電力通信電源新技術及應用研究

周澤昊

（國網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)作為現代社會中不可或缺的基礎設施，對于信息傳輸和通信起著至關重要的作用。然而，傳統(tǒng)的電力通信電源技術存在一些限制，如能源消耗、環(huán)境影響以及經濟效益等方面的挑戰(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和方法。文章旨在研究電力通信電源的新技術及其應用，探討了可再生能源利用、能量收集與管理技術、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)的應用[1-2]。通過案例研究和性能比較分析，文章評估了電力通信電源新技術的影響和優(yōu)勢，并探討了當前技術面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，為電力通信電源領域的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據和實踐指導[3]。

1 電力通信電源概述

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

現如今，傳統(tǒng)電源技術的局限性日益顯現，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)境保護意識提高的背景下，這一問題更加突出。另外，傳統(tǒng)電源存在可靠性和維護問題，如電池壽命有限需要定期更換、發(fā)電機等設備需要經常性維護和檢修，增添了系統(tǒng)維護成本和工作負擔[4]。

新型電力通信電源技術正在不斷創(chuàng)新，如高效節(jié)能的開關電源、可再生能源應用、蓄電池技術的改進等，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)也得到了廣泛應用，通過對電源的監(jiān)測和控制，實現對電力通信系統(tǒng)的優(yōu)化管理。

2 電力通信電源新技術的應用案例介紹

2.1 新能源在電力通信中的應用

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注。利用太陽能、風能等可再生能源為電力通信系統(tǒng)供電，是一種環(huán)保且經濟的解決方案。有一些現代電源設備已經可以將智能電網與可再生能源技術相結合，將智能電網用作能源管理和優(yōu)化系統(tǒng)的一部分，提高了系統(tǒng)的總體效率。

在偏遠地區(qū)，由于電力供應不穩(wěn)定，電力通信系統(tǒng)經常會遭受電源中斷的問題，對此可采用太陽能電源解決方案。通過安裝光伏面板和相關的能源管理設備，使得地方電力通信系統(tǒng)能取得穩(wěn)定的電源供應，極大地增強了該地區(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的應用

能量收集與電能管理技術是指通過對各類電能進行高效利用和管理，以滿足電力通信系統(tǒng)的電源需求。該技術將通過高效轉換器或充電器，對收集到的電能進行有效轉換和儲存，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)能夠實時監(jiān)測和控制電能的使用，以確保在滿足通信系統(tǒng)需求的同時，達到最佳的電能利用效率。例如，當電力供應充足時，系統(tǒng)可以將多余的電能存儲起來；而在電力供應不足時，系統(tǒng)則可以取出存儲的電能以供使用[5]。此外，能量收集與電能管理技術還能改善傳統(tǒng)電源的一些問題，如減少能源浪費、延長設備壽命、降低維護成本等。

2.3 UPS系統(tǒng)技術的應用

在電力通信系統(tǒng)中，UPS起著至關重要的作用，為電力通信系統(tǒng)內的設備提供穩(wěn)定且連續(xù)不斷的電力。UPS通過運用在線雙轉換技術和電池管理技術，能夠在主電源出現故障或波動時立即切換到備用電源，保證通信系統(tǒng)的連續(xù)運行。

此外，UPS還利用了并行冗余技術，讓多臺UPS系統(tǒng)并聯(lián)運行，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)定運行。同時，借助智能監(jiān)控管理技術，用戶可以實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現并處理可能出現的任何問題。UPS技術通過集合多項先進技術，有效提供了持續(xù)且可靠的電力供應，保障了電力通信系統(tǒng)的正常運行[6]。

3 基于UPS的電力通信新技術應用

電力通信屬于應急通信工程的重要組成部分，UPS必須具有高可用性，確保其能夠為電力通信設備提供電力，滿足性能要求。文章建立了一個衡量電力通信UPS可用性的評估模型，該模型是衡量電力通信系統(tǒng)的可靠性和可維護性的綜合指標，最后對該模型在某市政電力通信應急平臺上進行測試實驗。

