電力通信電源新技術(shù)及應(yīng)用研究

周澤昊

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

電力通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于信息傳輸和通信起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的電力通信電源技術(shù)存在一些限制，如能源消耗、環(huán)境影響以及經(jīng)濟(jì)效益等方面的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題并提升電力通信電源系統(tǒng)的性能，研究人員開始探索新的技術(shù)和方法。文章旨在研究電力通信電源的新技術(shù)及其應(yīng)用，探討了可再生能源利用、能量收集與管理技術(shù)、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)的應(yīng)用[1-2]。通過案例研究和性能比較分析，文章評(píng)估了電力通信電源新技術(shù)的影響和優(yōu)勢(shì)，并探討了當(dāng)前技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，為電力通信電源領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)[3]。

1 電力通信電源概述

電力通信系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，承擔(dān)著傳輸監(jiān)控、保護(hù)和控制信息的任務(wù)。它將各種電力設(shè)備與子系統(tǒng)緊密相連，使電力系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行和管理。電源在其中充當(dāng)著不可或缺的角色，為電力通信設(shè)備供應(yīng)必要的電能，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行和可靠性。然而，電源的質(zhì)量與可靠性對(duì)電力通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可用性有著直接的影響。

現(xiàn)如今，傳統(tǒng)電源技術(shù)的局限性日益顯現(xiàn)，無法滿足能效提高和能耗降低的需求。尤其在能源資源日趨緊缺和環(huán)境保護(hù)意識(shí)提高的背景下，這一問題更加突出。另外，傳統(tǒng)電源存在可靠性和維護(hù)問題，如電池壽命有限需要定期更換、發(fā)電機(jī)等設(shè)備需要經(jīng)常性維護(hù)和檢修，增添了系統(tǒng)維護(hù)成本和工作負(fù)擔(dān)[4]。

新型電力通信電源技術(shù)正在不斷創(chuàng)新，如高效節(jié)能的開關(guān)電源、可再生能源應(yīng)用、蓄電池技術(shù)的改進(jìn)等，都旨在提升電力通信系統(tǒng)的性能和可靠性。智能化電源管理系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用，通過對(duì)電源的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力通信系統(tǒng)的優(yōu)化管理。

2 電力通信電源新技術(shù)的應(yīng)用案例介紹

2.1 新能源在電力通信中的應(yīng)用

隨著環(huán)保和持續(xù)性問題日益凸顯，新能源的利用越來越引人關(guān)注。利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源為電力通信系統(tǒng)供電，是一種環(huán)保且經(jīng)濟(jì)的解決方案。有一些現(xiàn)代電源設(shè)備已經(jīng)可以將智能電網(wǎng)與可再生能源技術(shù)相結(jié)合，將智能電網(wǎng)用作能源管理和優(yōu)化系統(tǒng)的一部分，提高了系統(tǒng)的總體效率。

在偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于電力供應(yīng)不穩(wěn)定，電力通信系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)遭受電源中斷的問題，對(duì)此可采用太陽能電源解決方案。通過安裝光伏面板和相關(guān)的能源管理設(shè)備，使得地方電力通信系統(tǒng)能取得穩(wěn)定的電源供應(yīng)，極大地增強(qiáng)了該地區(qū)的電力通信能力和穩(wěn)定性。

2.2 能量收集與電能管理技術(shù)的應(yīng)用

能量收集與電能管理技術(shù)是指通過對(duì)各類電能進(jìn)行高效利用和管理，以滿足電力通信系統(tǒng)的電源需求。該技術(shù)將通過高效轉(zhuǎn)換器或充電器，對(duì)收集到的電能進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，使電能可被電力通信系統(tǒng)所使用。除此之外，智能化的電能管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制電能的使用，以確保在滿足通信系統(tǒng)需求的同時(shí)，達(dá)到最佳的電能利用效率。例如，當(dāng)電力供應(yīng)充足時(shí)，系統(tǒng)可以將多余的電能存儲(chǔ)起來；而在電力供應(yīng)不足時(shí)，系統(tǒng)則可以取出存儲(chǔ)的電能以供使用[5]。此外，能量收集與電能管理技術(shù)還能改善傳統(tǒng)電源的一些問題，如減少能源浪費(fèi)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、降低維護(hù)成本等。

