电力通信系统中并联直流电源技术浅析

国网山东省电力公司菏泽供电公司 杨可林 张 娜 解晓敏 马 群

电力通信系统的运行需通过串联蓄电池方式提供电力支持，但传统串联方式极大增加了电池运维难度，并增加了蓄电池连接成本，给通信系统稳定运行带来一定隐患。因此，本文提出采取并联直流电源技术解决这一问题，通过对蓄电池并联方式接入电源系统，利用电压转换实现在线核容，以满足通信系统稳定性要求，也能有效减少运维人员工作量，在经济效益和应用效果上均有明显提高。

1 某公司并联直流电源系统配置

一般情况下，电力通信系统电源输出电压为48V，其配套蓄电池组包括24节2V，或者4节12V阀控铅酸蓄电池串联构成。直流母线采取并联蓄电池设计，在蓄电池处于浮充状态下将蓄电池作为备用电池使用。直流电源系统采取串联设计时，通过对多个蓄电池进行串联提供系统端电压。在串联充放电回路中，蓄电池存在较大差异可能会影响板栅腐蚀，对蓄电池寿命带来影响。因此，应当确保蓄电池电压统一，减少蓄电池的使用故障，从而避免对蓄电池寿命带来影响，保证电源系统的稳定和可靠。蓄电池在充放电一段时间后，可能产生容量、电压不同步的情况，从而产生过充或放电问题，更需要保证蓄电池电压均衡。

为了解决串联设计带来的问题，某公司积极研发并联电源设计。直流电源系统经过对直流母线和模块均采取并联设计后，并联模块以并联方式和直流母线进行连接，在并联模块中包含直流变换器、交流变换器、双向直流变换器等多种设备。有效提高电源模块抗冲击以及抗负载能力，保障了抗冲击、冷启动等相关需求的满足。

并联直流电源系统并联电池组件主要包括12V蓄电池、直流/交流充电组件以及输出变换器等设备，对多个组件进行并联，形成间接并联蓄电池组，更符合电力通信系统的实际需要[1]。在电力通信系统中，各种类型部件可以自动核容，完成热插拔工作，支持在线换电池等工作需要。一般情况下标准轨中安装组件和蓄电池一一对应，能够逐一更换蓄电池。

在电源变换模块中，通过数字信号芯片的控制功能和采集功能，可以完成智能化无间断切换电源供电，充分满足电力系统不间断的功能。在并联直流电源系统中，提供触摸屏模块对系统进行控制，可直接面对母线供电。通过对蓄电池连接方式的创新，能够利用智能化模块对蓄电池单体实现精细化管理和控制，并对蓄电池容量监测、温度补偿以及充放电管理均实现精细化管理，有助于运维管理工作的开展，并一定程度上延长了蓄电池使用寿命，降低了通信电源系统的成本。

2 某公司电力通信系统中并联直流电源技术分析

2.1 直流电源构成

电力通信系统传统电源系统采取相控电源，目前积极转变为模块化高频开关电源，主要是指直流分配、蓄电池组、整流器等部分。在电源容量较小时，采取220V单相交流电，可以保证电源稳定供电。为了规避雷击或者过电压等引起损伤，需要在输入端安装避雷器。利用整流器实现交流电向直流电的转化，运行过程中，整流器性能优劣取决于整流支路电阻以及互感值。整流器需要进行均流测试并进行调整，保证具备良好均流性能。在通信直流电源中选择高频开关整流器，其低噪声、小体积以及高稳定性优势，更符合发展趋势[2]。

高频开关整流器接入220V交流电，同时运行期间可接入380V交流电，并分配整流模块。同时，能够保证整流器稳定运行，设计时需要考虑备用容量，采取N+1冗余设计。高频开关整流器可以划分为内控和外控两种类型。内控式整流器作为整流器的中心，采取独立监控设计，能够对整流模块进行协调以及监视，实现数据监测并及时处理警报数据，并提供人机操作界面，保证对电源系统的控制。一旦监控系统遇到故障问题，可以转换整流器，最大限度上避免对电源系统带来影响，保证电源系统稳定运行。

