長輸管道高頻開關通信電源改進研究

王 振，張 陽

（國家管網集團西南管道南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

通信系統是長輸管道安全運行的基礎，長輸管道依靠通信系統實現在線數據交換和實時監控。高頻開關通信電源能提供穩定、高質量的電能，因此經常被長輸管道輸氣站所選用。可見，高頻開關通信電源是保障長輸管道通信業務的關鍵部件。一旦通信電源發生故障，將造成通信設備供電中斷，引起通信鏈路中斷，造成重要信息無法正常傳輸[1]，影響管道正常運行。因此，提升高頻開關通信電源可靠性和穩定性，優化改進其運行方式至關重要。

1 高頻開關通信電源特點

1.1 通信設備對電源的要求

（1）可靠性。通信設備所承載的業務往往非常重要，不允許出現中斷，要求電源保證連續供電[2]。電源一般通過兩路市電冗余接入，當市電中斷時，與通信電源并接的蓄電池組便會為通信設備進行供電，以此來確保正常通信[2]。

（2）穩定性。電壓波動、諧波脈沖等因素都會影響通信設備正常運行。例如，電壓太高會損害電子組件，電壓過低無法保證設備有效運轉。因此，要求電源系統的電壓、電流、交流電頻率以及直流電脈沖諧波等參數均控制在一定范圍內[3]。

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

1.2 高頻開關通信電源組成及功能

高頻開關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、監控模塊[4]和電池組成，如圖1所示。

（1）交流配電單元。用于實現市電的引入及切換，向整流模塊供給交流電源，向監控模塊上傳交流電壓與電流的采樣輸出，還能夠實現交流備用輸出[5]。

（2）直流配電單元。整流模塊為并聯輸出，通過匯流排接入直流配電單元，并由直流接觸器控制直流輸出。系統有二次下電保護功能，當電池組放電時，會根據預設保護參數分兩次切斷負載，以保護電池組過度放電。

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

（4）監控模塊。用于統一監控交流配電、直流配電、電池組等，是整個開關電源系統的“中樞”，監控各單元模塊的運行狀態，協調各單元模塊的正常運行。

（5）電池組。通常選用體積較小、零污染、電壓平穩以及易于維護[6]的2 V閥控式鉛酸蓄電池，通過串聯構成48 V電池組。

正常工作時，交流配電單元將輸入的三相交流電分配給多個整流模塊[4]，經整流模塊完成交流變換后，為負載提供直流電源。當某路交流電斷電時，由控制電路驅動自動切換到另一路供電；當兩路交流同時斷電時，由電池組供電[7]。監控模塊具有二次下電功能，當電池組電壓下降到一次下電保護脫離值時，直流配電單元切斷非重要負載的供電；當電壓繼續下降至二次下電保護脫離值時，直流接觸器斷開，電池停止向外供電。市電恢復正常后，整流模塊重新投入工作，直流接觸器自動閉合，對電池組進行均衡充電，電池組充滿后自動進入浮充狀態。

2 高頻開關通信電源故障原因調查分析

長輸管道上的輸氣站通常采用10 kV專線供電，并且站場配備有天然氣發電機及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS），從設計角度來講，電力供應是可靠的。但若高頻開關通信電源本體故障，不可避免會引起通信中斷，存在一定的安全隱患。2020年6月，某輸氣站因高頻開關通信電源故障引起掉電，造成通信中斷。統計歷史數據發現，自2019年以來，公司所轄輸氣站發生類似高頻開關通信電源故障共6次，且均不同程度地給長輸管道安全運行造成影響。分析總結故障原因，主要為電池組故障、監控模塊故障兩類。

例如，2020年6月發生的故障，在外電中斷的情況下，巡檢發現高頻開關通信電源監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，對電池組進行2 h放電測試，結果如表1所示。

表1 電池組2 h放電測試記錄

由表1可知，電池組放電120 min后，輸出電壓下降1%。同時，電池組放電10 min和30 min后，測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。查詢監控模塊預設參數，得知一次下電和二次下電保護脫離值分別為46.00 V和43.20 V。當外電中斷時，電池組開始放電，而監控模塊檢測輸出電壓為33.5 V，小于二次下電保護脫離值，直流接觸器斷開，電池組停止向外供電，而使用萬用表測量，電池組實際輸出電壓為50.6 V。可見監控模塊采集數據錯誤，致使電池組供電中斷。

3 高頻開關通信電源改進措施

針對故障頻發的現狀，統計分析了公司所轄輸氣站高頻開關通信電源故障問題，提出改進措施。

3.1 優化監控模塊運行方式

通過市場調研可知，該品牌監控模塊故障率較高，且已經停產，無法單體換新，維修意義不大。綜合考慮電力供應情況及成本因素，同時保證高頻開關通信電源的可靠性，減少因模塊故障引起的通信中斷，拆除監控模塊二次下電保護功能，改進監控模塊運行方式，使直流接觸器保持常閉狀態。當有外電時，電池組為浮充狀態；若外電中斷，電池組放電為負載供電。

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。實現“三回路”供電，即市電優先，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存在時間間隙，其間由電池組繼續供電，從而實現供電“雙保險”。

通過上述改造，只有在市電、UPS全部停電后，電池才會持續放電工作。通常情況下，長輸管道輸氣站外電中斷時，啟用燃氣發電機供電，并且根據電池組放電測試結果，推算其能夠滿足設備不間斷運行要求。同時，控制室溫在25 ℃以內，為蓄電池提供良好的運行環境，降低老化速度，延長蓄電池使用壽命，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 論

2020年下半年起，針對類似故障情況，公司對所轄長輸管道輸氣站場進行了高頻開關通信電源柜改造。改造后未發生過通信電源中斷的事件，說明高頻開關通信電源系統運行可靠。高頻開關通信電源改造實踐取得了良好的效果，不僅響應了公司提質增效的號召，更解決了生產實際問題，為長輸管道通信系統平穩運行夯實了基礎。