2.3 UPS系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

在電力通信系統(tǒng)中，UPS起著至關(guān)重要的作用，為電力通信系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備提供穩(wěn)定且連續(xù)不斷的電力。UPS通過運(yùn)用在線雙轉(zhuǎn)換技術(shù)和電池管理技術(shù)，能夠在主電源出現(xiàn)故障或波動(dòng)時(shí)立即切換到備用電源，保證通信系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

此外，UPS還利用了并行冗余技術(shù)，讓多臺(tái)UPS系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的電源容量和可靠性，確保電力通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，借助智能監(jiān)控管理技術(shù)，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的任何問題。UPS技術(shù)通過集合多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，有效提供了持續(xù)且可靠的電力供應(yīng)，保障了電力通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行[6]。

3 基于UPS的電力通信新技術(shù)應(yīng)用

電力通信屬于應(yīng)急通信工程的重要組成部分，UPS必須具有高可用性，確保其能夠?yàn)殡娏νㄐ旁O(shè)備提供電力，滿足性能要求。文章建立了一個(gè)衡量電力通信UPS可用性的評(píng)估模型，該模型是衡量電力通信系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性的綜合指標(biāo)，最后對(duì)該模型在某市政電力通信應(yīng)急平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3.1 電力通信UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力通信UPS系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)市政電力中斷時(shí)，由發(fā)電機(jī)組代替市政電力，維持電力通信系統(tǒng)正常運(yùn)行工作。如果市政電力和發(fā)電機(jī)組都出現(xiàn)故障，則由電池組直接向電力通信設(shè)備供電。此外，UPS系統(tǒng)中所有的工作過程都由計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控和管理。整個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系如下：市政電力、發(fā)電機(jī)組、切換開關(guān)組成主要電源系統(tǒng)，與整流設(shè)備串聯(lián)，再與電池組并聯(lián)，最后與電力通信系統(tǒng)串聯(lián)。

圖1 電力通信UPS系統(tǒng)

3.2 電力通信UPS系統(tǒng)的可用性建模

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將電力通信UPS系統(tǒng)（包括其子系統(tǒng)）的狀態(tài)假定為僅有正常和故障2種。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，每個(gè)子系統(tǒng)都由一組專職人員進(jìn)行維護(hù)。此外，假定子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、需要維護(hù)以及由其他因素導(dǎo)致的時(shí)間浪費(fèi)是互相獨(dú)立的。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，假設(shè)子系統(tǒng)的故障和維護(hù)狀態(tài)符合指數(shù)分布，在任何給定的時(shí)間點(diǎn)，子系統(tǒng)出現(xiàn)故障或需要維護(hù)的概率是恒定的，與過去的情況無關(guān)。同時(shí)，切換開關(guān)的工作過程是瞬時(shí)完成的，不會(huì)消耗額外的時(shí)間。

基于以上假設(shè)，對(duì)電力通信UPS系統(tǒng)內(nèi)各組件的可用性建模，用公式表示為

式中：Pj(t)為子系統(tǒng)正常狀態(tài)的概率；k為正常狀態(tài)的子系統(tǒng)數(shù)目。根據(jù)可用性的計(jì)算步驟，可以得出其可靠性和可維護(hù)性均服從指數(shù)分布的情況下，系統(tǒng)可用性表示為

式中：λ、μ為子系統(tǒng)中的故障率和維護(hù)率；e-(λ+μ)t為可靠度函數(shù)，呈指數(shù)分布。

根據(jù)電力通信UPS系統(tǒng)的假設(shè)，市政電力、發(fā)電機(jī)組和切換開關(guān)可組成一個(gè)冷備用系統(tǒng)Q，進(jìn)而與整流設(shè)備串聯(lián)。冷備份系統(tǒng)Q和系統(tǒng)整流設(shè)備的穩(wěn)態(tài)可用性及其概率為

