電力通信系統中并聯直流電源技術淺析

國網山東省電力公司菏澤供電公司 楊可林 張 娜 解曉敏 馬 群

電力通信系統的運行需通過串聯蓄電池方式提供電力支持，但傳統串聯方式極大增加了電池運維難度，并增加了蓄電池連接成本，給通信系統穩定運行帶來一定隱患。因此，本文提出采取并聯直流電源技術解決這一問題，通過對蓄電池并聯方式接入電源系統，利用電壓轉換實現在線核容，以滿足通信系統穩定性要求，也能有效減少運維人員工作量，在經濟效益和應用效果上均有明顯提高。

1 某公司并聯直流電源系統配置

一般情況下，電力通信系統電源輸出電壓為48V，其配套蓄電池組包括24節2V，或者4節12V閥控鉛酸蓄電池串聯構成。直流母線采取并聯蓄電池設計，在蓄電池處于浮充狀態下將蓄電池作為備用電池使用。直流電源系統采取串聯設計時，通過對多個蓄電池進行串聯提供系統端電壓。在串聯充放電回路中，蓄電池存在較大差異可能會影響板柵腐蝕，對蓄電池壽命帶來影響。因此，應當確保蓄電池電壓統一，減少蓄電池的使用故障，從而避免對蓄電池壽命帶來影響，保證電源系統的穩定和可靠。蓄電池在充放電一段時間后，可能產生容量、電壓不同步的情況，從而產生過充或放電問題，更需要保證蓄電池電壓均衡。

為了解決串聯設計帶來的問題，某公司積極研發并聯電源設計。直流電源系統經過對直流母線和模塊均采取并聯設計后，并聯模塊以并聯方式和直流母線進行連接，在并聯模塊中包含直流變換器、交流變換器、雙向直流變換器等多種設備。有效提高電源模塊抗沖擊以及抗負載能力，保障了抗沖擊、冷啟動等相關需求的滿足。

并聯直流電源系統并聯電池組件主要包括12V蓄電池、直流/交流充電組件以及輸出變換器等設備，對多個組件進行并聯，形成間接并聯蓄電池組，更符合電力通信系統的實際需要[1]。在電力通信系統中，各種類型部件可以自動核容，完成熱插拔工作，支持在線換電池等工作需要。一般情況下標準軌中安裝組件和蓄電池一一對應，能夠逐一更換蓄電池。

在電源變換模塊中，通過數字信號芯片的控制功能和采集功能，可以完成智能化無間斷切換電源供電，充分滿足電力系統不間斷的功能。在并聯直流電源系統中，提供觸摸屏模塊對系統進行控制，可直接面對母線供電。通過對蓄電池連接方式的創新，能夠利用智能化模塊對蓄電池單體實現精細化管理和控制，并對蓄電池容量監測、溫度補償以及充放電管理均實現精細化管理，有助于運維管理工作的開展，并一定程度上延長了蓄電池使用壽命，降低了通信電源系統的成本。

2 某公司電力通信系統中并聯直流電源技術分析

2.1 直流電源構成

電力通信系統傳統電源系統采取相控電源，目前積極轉變為模塊化高頻開關電源，主要是指直流分配、蓄電池組、整流器等部分。在電源容量較小時，采取220V單相交流電，可以保證電源穩定供電。為了規避雷擊或者過電壓等引起損傷，需要在輸入端安裝避雷器。利用整流器實現交流電向直流電的轉化，運行過程中，整流器性能優劣取決于整流支路電阻以及互感值。整流器需要進行均流測試并進行調整，保證具備良好均流性能。在通信直流電源中選擇高頻開關整流器，其低噪聲、小體積以及高穩定性優勢，更符合發展趨勢[2]。

高頻開關整流器接入220V交流電，同時運行期間可接入380V交流電，并分配整流模塊。同時，能夠保證整流器穩定運行，設計時需要考慮備用容量，采取N+1冗余設計。高頻開關整流器可以劃分為內控和外控兩種類型。內控式整流器作為整流器的中心，采取獨立監控設計，能夠對整流模塊進行協調以及監視，實現數據監測并及時處理警報數據，并提供人機操作界面，保證對電源系統的控制。一旦監控系統遇到故障問題，可以轉換整流器，最大限度上避免對電源系統帶來影響，保證電源系統穩定運行。