3.1 電力通信UPS系統(tǒng)設計

電力通信UPS系統(tǒng)如圖1所示。當市政電力中斷時，由發(fā)電機組代替市政電力，維持電力通信系統(tǒng)正常運行工作。如果市政電力和發(fā)電機組都出現故障，則由電池組直接向電力通信設備供電。此外，UPS系統(tǒng)中所有的工作過程都由計算機監(jiān)控中心進行監(jiān)控和管理。整個系統(tǒng)之間的關系如下：市政電力、發(fā)電機組、切換開關組成主要電源系統(tǒng)，與整流設備串聯(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

為了簡化計算，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)正常運行期間，每個子系統(tǒng)都由一組專職人員進行維護。此外，假定子系統(tǒng)出現故障、需要維護以及由其他因素導致的時間浪費是互相獨立的。

為了進一步簡化模型，假設子系統(tǒng)的故障和維護狀態(tài)符合指數分布，在任何給定的時間點，子系統(tǒng)出現故障或需要維護的概率是恒定的，與過去的情況無關。同時，切換開關的工作過程是瞬時完成的，不會消耗額外的時間。

基于以上假設，對電力通信UPS系統(tǒng)內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)數目。根據可用性的計算步驟，可以得出其可靠性和可維護性均服從指數分布的情況下，系統(tǒng)可用性表示為

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

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

因此，通信UPS系統(tǒng)的可用性評估模型A1～3為

3.3 模型驗證與應用

為了驗證該模型的適用性和真實性，對一個試驗性質的市政電力通信UPS系統(tǒng)進行了統(tǒng)計分析與應用。通過運用狀態(tài)空間法來分析系統(tǒng)性能，以反映對象的實際情況。使用MATLAB工具箱函數直接進行計算，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)的各個組成單元，并收集了每個單元的故障和維護數據。步驟2：利用MATLAB工具箱對各單元的可靠性和維修密度函數進行仿真，并在一定的置信區(qū)間內估計參數。步驟3：將仿真得到的參數代入測試的電力通信不間斷供電系統(tǒng)的可用性模型，計算出系統(tǒng)的可用性。步驟4：基于系統(tǒng)的可用性，對整個系統(tǒng)進行了分析和評估，從而對模型進行修改。步驟5：重復步驟1～4，并將其應用于實際應用。

根據模型假設，這些設備的可靠性和維修程度呈指數分布，測試項目數據如表1所示。根據表1中的數據，計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。與實際工作中的長期供電情況相吻合，驗證了模型的適用性。

表1 用于實驗測試的電力通信UPS系統(tǒng)組件故障數據

4 電力通信電源技術的未來發(fā)展

隨著科技的進步和數字化轉型的持續(xù)推進，電力通信電源技術也將朝著更先進、更自動化以及更環(huán)保的方向發(fā)展。第一，更高效率的能源轉換和管理。隨著功率電子技術的成熟，通過新型半導體材料和拓撲結構，可以實現更高效的能源轉換和管理。第二，更智能的能源管理。隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）和大數據的發(fā)展，電源管理將趨于智能化，能基于數據分析自動優(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的發(fā)展，未來電力通信電源可能會更多地采用混合能源系統(tǒng)，集成太陽能、風能等多種能源，以提高能源供應的穩(wěn)定性和可靠性。第四，更持久的儲能技術。儲能技術將持續(xù)發(fā)展，未來可能會有更高容量、更低自放電率以及更長壽命的電池技術出現，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)保意識的提高，電力通信電源技術將更加注重環(huán)保和可持續(xù)性，例如提高設備的能效、降低碳排放、采用可循環(huán)利用的材料等。

5 結 論

電力通信電源技術隨著時間的推移已經發(fā)展和進步到了一個新的階段。文章主要討論其新的技術，如可再生能源的利用、能量收集和電源管理技術。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)的應用驗證，構建UPS的有效可用性模型，并通過故障數據驗證了UPS設計的有效性。在未來，這些創(chuàng)新技術將進一步推動電力通信電源領域的發(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。