柔性通信电源系统的创新型设计

赵峙钧

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京 211111）

0 引 言

变电站通信电源系统在运行过程中存在信号上传、信号采集和控制指令下发速度缓慢以及系统散热能力差等问题，无法满足110 kV变电站综自系统运行调试需求。为提高变电站综自系统运行稳定性和管理调试水平，需要对通信电源系统进行创新设计，以加强综自系统的调试管理。

1 柔性通信电源系统的创新型设计

1.1 柔性通信电源系统设计方案

柔性通信电源系统除了需要具备监测变电站综自系统运行参数外，还包括对变电站环境的监控。根据变电站综自系统调试需求，设计了柔性通信电源系统，其结构如图1所示。

图1 柔性通信电源系统硬件框架

从图1中可以看出，该系统可以对综自系统变压器传输的交流高低压电流进行实时监测和显示，同时当通信电源系统市电断开时，系统会自动将切换供电方式，利用发电机为通信电源系统供电。对综自系统直流配电情况进行实时监测，并且还具备门限开关告警功能。通信电源系统监控单元可以对综自系统开关整流模块进行停止和启动控制，能够对综自系统机房环境进行实时监测，当温度和湿度超过限值后，通信电源系统会发出警报提醒管理人员对环境温度进行控制。通信电源系统会记录综自系统运行数据，以便于对综自系统的维护管理。通信电源系统配置有标准通信接口，能够与PC机进行通信。

1.2 柔性通信电源系统交流配电单元设计

柔性通信电源系统交流输入模式分为两种，一种为市电输入，另一种为发电机输入。当市电发生故障时，通信电源系统会自动切换交流输入方式，由发电机为系统提供电源。交流配电单元模块如图2所示。

图2 交流配电单元

从图2中可以看出，通信电源系统3项市电R、S、T分别接入L1、L2、L3，此外通信电源系统控制面板上设置有市电过欠压指示功能，当市电可以为通信电源系统提供稳定电源时，控制面板上指示灯为熄灭状态，当市电出现过欠压情况时，指示灯会闪烁以提醒管理及时处理。另外，通信电源系统还配备防雷系统，可以保障系统交流输出的安全性[1]。

（1）交流接入电路：通信电源系统交流电采用空气开关接入方式，空气开关型号为施耐德C65N。

（2）交流输入开关：交直流配电单元主要为通信电源系统各开关整流模块提供交流电源输入需求。

（3）交流辅助输出：交直流配电不仅需要为通信电源系统开关整流模块提供交直流供电需求外，还需要配备其他型号输出接口，以满足其他用电设备的连接。基于该需求，在交流配电电源模块上配置的交流配电排，可以同时满足多个用电设备取电需求。

（4）交流采样电路：该电路主要由整流器件和交流变压器组成，采样电路可以将交流电流、电压转换为通信电源系统可以处理的电信号。

（5）交流监控电路：通信电源系统监控单元包括配电信息微处理器，可以实现信号告警、检测、显示、处理等功能。

1.3 柔性通信电源系统直流配电单元设计

直流配电单元如图3所示。从图3中可以看出，直流配电单元与整流模块相连接，其可以同时接入3组电池；配电单元电池模块采用熔断器和分流器于电池开关和线路相连接；霍尔传感器主要负责检测3组电池电流[2]。

图3 直流配电单元

低电压差分信号（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）为电池电流切断器，在通信电源系统一次或二次下电时，LVDS会切断电源电流，避免电池组过度放电造成损坏，以达到保护电池组的目的。综自系统交流电中断依靠电池维持正常运行时，通信电源系统会自动检测电池组电压，当电池电压值低于系统预设运行电压时，通信电源系统会发送跳脱信号指令，控制LVDS切断直流电源。

1.4 开关整流模块设计

1.4.1 开关整流模块结构

开关整流模块主要由2种电路组成，分别为主电路和控制电路。主电路主要负责交流和直流电源的转换；控制电路负责辅助主电路工作，保证电压电流输出和输入的稳定性。

交流输入滤波器的主要作用是滤除市电电网中的杂波，为工作电路提供稳定纯净的交流电，此外滤波器也可以防止通信电源系统产生尖峰噪声。整流滤波电路主要负责将交流电整流为直流电，然后将直流电提供至下级电路。逆变电路可以将整流后的直流电逆变为高频交流电，进一步提高电源稳压精度。控制电路主要负责采集输出电压，然后与基准电压进行比较，控制逆变器改变基准电压频率或脉宽，进而改变通信电源系统输出电压值，提高通信电源交流输出的稳定性[3]。

