電力通信電源直流單元的故障自投切機(jī)制

戴 斌，鐘其原

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽(yáng)供電分公司，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引 言

電力通信網(wǎng)是確保電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)調(diào)度的關(guān)鍵支撐，是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，而其穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)電力通信電源系統(tǒng)的支撐與保障[1]。當(dāng)前變電站內(nèi)的各類(lèi)通信設(shè)備負(fù)載一般采用-48 V 直流供電，該直流供電系統(tǒng)的核心部件是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換與輸出的整流單元和作為后備電源的蓄電池組，整流單元與蓄電池組的故障容錯(cuò)能力決定了直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

1 電力通信電源系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)介紹

1.1 電力通信電源系統(tǒng)及其主要運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

電力通信電源系統(tǒng)主要由交流分配單元、整流單元、直流分配單元及蓄電池組等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。當(dāng)交流輸入和整流單元正常運(yùn)行時(shí)，通信負(fù)載由整流單元的直流輸出供電；當(dāng)整流單元的直流輸出中斷時(shí)，則由蓄電池組對(duì)通信負(fù)載進(jìn)行后備電源續(xù)航供電。

圖1 電力通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整流模塊的數(shù)量和蓄電池組的容量一般取決于通信負(fù)載的用電需求，雖然配置時(shí)會(huì)考慮一定的系統(tǒng)冗余，但在經(jīng)濟(jì)性前提下數(shù)量仍然有限。當(dāng)整流模塊或蓄電池的故障數(shù)量超過(guò)系統(tǒng)冗余數(shù)量，使得直流供電帶載能力達(dá)不到負(fù)載最低用電需求時(shí)，將不同程度地影響整流單元的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致通信電源的系統(tǒng)性崩潰與退出[4-5]。此外，蓄電池組自身通常還設(shè)置有欠壓保護(hù)機(jī)制，蓄電池故障引發(fā)的整組輸出電壓的不斷降低將最終導(dǎo)致蓄電池組的自行解列，進(jìn)而喪失其備用電源功能。

1.2 電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)

電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信電源的主要運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行異常工況的實(shí)時(shí)告警[6]。通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)量通常包括交流輸入三相電壓、直流母線電壓、單個(gè)整流模塊輸出電壓與電流、單節(jié)蓄電池電壓等。電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的框架如圖2 所示。

圖2 電力通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的框架

2 電力通信電源整流模塊的故障自投切機(jī)制

2.1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的整流模塊故障自投切機(jī)制硬件原理如圖3 所示。其中整流模塊自投切裝置將作為原有整流模塊的并聯(lián)單元，其作用是在單個(gè)整流模塊故障且輸出電壓值低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)最低門(mén)限閾值時(shí)投入備用整流模塊，以保障單元的持續(xù)穩(wěn)定輸出。同時(shí)，整流模塊自投切裝置的微控制單元將驅(qū)動(dòng)故障整流模塊并聯(lián)支路的動(dòng)斷型觸點(diǎn)繼電器動(dòng)作，以斷開(kāi)故障整流模塊輸出，避免因單個(gè)模塊故障引發(fā)系統(tǒng)性故障。

圖3 整流模塊故障自投切機(jī)制硬件原理

整流模塊自投切裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由微控制單元、備用整流模塊、動(dòng)合型觸點(diǎn)繼電器及顯示單元等部分組成。其中備用整流模塊與動(dòng)合型觸點(diǎn)繼電器組成串聯(lián)支路，若干個(gè)此串聯(lián)支路再并聯(lián)組成裝置主干電路。微控制單元將在接收到模塊故障異常信號(hào)后驅(qū)動(dòng)備用整流模塊支路的動(dòng)合型觸點(diǎn)繼電器動(dòng)作，從而使該支路的整流模塊由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 整流模塊自投切裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)制作用原理

首先，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生整流模塊故障時(shí)，自投切裝置內(nèi)部備用整流模塊支路的動(dòng)合型觸點(diǎn)繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，即備用整流模塊不投入運(yùn)行。其次，當(dāng)整流模塊發(fā)生故障時(shí)，自投切裝置的微控制單元將接收到電源監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的模塊故障異常信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)裝置內(nèi)部的動(dòng)合型觸點(diǎn)繼電器及裝置外部的動(dòng)斷型觸點(diǎn)繼電器同時(shí)動(dòng)作，在投入備用整流模塊的同時(shí)，切除故障整流模塊。投入的備用整流模塊數(shù)量與切除的故障整流模塊數(shù)量相同。最后，整流模塊的故障信息將在顯示單元上顯示。