2.2 技術架構

并聯直流電源能夠有效解決串聯傳統蓄電池面臨的各類問題，在通信電源中得到應用。蓄電池組包含12V蓄電池、2V蓄電池6只串聯得到。以12V蓄電池為例，并聯電源均安裝12V蓄電池，由220V直流母線和直流熔斷器保持連接，控制器局域網（WAN）可連接直流監控裝置以及通信總線，并配置數字信號處理芯片，對數字信號進行調制、采集以及處理。整流放電電路和隔離二極管采取并聯設計，電壓較放電電壓高出3～5V，作為主用電路，而備用電路為放電電路，共同為電力設備提供電力支持[3]。

基于上述結構，在系統穩定運轉中由放電電路支持220V交流電完成整流，經過直流母線完成供電，結構中均流控制器可滿足電流分配的需要。充電電路通過并聯電源變換模塊蓄電池，能夠通過220V交流電完成充電過程。一旦220V交流電斷電，蓄電池能夠借助于放電電路升壓，獲得電源系統的額定端電壓，不需對電源模式進行切換，方便為電力設備持續提供電力支持，保證并聯直流電源可以為通信系統提供電源容量支持，提高電源系統管理便捷性。

2.3 技術優勢

按照N+X模式配置電源系統，其中N表示所需要的最少電源數，X表示實際需要的最少備用電源數。經過對電池數量的計算，可以發現按照電源系統電源數量1.3倍來設計電源配置，在滿足電源運行需要的同時，能夠減少鉛酸蓄電池數量。隨著電源數量的減少能夠有效節約電源系統配置成本。同時，由于并聯直流電源技術能夠滿足自動化核容，能夠最大限度上減少對于蓄電池組的維護管理工作量。如在傳統電源配置中，需要兩名運維人員花費兩天時間對1組蓄電池進行核容，但采取并聯直流電源技術后，只需要一名運維人員花費一天時間完成核容，可見有效減少了運維管理的工作量。

并聯電源系統將隔離變壓器安裝在交流/直流母線與蓄電池之間，避免蓄電池和母線產生電氣聯系，一定程度上保障了電源系統穩定性以及可靠度。同時，采取并聯冗余結構，避免通信系統受到蓄電池故障的影響發生停運事故，極大降低了系統故障率和停運風險。

2.4 核心技術

蓄電池精細化管理。通過直流監控管理設備能夠對蓄電池進行單獨管理，管理裝置能夠記錄蓄電池內阻、充放電狀態、溫度補償、定時均充管理等參數，管理人員通過管理設備可以調整管理參數，實現對蓄電池的精細化管理。

均流技術。可接受管理軟件控制對負載電流實現有效控制以及分配，具備良好可靠性和可移植性，該技術借助于平均電流法、管理軟件以及直流監控管理裝置完成對負載電流分配，安裝1個監控管理裝置可以實現多個蓄電池的同時管理，且不容易發生振蕩問題。

饋線短路隔離技術。蓄電池組能夠利用升壓電路和直流母線并聯，對交流和直流電源形成了有效隔離，減少串電問題的發生。一旦發生饋線短路故障，電源系統仍然可以保障充足電流，保證饋線保護及時進行保護動作，實現暫時隔離短路饋線。一般情況下，蓄電池電流之和與電源系統輸出電流之和相同，在直流過載以及饋線短路等特殊情況下，能夠平均分配電流。分配過程中蓄電池輸出電流和時間存在反時限特征。在直流過載以及饋線短路等特殊情況中，蓄電池受到局限輸出電流較小，通過對饋線短路進行隔離，能夠保證蓄電池有效續流。通信電源系統在穩定運行狀態中，升壓電路以及充電電路能夠給直流母線提供電壓。若通信系統發生直流過載或者饋線短路的特殊情況時，并聯蓄電池能夠提供工作電壓。若蓄電池電壓超過母線電壓，蓄電池為母線提供大電流，保證母線電壓處于穩定狀態。

