电力通信电源直流单元的故障自投切机制

戴 斌，钟其原

（国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司，湖南 衡阳 421001）

0 引 言

电力通信网是确保电网安全与经济调度的关键支撑，是电网实现调度自动化和管理现代化的基础，而其稳定运行离不开电力通信电源系统的支撑与保障[1]。当前变电站内的各类通信设备负载一般采用-48 V 直流供电，该直流供电系统的核心部件是实现电能转换与输出的整流单元和作为后备电源的蓄电池组，整流单元与蓄电池组的故障容错能力决定了直流供电系统的稳定性和可靠性[2]。

1 电力通信电源系统及其监控系统介绍

1.1 电力通信电源系统及其主要运行风险

电力通信电源系统主要由交流分配单元、整流单元、直流分配单元及蓄电池组等部分组成，其结构如图1 所示[3]。当交流输入和整流单元正常运行时，通信负载由整流单元的直流输出供电；当整流单元的直流输出中断时，则由蓄电池组对通信负载进行后备电源续航供电。

图1 电力通信电源系统结构

整流模块的数量和蓄电池组的容量一般取决于通信负载的用电需求，虽然配置时会考虑一定的系统冗余，但在经济性前提下数量仍然有限。当整流模块或蓄电池的故障数量超过系统冗余数量，使得直流供电带载能力达不到负载最低用电需求时，将不同程度地影响整流单元的正常运行，严重时甚至导致通信电源的系统性崩溃与退出[4-5]。此外，蓄电池组自身通常还设置有欠压保护机制，蓄电池故障引发的整组输出电压的不断降低将最终导致蓄电池组的自行解列，进而丧失其备用电源功能。

1.2 电力通信电源监控系统

电力通信电源监控系统通过实时监测通信电源的主要运行参数，实现运行异常工况的实时告警[6]。通信电源监控系统的监测量通常包括交流输入三相电压、直流母线电压、单个整流模块输出电压与电流、单节蓄电池电压等。电力通信电源监控系统的框架如图2 所示。

图2 电力通信电源监控系统的框架

2 电力通信电源整流模块的故障自投切机制

2.1 设计思路

本文设计的整流模块故障自投切机制硬件原理如图3 所示。其中整流模块自投切装置将作为原有整流模块的并联单元，其作用是在单个整流模块故障且输出电压值低于系统预设最低门限阈值时投入备用整流模块，以保障单元的持续稳定输出。同时，整流模块自投切装置的微控制单元将驱动故障整流模块并联支路的动断型触点继电器动作，以断开故障整流模块输出，避免因单个模块故障引发系统性故障。

图3 整流模块故障自投切机制硬件原理

整流模块自投切装置的内部结构如图4 所示，主要由微控制单元、备用整流模块、动合型触点继电器及显示单元等部分组成。其中备用整流模块与动合型触点继电器组成串联支路，若干个此串联支路再并联组成装置主干电路。微控制单元将在接收到模块故障异常信号后驱动备用整流模块支路的动合型触点继电器动作，从而使该支路的整流模块由备用状态转为运行状态。

图4 整流模块自投切装置内部结构

2.2 机制作用原理

首先，当系统未发生整流模块故障时，自投切装置内部备用整流模块支路的动合型触点继电器处于断开状态，即备用整流模块不投入运行。其次，当整流模块发生故障时，自投切装置的微控制单元将接收到电源监控系统发出的模块故障异常信号，进而触发装置内部的动合型触点继电器及装置外部的动断型触点继电器同时动作，在投入备用整流模块的同时，切除故障整流模块。投入的备用整流模块数量与切除的故障整流模块数量相同。最后，整流模块的故障信息将在显示单元上显示。

3 电力通信电源蓄电池的故障自投切机制

3.1 设计思路

本文设计的蓄电池故障自投切机制硬件原理如图5 所示。蓄电池自投切装置将作为原有蓄电池组的串联单元，在单节蓄电池故障且致其电压值低于系统预设最低门限阈值时投入备用蓄电池，以保障蓄电池组的持续稳定输出。同时，蓄电池自投切装置的微控制单元将驱动故障蓄电池串联的转换型触点继电器动作，以断开故障蓄电池，避免因单节蓄电池故障引发蓄电池组系统性故障。

图5 蓄电池故障自投切机制硬件原理

蓄电池自投切装置的内部结构如图6 所示，主要由微控制单元、备用蓄电池、转换型触点继电器及显示单元等部分组成。其中备用蓄电池与转换型触点继电器组成串联支路，若干个此串联支路再串联组成装置主干电路。微控制单元将在接收到蓄电池故障异常信号后驱动备用蓄电池支路的转换型触点继电器动作，从而使该支路的蓄电池由备用状态转为运行状态。

图6 蓄电池自投切装置内部结构

3.2 机制作用原理

首先，当系统未发生蓄电池故障时，自投切装置内部的备用蓄电池支路的转换型触点继电器处于导线连接状态，即备用电池不投入运行；自投切装置外部的蓄电池支路的转换型触点继电器则处于电池连接状态。其次，当蓄电池发生故障时，蓄电池自投切装置的微控制单元将接收到电池监控系统发出的电池故障异常信号，进而触发自投切装置内部和外部的转换型触点继电器同时动作，在投入备用蓄电池的同时，切除故障的单节蓄电池。投入的备用蓄电池数量与切除的故障蓄电池数量相同。最后，蓄电池的故障信息将在显示单元上显示。

4 直流单元故障自投切机制的成效分析

首先，机制利用原有通信电源监控系统提供的故障告警信号，在整流单元或蓄电池组单体故障情况下自动切除故障整流模块或蓄电池，同时投入对应数量的备用整流模块或蓄电池，有效保障了系统的持续稳定运行与电能输出，有效提升了直流单元应对单体故障的能力，使其基本具备单体故障情况下的自愈功能，进而优化了通信系统的运维保障水平。

其次，机制及时切除故障整流模块或蓄电池，将有效降低其对系统运行的不良影响，避免引发系统性运行风险。蓄电池自投切机制可有效缩短故障后蓄电池组的欠压运行时长，有利于维护其使用性能，延长其使用寿命。故障蓄电池的及时切除可以避免其过充发热、漏液变形甚至起火爆炸的风险。

最后，机制采用整流模块的冷备用模式代替原有的冗余热备用模式，可在保障备用需求的前提下有效节约电能，减少电量消耗，同时将大幅提升备用整流模块的使用寿命。

5 结 论

本文分别设计了整流模块及蓄电池的自投切装置，提出了电力通信电源直流单元的故障自投切机制，可有效实现故障整流模块和蓄电池的自动切除及对应备用单体的自动投入，在提升系统应对整流模块及蓄电池单体故障能力的同时，降低或避免了故障引发的系统运行风险及不良影响。整流模块的冷备用模式还使得机制具有一定的节能效果。故障自投切机制利用通信电源原有监控系统，在不对原有系统进行重大结构调整和配置升级的情况下，显著提升了电力通信电源系统的智能化运维水平，进而优化了电力通信系统的运维保障水平，具备较好的经济效益与管理效益。