3 電力通信電源蓄電池的故障自投切機(jī)制

3.1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的蓄電池故障自投切機(jī)制硬件原理如圖5 所示。蓄電池自投切裝置將作為原有蓄電池組的串聯(lián)單元，在單節(jié)蓄電池故障且致其電壓值低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)最低門(mén)限閾值時(shí)投入備用蓄電池，以保障蓄電池組的持續(xù)穩(wěn)定輸出。同時(shí)，蓄電池自投切裝置的微控制單元將驅(qū)動(dòng)故障蓄電池串聯(lián)的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器動(dòng)作，以斷開(kāi)故障蓄電池，避免因單節(jié)蓄電池故障引發(fā)蓄電池組系統(tǒng)性故障。

圖5 蓄電池故障自投切機(jī)制硬件原理

蓄電池自投切裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6 所示，主要由微控制單元、備用蓄電池、轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器及顯示單元等部分組成。其中備用蓄電池與轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器組成串聯(lián)支路，若干個(gè)此串聯(lián)支路再串聯(lián)組成裝置主干電路。微控制單元將在接收到蓄電池故障異常信號(hào)后驅(qū)動(dòng)備用蓄電池支路的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器動(dòng)作，從而使該支路的蓄電池由備用狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 蓄電池自投切裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 機(jī)制作用原理

首先，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生蓄電池故障時(shí)，自投切裝置內(nèi)部的備用蓄電池支路的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器處于導(dǎo)線連接狀態(tài)，即備用電池不投入運(yùn)行；自投切裝置外部的蓄電池支路的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器則處于電池連接狀態(tài)。其次，當(dāng)蓄電池發(fā)生故障時(shí)，蓄電池自投切裝置的微控制單元將接收到電池監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的電池故障異常信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)自投切裝置內(nèi)部和外部的轉(zhuǎn)換型觸點(diǎn)繼電器同時(shí)動(dòng)作，在投入備用蓄電池的同時(shí)，切除故障的單節(jié)蓄電池。投入的備用蓄電池?cái)?shù)量與切除的故障蓄電池?cái)?shù)量相同。最后，蓄電池的故障信息將在顯示單元上顯示。

4 直流單元故障自投切機(jī)制的成效分析

首先，機(jī)制利用原有通信電源監(jiān)控系統(tǒng)提供的故障告警信號(hào)，在整流單元或蓄電池組單體故障情況下自動(dòng)切除故障整流模塊或蓄電池，同時(shí)投入對(duì)應(yīng)數(shù)量的備用整流模塊或蓄電池，有效保障了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行與電能輸出，有效提升了直流單元應(yīng)對(duì)單體故障的能力，使其基本具備單體故障情況下的自愈功能，進(jìn)而優(yōu)化了通信系統(tǒng)的運(yùn)維保障水平。

其次，機(jī)制及時(shí)切除故障整流模塊或蓄電池，將有效降低其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的不良影響，避免引發(fā)系統(tǒng)性運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。蓄電池自投切機(jī)制可有效縮短故障后蓄電池組的欠壓運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，有利于維護(hù)其使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。故障蓄電池的及時(shí)切除可以避免其過(guò)充發(fā)熱、漏液變形甚至起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

最后，機(jī)制采用整流模塊的冷備用模式代替原有的冗余熱備用模式，可在保障備用需求的前提下有效節(jié)約電能，減少電量消耗，同時(shí)將大幅提升備用整流模塊的使用壽命。

5 結(jié) 論

本文分別設(shè)計(jì)了整流模塊及蓄電池的自投切裝置，提出了電力通信電源直流單元的故障自投切機(jī)制，可有效實(shí)現(xiàn)故障整流模塊和蓄電池的自動(dòng)切除及對(duì)應(yīng)備用單體的自動(dòng)投入，在提升系統(tǒng)應(yīng)對(duì)整流模塊及蓄電池單體故障能力的同時(shí)，降低或避免了故障引發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及不良影響。整流模塊的冷備用模式還使得機(jī)制具有一定的節(jié)能效果。故障自投切機(jī)制利用通信電源原有監(jiān)控系統(tǒng)，在不對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行重大結(jié)構(gòu)調(diào)整和配置升級(jí)的情況下，顯著提升了電力通信電源系統(tǒng)的智能化運(yùn)維水平，進(jìn)而優(yōu)化了電力通信系統(tǒng)的運(yùn)維保障水平，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益與管理效益。