2.2 技术架构

并联直流电源能够有效解决串联传统蓄电池面临的各类问题，在通信电源中得到应用。蓄电池组包含12V蓄电池、2V蓄电池6只串联得到。以12V蓄电池为例，并联电源均安装12V蓄电池，由220V直流母线和直流熔断器保持连接，控制器局域网（WAN）可连接直流监控装置以及通信总线，并配置数字信号处理芯片，对数字信号进行调制、采集以及处理。整流放电电路和隔离二极管采取并联设计，电压较放电电压高出3～5V，作为主用电路，而备用电路为放电电路，共同为电力设备提供电力支持[3]。

基于上述结构，在系统稳定运转中由放电电路支持220V交流电完成整流，经过直流母线完成供电，结构中均流控制器可满足电流分配的需要。充电电路通过并联电源变换模块蓄电池，能够通过220V交流电完成充电过程。一旦220V交流电断电，蓄电池能够借助于放电电路升压，获得电源系统的额定端电压，不需对电源模式进行切换，方便为电力设备持续提供电力支持，保证并联直流电源可以为通信系统提供电源容量支持，提高电源系统管理便捷性。

2.3 技术优势

按照N+X模式配置电源系统，其中N表示所需要的最少电源数，X表示实际需要的最少备用电源数。经过对电池数量的计算，可以发现按照电源系统电源数量1.3倍来设计电源配置，在满足电源运行需要的同时，能够减少铅酸蓄电池数量。随着电源数量的减少能够有效节约电源系统配置成本。同时，由于并联直流电源技术能够满足自动化核容，能够最大限度上减少对于蓄电池组的维护管理工作量。如在传统电源配置中，需要两名运维人员花费两天时间对1组蓄电池进行核容，但采取并联直流电源技术后，只需要一名运维人员花费一天时间完成核容，可见有效减少了运维管理的工作量。

并联电源系统将隔离变压器安装在交流/直流母线与蓄电池之间，避免蓄电池和母线产生电气联系，一定程度上保障了电源系统稳定性以及可靠度。同时，采取并联冗余结构，避免通信系统受到蓄电池故障的影响发生停运事故，极大降低了系统故障率和停运风险。

2.4 核心技术

蓄电池精细化管理。通过直流监控管理设备能够对蓄电池进行单独管理，管理装置能够记录蓄电池内阻、充放电状态、温度补偿、定时均充管理等参数，管理人员通过管理设备可以调整管理参数，实现对蓄电池的精细化管理。

均流技术。可接受管理软件控制对负载电流实现有效控制以及分配，具备良好可靠性和可移植性，该技术借助于平均电流法、管理软件以及直流监控管理装置完成对负载电流分配，安装1个监控管理装置可以实现多个蓄电池的同时管理，且不容易发生振荡问题。

馈线短路隔离技术。蓄电池组能够利用升压电路和直流母线并联，对交流和直流电源形成了有效隔离，减少串电问题的发生。一旦发生馈线短路故障，电源系统仍然可以保障充足电流，保证馈线保护及时进行保护动作，实现暂时隔离短路馈线。一般情况下，蓄电池电流之和与电源系统输出电流之和相同，在直流过载以及馈线短路等特殊情况下，能够平均分配电流。分配过程中蓄电池输出电流和时间存在反时限特征。在直流过载以及馈线短路等特殊情况中，蓄电池受到局限输出电流较小，通过对馈线短路进行隔离，能够保证蓄电池有效续流。通信电源系统在稳定运行状态中，升压电路以及充电电路能够给直流母线提供电压。若通信系统发生直流过载或者馈线短路的特殊情况时，并联蓄电池能够提供工作电压。若蓄电池电压超过母线电压，蓄电池为母线提供大电流，保证母线电压处于稳定状态。

