变电站电力通信直流电源系统的扩容安全性研究

巩洪峰，吕 莹

（国网山东省电力公司超高压公司，山东 济南 250000）

0 引 言

为确保扩容过程的安全性和可靠性，需要合理规划电源系统的负荷。通过科学分配负荷，可避免系统过载和损耗增加，保障各级开关和设备在额定范围内运行。系统保护开关的选择也是扩容安全性的关键因素。根据新负荷的要求，选择适当的保护开关，能及时切除故障并保护设备的安全，从而确保通信设备的连续供电。

1 通信直流电源系统

1.1 系统简介

通信直流电源系统在变电所中起着至关重要的作用，能够提供持续有效的电力供应。通信直流电源系统采用直流电源技术，通过转换并调整电压、电流等参数，将交流电转化为适合通信设备工作的直流电。通信直流电源系统通常由整流器、滤波器、稳压器、分配开关以及后备电源构成[1]。该系统具有高效率、低噪声、可靠性强以及响应速度快等优点，能够满足通信设备对高质量电源的要求，确保通信系统的稳定运行。随着通信技术的不断发展和应用范围的不断扩大，相关通信企业对电力系统电力供应的需求也在不断增加。

1.2 系统存在的问题

随着电力通信需求的不断增长，相关通信系统对电力供电稳定性和电力供应量的要求逐渐提高。

一方面，随着通信设备数量的不断增加，直流供电系统经常处于高负载运行状态。这种情况下，系统不仅要满足通信设备的正常运行需求，还要应对额外的压力，这会导致一系列问题的出现。当系统的负荷超过设计容量时，设备将运行在过载状态下，这会导致设备性能下降、损耗增加，甚至缩短设备的寿命。这将给通信设备的维护和更换带来巨大的成本和工作量，对于通信系统的可持续性经营构成威胁。此外，通信设备在高温环境下工作可能会引发故障或性能下降，进一步影响直流供电系统的可靠性和安全性。高温还可能导致电缆和连接器的老化和损坏，增加系统故障的风险。

另一方面，当通信系统需要扩容来满足日益增长的通信负荷时，原有的负荷分级配置通常无法满足新的要求。通信设备的增加可能导致系统整体负荷的显著增加，而现有的负荷分级可能无法适应这种变化。这种情况下，配电分级开关可能会面临2 种主要问题：一是配电容量不足，无法提供足够的电力供应来支持新的负荷，导致通信设备无法正常运行；二是配电容量过剩，可能导致电力浪费。同时，如果负荷分级未经适当规划和配置，分级开关可能在工作中变得不稳定，从而引发一系列严重后果。其中，比较显著的问题是过电流和短路。当分级开关无法有效限制电流时，电流会超过其承受范围，不仅会影响设备的正常运行，还会导致设备过热、损坏甚至引发火灾等严重安全问题[2]。

此外，当前也存在后备电源配置不合理的情况。例如，后备电源容量不足、备用电池寿命短等，这些问题可能导致后备电源无法满足系统的需求，影响系统的可靠性和安全性。如果后备电源容量不足，将无法提供足够的电力支持通信设备在电网故障期间的正常运行，整个通信系统就会面临断电风险。同时，电池是后备电源的核心组成部分，它们在主电源故障时提供电力。然而，电池寿命有限，会随着时间的推移而减少。如果备用电池的寿命较短，需要频繁更换或充电，这将增加系统维护的成本和复杂性。如果备用电池没有得到及时维护，它们可能在关键时刻失效，导致通信中断，从而影响通信系统的可用性和可靠性。

2 变电站电力通信直流电源系统的扩容分析

2.1 直流电源系统各级负荷规划

为提升变电所通信网的安全性，在确定各级负荷前需要进行合理规划。因为系统的工作状况直接影响扩容的安全性，所以在制定负荷计划时，要综合考虑系统与不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的实际工作状况和系统内的发动机容量。目前，许多因素都会对油机容量产生影响，因此不能仅通过设备负荷和额定功率的对比得出结论，需要全面考虑不间断电源产生的谐波和变电站机房启动电流等因素[3]。