自動核容技術。通信電源系統在穩定交流運輸狀態下，直流監控管理裝置可以按照時間間隔對蓄電池提出調整指令，收到指令后經過均流形式退出系統，將內部充電電路關閉。監控管理裝置從充電管理調整為放電管理，蓄電池在滿容量時，根據恒定容量進行放電，至蓄電池電壓終止放電，計算蓄電池的容量，完成自動化核容。借助于自動化核容技術能夠減少運維人員對蓄電池的評估和測試，提高了運維管理效率。

3 應用案例

國家電網某110kV變電站通信電源系統應用并聯直流電源技術進行升級改造，從12V蓄電池升壓至110V電壓，以支持變電站需求：模組通過50只單體電池構成，容量為1500F/30=30F；模組內阻為0.41×50=20.5mΩ；150A放電1s壓降150A/30F+0.03×150=9.5V；最低電壓為115V-9.5V=105.5V。

以12V閥控鉛酸蓄電池為例（見表1），作為目前技術成熟、應用范圍廣的一種蓄電池，該蓄電池容量最大值達到了200Ah。一般情況下通信電源系統對于容量的最大要求達到300～500Ah，甚至在大型變電站中蓄電池容量需要達到1500Ah。如果選擇通過并聯電源模塊將2V蓄電池升壓達到48V，再并聯連接直流母線，雖然可以達到升壓需要，但會增加蓄電池成本以及升級工作量。因此，將上述方案改為，將2V蓄電池劃分為4個串聯小組，每個小組6個蓄電池，即得到12V蓄電池。再通過并聯電源模塊將蓄電池小組升壓為48V。

表1 不同類型蓄電池特點對比

采取這一設計方法，一旦遇到突發斷電事故等特殊情況，并聯電源變換模塊電流在負載電流之上，同時預留冗余容量。因此，每個蓄電池小組所對應的變換模塊可以采取以下公式進行計算：N=kI/4IS，其中N表示蓄電池小組所對應的電源變換模塊的數量（取整數），個；k表示冗余系數，取1.2；I表示變電站通信系統發生斷電后的負載電流，A；Is表示單個電源模塊額定電流，A。

在本文設計方案中，變電站通信電源系統具備4組500Ah的閥控鉛酸蓄電池，系統斷電后負載電流50A，能夠計算并聯電源變換模塊為兩個。按照要求對變電站電源變換模塊參數進行設計，實現對蓄電池的均勻充電，對總負載電流平均分配。具體應用時，拆除原本的直流電源系統，關閉空氣開關，有助于簡化直流系統。雖然轉換過程較快，但直流電壓瞬時變換很容易引起電源插件故障，或出現保護裝置誤動作等問題。

為了降低上述故障的風險，需要提前將保護出口壓板退出，在轉換直流電源系統后更換壓板。另外，在新直流電源系統調試后重復這一過程，將直流電源拆除。閉合空氣開關后將直流電源整合至系統中，將直流電源拆除，安裝全新的直流屏并完成調試。在保證正常直流供電基礎上對電源系統進行升級改造，避免影響系統正常運行。期間，運維人員可通過App程序對電源系統運行狀態展開全天候遠程監護，能夠實時掌握電源系統運行狀態。在App上可呈現出蓄電池電壓、環境溫度等具體參數，將電池運行參數等數據記錄在文件中，當蓄電池發生故障后，運維人員能夠通過查看日歷數據了解蓄電池故障類型，展開針對性維修處理，保證電源系統的穩定運行。

綜上所述，在通信電源系統中應用并聯直流電源技術能夠有效減少蓄電池使用數量，減輕運維人員工作量，保證電源系統的穩定安全運行，預防斷電事故發生，已經成為通信電源系統中主流連接方式。在該項技術中，通過均流技術、自動化核容技術以及饋線短路隔離技術等技術支持，將蓄電池分組并聯，通過放電電路完成整流，可以對電力設備提供穩定電力支持，分配輸電電流。