1.4.2 开关整流模块原理

开关整流模块原理架构如图4所示。该模块按照功能划分，主要包括交流输入滤波、辅助电源电路、保护和控制电路、桥式整流滤波等组成。该模块功率变换电路、交流输入滤波器、整流输出滤波和桥式整流滤波为主电路，主要负责系统功率变换；比较放大电路、采样电路、脉宽控制电路、基准电源电路、输出和输入隔离电路、电流均流电路、脉冲信号源电路和驱动电路为控制电路，主要用于组成电流环和电压环双环控制电路[4]。此外，开关整流模块还包括风扇故障保护电路、辅助电源电路等，主要用于提高通信电源系统运行稳定性和可靠性。

图4 开关整流模块原理架构

1.5 交直流配电系统配线设计

以电压种类为划分依据，可以将变电站电缆划分为直流电缆和交流电缆，直流电缆和交流电缆均具有为开关整流模块提供稳定电源的功能，而交流电缆还用于通信电源系统设备负荷比较。交流电缆在选择方面主要考虑线缆运行载流量；直流电缆主要考虑电路压降。通常情况下，在设计通信电源系统过程中，首先需要完成通信电源系统配置图，其次再确定直流电缆和交流电缆长度、截面积和种类等。

1.5.1 交流供电回路配线设计

配线设计主要包括开关整流模块输入线、整流交流输入线、发电机输出线设计等，配线线缆一般采用三芯铜质电缆[5]。配线设计过程中需要考虑通信电源系统的安全电流，通常情况下，通信电源系统交流压降为输出电压的2%。当系统允许电压降低时，可以利用以下公式进行计算

式中：Ie为通信电源系统交流电缆额定电流；Se为系统额定容量。

当变电站直流电流最大负荷为347 A时，其额定容量为17.7 kVA，电力电缆额定电流为27 A，电缆线径为

式中：Ji为电流密度；Im为通信电源系统最大负荷电流。

利用以上公式计算得出通信电源系统电力电缆线径为12 mm2。

1.5.2 直流供电回路配线设计

直流供电回路配线设计包括直流母排电缆至直流负载电缆、蓄电池组电缆至直流母排电缆所引出的所有电缆。直流供电回路允许压降计算采用电流矩法，即

式中：ΔU为通信电源系统允许电压降；R为直流电阻；r为电导率；L为导线长度；S为导体截面积；ρ为电阻率；I为负载电流。

另外，在计算直流供电回路允许压降过程中还需要考虑通信电源系统允许电压变化幅度和蓄电池浮充电压[6]。

2 柔性通信电源系统性能测试

2.1 通信电源系统动态特性测试

2.1.1 通信电源系统输入输出性能

图5为通信电源系统输入电压和输出电压波形图。图5中通信电源系统输入电源为50 Hz、220 V交流电，设计系统输出电源为-54 V直流电，而系统实际输出电源为-53 V直流电。

图5 通信电源系统输入电压和输出电压波形

2.1.2 通信电源系统负载效应

图6为通信电源系统负载效应测试波形图。当系统输入电压为系统额定值时，其输出电流变化范围在5%～100%，系统负载调整率未超过整定值的0.5%。实测该通信电源系统负载调整率为-0.04%～0.07%，当系统负载增加时，其输出直流电压变化范围为-0.04%～0.07%，满足5%～100%的变化标准[7]。

图6 通信电源系统负载效应测试波形

2.2 通信电源系统散热性测试

（1）常温温升测试。在温度为26 ℃的环境中调整开关整流模块为满载状态，并运行8 h，然后利用热电偶对通信电源系统电源模块温度进行测试。电源模块最高温度为58 ℃，温升为32 ℃，低于电源模块最大温升35 ℃设计值，符合通信电源系统设计要求。

（2）老化测试。在温度26 ℃环境中将开关整流模块调整为满载状态，并运行12 h。经过测试，系统最高温度为64 ℃。在温度为50 ℃环境中将开关整流模块调整为满载状态，并运行12 h，此时通信电源系统散热器最高温度为85 ℃，开关整流模块可以正常运行[8]。

3 结 论

综上所述，通信电源系统作为变电站综自系统管理和调试的核心，柔性通信电源通信系统的创新型设计不仅解决了变电站综自系统运行管理问题，而且也实现了信号处理技术、计算机技术、通信技术和电力技术在综自系统中的融合应用。本文提出了柔性通信电源系统的创新型设计，并从柔交流配电单元设计、直流配电单元设计、开关整流模块设计和交直流配电系统配线设计4个方面详细研究了通信电源系统设计方案。通过对本文设计的柔性通信电源系统性能进行了测试，无论是系统动态特性还是散热性能方面，均满足通信电源系统设计要求。