油机容量W的计算公式为

式中：wa为变电所中的电源通信装置的负荷；wb为变电所中的电池包充电电力；wc为变电所机房的总电力。

进一步细化可得

式中：wt为变电站通信设备负荷总量；xt为谐波产生的冲击系数，取值范围为2.1 ～3.5；wUPS为UPS 负荷大小，kW；x2为启动直流电源系统时电流的冲击系数，取值范围为2.1 ～3.3；wj为变电站机房负荷大小，kW。

一般情况下，在变电站的直流供电系统中，当负载率小于55%时，不会对电网的安全造成威胁；当负载率大于55%时，则要求各装置扩大容量，以适应更高的电力需求。对于变电所直流供电系统的扩建，应提出详细的设计方案，统一规划。在直流电源系统的操作过程中，如果新设备的负载在原有承载能力范围内，可以根据新增设备的负载计算并相应扩大系统的容量。当需要增设新的整流器时，应根据系统切换能力的要求，通过全负荷检查计算来进一步扩大系统的容量。

2.2 系统保护开关选择

在变电所电力通信系统中，采用2 种不同类型的保护装置，即保险丝和断路器。在扩容过程中，需要根据各保护装置的性能选择合适的装置。目前，常用的保护装置是熔断器（保险丝）和断路器。2 种保护装置的优缺点对比如表1 所示。

表1 2 种保护装置的优缺点对比

当系统电流较大或电机容量较大时，可选择保险丝进行保护。在扩大容量时，如果出现过载或短路，可选用终端保护开关进行保护。在选用终端保护开关时，需要保证其具有较好的断电能力。在发生短路时，终端保护开关应能快速切断与该系统相连的通信端口的线路。终端保护开关主要满足以上功能要求，无须过多关注具体型号和规格。

2.3 合理配置直流后备电源

为合理配置直流后备电源、提高电力系统的可靠性，在扩大电力系统容量的过程中，应将改善交流供电的可靠性和直流备用电源的可靠性放在首位。为满足直流电源系统的需求，需要适当调整蓄能器的容量，可通过降低电池的容量或增加直流备用电源的方式实现[4]。

直流电源系统中的蓄能器容量通常与直流负载和备用时间直接相关。根据规定，不同级别的城市可选择不同的放电时间范围。例如，一级城市的放电时间为0.3 ～1.0 h，二级城市为0.5 ～1.2 h，以此类推。在选择放电时长时，需要综合考虑备份时长和区域特点。一般情况下，放电时间越长，备份时长越短。

在直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电力系统中，可以采用“n+1”的冗余度，并结合负载计划进行配置。当整流模块数量为n时，可以根据负载电流与充电电流之和确定整流总容量，从而完成直流备用电源的配置。在重要的变电所，通常采用发电机与发电机相结合的方式实现可靠的交流供电[5]。

3 扩容方案分析

以某电力公司的某变电所为例，分析其运行情况，并将分析结果录入软件。以变电站的参数为基础，构建2 组基础条件相同的通信供电系统，分别使用传统方法和优化后的方法进行对比分析。实验中，将文章设计的方法设置为实验组，传统的方法设置为对照组。通过对两者运行状态统计数据的分析，模拟两者的实际运行效果，将供电容量从最初的10×107kW·h扩大到最后的30×107kW·h，以确定两者实际的故障发生率，并比较扩容后的安全性，实验结果如表2所示。

表2 故障次数对比

由表2 可知，当供电量从10×107kW·h 提升到30×107kW·h 时，实验组共出现6 次故障，而对照组则出现56 次故障。实验证明，文章提出的方法可以有效保障系统的安全性和可靠性[6]。基于实验结果，总结电力系统扩建中需要注意的问题，避免产生新的问题。

为保证变电所的通信安全，确保变电站电力通信的安全可靠，需要实施扩容计划。其中，整流器扩容的关键因素是原厂商能否提供相同规格的可替换整流模块。此外，原厂商需要计算整流器中铜排和导线的截面积，确保在扩容后仍能正常工作。

4 结 论

变电站电力通信直流电源系统的扩容安全性研究具有重要的工程实践价值。在实际应用中，需要根据具体的变电站情况和需求，采取进一步的优化和调整措施。同时，定期维护和监测扩容后的系统，及时发现并解决潜在的问题，从而确保系统的稳定运行。未来可以更加深入地研究变电站电力通信直流电源系统的扩容安全性评估方法和监测模型，针对新型通信设备制定扩容方案，以应对未来电力通信系统的不断发展。