自动核容技术。通信电源系统在稳定交流运输状态下，直流监控管理装置可以按照时间间隔对蓄电池提出调整指令，收到指令后经过均流形式退出系统，将内部充电电路关闭。监控管理装置从充电管理调整为放电管理，蓄电池在满容量时，根据恒定容量进行放电，至蓄电池电压终止放电，计算蓄电池的容量，完成自动化核容。借助于自动化核容技术能够减少运维人员对蓄电池的评估和测试，提高了运维管理效率。

3 应用案例

国家电网某110kV变电站通信电源系统应用并联直流电源技术进行升级改造，从12V蓄电池升压至110V电压，以支持变电站需求：模组通过50只单体电池构成，容量为1500F/30=30F；模组内阻为0.41×50=20.5mΩ；150A放电1s压降150A/30F+0.03×150=9.5V；最低电压为115V-9.5V=105.5V。

以12V阀控铅酸蓄电池为例（见表1），作为目前技术成熟、应用范围广的一种蓄电池，该蓄电池容量最大值达到了200Ah。一般情况下通信电源系统对于容量的最大要求达到300～500Ah，甚至在大型变电站中蓄电池容量需要达到1500Ah。如果选择通过并联电源模块将2V蓄电池升压达到48V，再并联连接直流母线，虽然可以达到升压需要，但会增加蓄电池成本以及升级工作量。因此，将上述方案改为，将2V蓄电池划分为4个串联小组，每个小组6个蓄电池，即得到12V蓄电池。再通过并联电源模块将蓄电池小组升压为48V。

表1 不同类型蓄电池特点对比

采取这一设计方法，一旦遇到突发断电事故等特殊情况，并联电源变换模块电流在负载电流之上，同时预留冗余容量。因此，每个蓄电池小组所对应的变换模块可以采取以下公式进行计算：N=kI/4IS，其中N表示蓄电池小组所对应的电源变换模块的数量（取整数），个；k表示冗余系数，取1.2；I表示变电站通信系统发生断电后的负载电流，A；Is表示单个电源模块额定电流，A。

在本文设计方案中，变电站通信电源系统具备4组500Ah的阀控铅酸蓄电池，系统断电后负载电流50A，能够计算并联电源变换模块为两个。按照要求对变电站电源变换模块参数进行设计，实现对蓄电池的均匀充电，对总负载电流平均分配。具体应用时，拆除原本的直流电源系统，关闭空气开关，有助于简化直流系统。虽然转换过程较快，但直流电压瞬时变换很容易引起电源插件故障，或出现保护装置误动作等问题。

为了降低上述故障的风险，需要提前将保护出口压板退出，在转换直流电源系统后更换压板。另外，在新直流电源系统调试后重复这一过程，将直流电源拆除。闭合空气开关后将直流电源整合至系统中，将直流电源拆除，安装全新的直流屏并完成调试。在保证正常直流供电基础上对电源系统进行升级改造，避免影响系统正常运行。期间，运维人员可通过App程序对电源系统运行状态展开全天候远程监护，能够实时掌握电源系统运行状态。在App上可呈现出蓄电池电压、环境温度等具体参数，将电池运行参数等数据记录在文件中，当蓄电池发生故障后，运维人员能够通过查看日历数据了解蓄电池故障类型，展开针对性维修处理，保证电源系统的稳定运行。

综上所述，在通信电源系统中应用并联直流电源技术能够有效减少蓄电池使用数量，减轻运维人员工作量，保证电源系统的稳定安全运行，预防断电事故发生，已经成为通信电源系统中主流连接方式。在该项技术中，通过均流技术、自动化核容技术以及馈线短路隔离技术等技术支持，将蓄电池分组并联，通过放电电路完成整流，可以对电力设备提供稳定电力支持，分配输电电流。