因此，通信UPS系統(tǒng)的可用性評(píng)估模型A1～3為

3.3 模型驗(yàn)證與應(yīng)用

為了驗(yàn)證該模型的適用性和真實(shí)性，對(duì)一個(gè)試驗(yàn)性質(zhì)的市政電力通信UPS系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析與應(yīng)用。通過運(yùn)用狀態(tài)空間法來分析系統(tǒng)性能，以反映對(duì)象的實(shí)際情況。使用MATLAB工具箱函數(shù)直接進(jìn)行計(jì)算，以下是求解模型的主要步驟。

步驟1：從可靠性系統(tǒng)的角度出發(fā)，分析了通信UPS系統(tǒng)的各個(gè)組成單元，并收集了每個(gè)單元的故障和維護(hù)數(shù)據(jù)。步驟2：利用MATLAB工具箱對(duì)各單元的可靠性和維修密度函數(shù)進(jìn)行仿真，并在一定的置信區(qū)間內(nèi)估計(jì)參數(shù)。步驟3：將仿真得到的參數(shù)代入測(cè)試的電力通信不間斷供電系統(tǒng)的可用性模型，計(jì)算出系統(tǒng)的可用性。步驟4：基于系統(tǒng)的可用性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和評(píng)估，從而對(duì)模型進(jìn)行修改。步驟5：重復(fù)步驟1～4，并將其應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)模型假設(shè)，這些設(shè)備的可靠性和維修程度呈指數(shù)分布，測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出正常條件下該市政電力通信UPS系統(tǒng)的可用性為0.998。與實(shí)際工作中的長(zhǎng)期供電情況相吻合，驗(yàn)證了模型的適用性。

表1 用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的電力通信UPS系統(tǒng)組件故障數(shù)據(jù)

4 電力通信電源技術(shù)的未來發(fā)展

隨著科技的進(jìn)步和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn)，電力通信電源技術(shù)也將朝著更先進(jìn)、更自動(dòng)化以及更環(huán)保的方向發(fā)展。第一，更高效率的能源轉(zhuǎn)換和管理。隨著功率電子技術(shù)的成熟，通過新型半導(dǎo)體材料和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更高效的能源轉(zhuǎn)換和管理。第二，更智能的能源管理。隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，電源管理將趨于智能化，能基于數(shù)據(jù)分析自動(dòng)優(yōu)化能源分配，提高能源利用效率。第三，混合能源系統(tǒng)的發(fā)展。隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，未來電力通信電源可能會(huì)更多地采用混合能源系統(tǒng)，集成太陽能、風(fēng)能等多種能源，以提高能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。第四，更持久的儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)將持續(xù)發(fā)展，未來可能會(huì)有更高容量、更低自放電率以及更長(zhǎng)壽命的電池技術(shù)出現(xiàn)，如固態(tài)電池、石墨烯電池等。第五，向環(huán)保和可持續(xù)性方向發(fā)展。隨著全球環(huán)保意識(shí)的提高，電力通信電源技術(shù)將更加注重環(huán)保和可持續(xù)性，例如提高設(shè)備的能效、降低碳排放、采用可循環(huán)利用的材料等。

5 結(jié) 論

電力通信電源技術(shù)隨著時(shí)間的推移已經(jīng)發(fā)展和進(jìn)步到了一個(gè)新的階段。文章主要討論其新的技術(shù)，如可再生能源的利用、能量收集和電源管理技術(shù)。尤其是在通信電源中的UPS系統(tǒng)，特別探究了在市政電力通信系統(tǒng)中UPS系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證，構(gòu)建UPS的有效可用性模型，并通過故障數(shù)據(jù)驗(yàn)證了UPS設(shè)計(jì)的有效性。在未來，這些創(chuàng)新技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)電力通信電源領(lǐng)域的發(fā)展，為打造更高效、更可靠且更環(huán)保的電力通信系統(tǒng)提供有利支持。