zhǔn)電壓進行比較，控制逆變器改變基準(zhǔn)電壓頻率或脈寬，進而改變通信電源系統(tǒng)輸出電壓值，提高通信電源交流輸出的穩(wěn)定性[3]。

1.4.2 開關(guān)整流模塊原理

開關(guān)整流模塊原理架構(gòu)如圖4所示。該模塊按照功能劃分，主要包括交流輸入濾波、輔助電源電路、保護和控制電路、橋式整流濾波等組成。該模塊功率變換電路、交流輸入濾波器、整流輸出濾波和橋式整流濾波為主電路，主要負責(zé)系統(tǒng)功率變換；比較放大電路、采樣電路、脈寬控制電路、基準(zhǔn)電源電路、輸出和輸入隔離電路、電流均流電路、脈沖信號源電路和驅(qū)動電路為控制電路，主要用于組成電流環(huán)和電壓環(huán)雙環(huán)控制電路[4]。此外，開關(guān)整流模塊還包括風(fēng)扇故障保護電路、輔助電源電路等，主要用于提高通信電源系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 開關(guān)整流模塊原理架構(gòu)

1.5 交直流配電系統(tǒng)配線設(shè)計

以電壓種類為劃分依據(jù)，可以將變電站電纜劃分為直流電纜和交流電纜，直流電纜和交流電纜均具有為開關(guān)整流模塊提供穩(wěn)定電源的功能，而交流電纜還用于通信電源系統(tǒng)設(shè)備負荷比較。交流電纜在選擇方面主要考慮線纜運行載流量；直流電纜主要考慮電路壓降。通常情況下，在設(shè)計通信電源系統(tǒng)過程中，首先需要完成通信電源系統(tǒng)配置圖，其次再確定直流電纜和交流電纜長度、截面積和種類等。

1.5.1 交流供電回路配線設(shè)計

配線設(shè)計主要包括開關(guān)整流模塊輸入線、整流交流輸入線、發(fā)電機輸出線設(shè)計等，配線線纜一般采用三芯銅質(zhì)電纜[5]。配線設(shè)計過程中需要考慮通信電源系統(tǒng)的安全電流，通常情況下，通信電源系統(tǒng)交流壓降為輸出電壓的2%。當(dāng)系統(tǒng)允許電壓降低時，可以利用以下公式進行計算

式中：Ie為通信電源系統(tǒng)交流電纜額定電流；Se為系統(tǒng)額定容量。

當(dāng)變電站直流電流最大負荷為347 A時，其額定容量為17.7 kVA，電力電纜額定電流為27 A，電纜線徑為

式中：Ji為電流密度；Im為通信電源系統(tǒng)最大負荷電流。

利用以上公式計算得出通信電源系統(tǒng)電力電纜線徑為12 mm2。

1.5.2 直流供電回路配線設(shè)計

直流供電回路配線設(shè)計包括直流母排電纜至直流負載電纜、蓄電池組電纜至直流母排電纜所引出的所有電纜。直流供電回路允許壓降計算采用電流矩法，即

式中：ΔU為通信電源系統(tǒng)允許電壓降；R為直流電阻；r為電導(dǎo)率；L為導(dǎo)線長度；S為導(dǎo)體截面積；ρ為電阻率；I為負載電流。

另外，在計算直流供電回路允許壓降過程中還需要考慮通信電源系統(tǒng)允許電壓變化幅度和蓄電池浮充電壓[6]。

2 柔性通信電源系統(tǒng)性能測試

2.1 通信電源系統(tǒng)動態(tài)特性測試

2.1.1 通信電源系統(tǒng)輸入輸出性能

圖5為通信電源系統(tǒng)輸入電壓和輸出電壓波形圖。圖5中通信電源系統(tǒng)輸入電源為50 Hz、220 V交流電，設(shè)計系統(tǒng)輸出電源為-54 V直流電，而系統(tǒng)實際輸出電源為-53 V直流電。

圖5 通信電源系統(tǒng)輸入電壓和輸出電壓波形

2.1.2 通信電源系統(tǒng)負載效應(yīng)

圖6為通信電源系統(tǒng)負載效應(yīng)測試波形圖。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓為系統(tǒng)額定值時，其輸出電流變化范圍在5%～100%，系統(tǒng)負載調(diào)整率未超過整定值的0.5%。實測該通信電源系統(tǒng)負載調(diào)整率為-0.04%～0.07%，當(dāng)系統(tǒng)負載增加時，其輸出直流電壓變化范圍為-0.04%～0.07%，滿足5%～100%的變化標(biāo)準(zhǔn)[7]。

圖6 通信電源系統(tǒng)負載效應(yīng)測試波形

2.2 通信電源系統(tǒng)散熱性測試

（1）常溫溫升測試。在溫度為26 ℃的環(huán)境中調(diào)整開關(guān)整流模塊為滿載狀態(tài)，并運行8 h，然后利用熱電偶對通信電源系統(tǒng)電源模塊溫度進行測試。電源模塊最高溫度為58 ℃，溫升為32 ℃，低于電源模塊最大溫升35 ℃設(shè)計值，符合通信電源系統(tǒng)設(shè)計要求。

（2）老化測試。在溫度26 ℃環(huán)境中將開關(guān)整流模塊調(diào)整為滿載狀態(tài)，并運行12 h。經(jīng)過測試，系統(tǒng)最高溫度為64 ℃。在溫度為50 ℃環(huán)境中將開關(guān)整流模塊調(diào)整為滿載狀態(tài)，并運行12 h，此時通信電源系統(tǒng)散熱器最高溫度為85 ℃，開關(guān)整流模塊可以正常運行[8]。

3 結(jié) 論

綜上所述，通信電源系統(tǒng)作為變電站綜自系統(tǒng)管理和調(diào)試的核心，柔性通信電源通信系統(tǒng)的創(chuàng)新型設(shè)計不僅解決了變電站綜自系統(tǒng)運行管理問題，而且也實現(xiàn)了信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和電力技術(shù)在綜自系統(tǒng)中的融合應(yīng)用。本文提出了柔性通信電源系統(tǒng)的創(chuàng)新型設(shè)計，并從柔交流配電單元設(shè)計、直流配電單元設(shè)計、開關(guān)整流模塊設(shè)計和交直流配電系統(tǒng)配線設(shè)計4個方面詳細研究了通信電源系統(tǒng)設(shè)計方案。通過對本文設(shè)計的柔性通信電源系統(tǒng)性能進行了測試，無論是系統(tǒng)動態(tài)特性還是散熱性能方面，均滿足通信電源系統(tǒng)設(shè)計要求。