关于提升电力通信直流电源系统的扩容安全性研究

2022-12-02冯桂贤纪锦超

通信电源技术 2022年14期

冯桂贤，许立，纪锦超

（1.深圳市中电电力技术股份有限公司，陕西西安 710000；2.西安领充创享新能源科技有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

在夏季用电高峰期，多个城市及地区已出现因负荷过大导致跳闸、故障、限电或火灾等情况，严重影响着居民的日常生活。为了保证电力正常供应，需要对变电站进行扩容改造，电力通信直流电源系统扩容就是其主要内容之一。在扩容工作开展过程中，应用合适的方式提升工作的安全性与稳定性，为电力供应工作整体质量的提升提供有效支持。

1 电力通信直流电源系统扩容原因

电力通信直流电源系统是一种将直流电压提供给电力调度机构的通信电源系统，在当前的社会发展过程中，开展电力通信直流电源系统扩容工作的原因主要包括以下两个方面。一是高频开关整流电容无法在负载供电的基础上为蓄电池组提供均充电流；二是在后备时间内蓄电池组实际工作能力无法满足当前工作的需要，为解决问题更换了容量更大的蓄电池组，会对高频开关整流器的工作状态产生影响，此时为了保证蓄电池组能够继续正常工作，则需确保整流器的总容量不小于扩容后蓄电池组在10 h内充电电流的总量。

在当前高频开关整流器扩容过程中，较为常见的扩容方法有两种。

一种是将新的模块添加到原有预留模块安装位置，如在将380 V/220 V交流电转化为-48 V直流电通信电源系统的过程中，整流器屏柜容量为6×20 A，但实际上仅安装了4块容量为20 A的模块，在后续扩容过程中就可以通过在预留的模块安装处安装两个20 A模块的方式实现整流器的有效扩容。由于这种扩容方法是以高频开关整流器原有系统设计最大容量为基础开展扩容工作，因此一般情况下并不需要进行复核。

另一种是在高频开关整流器已经没有可扩容空间的情况下，如果同一厂家生产的同品牌低容量模块与高容量模块尺寸并无太大差别，那么可以通过更换模块的方式实现整流器的有效扩容。例如，如果整流器屏柜容量为6×20 A，并且已经安装了6个20 A的模块，那么在后续扩容过程中可以用同尺寸的30 A模块代替原有20 A模块，从而实现整流器容量的有效扩充。需要注意的是，在实际扩容过程中即便使用同一厂家、同一品牌的高容量模块替代低容量模块，仍然存在一定的风险点，需要对直流配电输出熔丝与开关的容量、蓄电池输出熔丝的容量与输出导线的线径、交流输入开关与导线、直流输出导线等部分进行复核计算，以切实保证整流器继续正常工作[1]。

2 变电站电力通信直流电源系统应用现状

在变电站的日常供电过程中，直流电源系统能够为信号控制、继电保护等装置提供稳定的直流电。当变电站内出现交流电源事故时，也可以为事故照明、交流电源提供电力支援，保证变电站继续安全运转。但受当前各领域用电量均在不断增长的影响，变电站电力通信直流电源系统正常运转过程中的电池、开关、支路等部分都可能出现问题，进而给变电站供电安全性、稳定性造成一定影响。

2.1 长期高负荷运转

现阶段，变电站电力通信直流电源系统一般由市电电源、备用发电机机组共同组成。以电力通信电源技术要求为基础，在当前变电站运转过程中，为了切实提高通信直流电源的安全性与可靠性，将系统的构成方式设置为“两路市电、一路油机”。对变电站电力通信直流电源系统的实际布置情况进行调查分析后可以发现，当前仍有较多变电站在配置直流电源系统的过程中存在着配置并未遵循规范要求的问题，系统工作时的负荷偏高，长期运转过程中系统工作状态较差影响供电安全性。具体来说，由于在变电站建设初期很少有城市拥有独立建设电网的条件，并且第二路市电引入线路过长、建设成本过高，因此在落实“两路市电、一路油机”模式的过程中，尽管施工人员以设计方案为基础开展了多路直流电源的施工建设工作，但是在后续变电站工作过程中未曾补充油机，导致变电站在不停歇的运转过程中出现了严重的安全隐患。此外，随着电网系统规模的不断扩大，当前人们的用电需求已经远超变电站原有设备油机容量、通信设备负荷，租用、购买电力通信设备的情况不断增加。考虑到上述设备在使用过程中需要依托已经建成的配电系统，原有配电系统负荷率会大幅上涨，并且部分变电站的季节性负荷将会达到甚至超过变压器的额定容量，进而对变电站工作安全性造成严重影响[2]。

2.2 直流电源配电分级开关不匹配

在开展变电站电力通信直流电源系统设计时，受大部分电力通信业务并不能一次完工的影响，电力负荷不断增加，新增负荷将会影响原有直流电源的工作状态。具体来说，当前的电网系统中通信设备的用电负荷相对较高，考虑到在实际应用过程中变电站配电室方面的供电形式呈放射性，但新增的直流电源系统交流电路主要引自各自楼层的配电柜，避免变压器的二次侧与用电设备间的低压配电级数超过4级就成一项极为必要的工作。自楼层的配电柜在为不间断电源、直流电源系统供电时，用电设备的配电级数上涨不可避免，并且级数将会逐渐大于4级，这一情况的出现必然会导致每段用电设备用电分级过高、故障点数量增加。此外，对直流电源系统的工作现状进行调查后可以发现，部分中配电系统上下级开关并不具备选择性动作行为，在这种情况下为了避免因电路故障的出现导致故障电路直接断开，应当依据不同的故障类型、变电站实际情况等信息为低压配电线路配备短路保护或接地保护装置，从而达到保证电路正常供电的目的。

3 电力通信直流电源系统扩容安全性提升策略

3.1 规划直流电源系统各级负荷

为了切实提高变电站电力通信直流电源系统扩容工作的安全性，在切实了解系统新增末端负荷前，可以先合理规划系统内部的各级负荷。具体来说，考虑到系统运行状态与扩容工作的安全性之间存在直接联系，为了切实提升各级负荷规划工作的质量，在规划工作开展前需要切实了解系统与不间断电源的实际运转状况，然后开展系统内油机容量的计算工作。由于系统油机容量在实际应用过程中可能会受到各种因素的影响，因此在核算过程中无法直接通过比较设备负荷、额定功率的方式得到油机容量，而是需要对不间断电源产生的谐波、变电站机房启动电流等信息进行综合考量。一般情况下，变电站电力通信直流系统在运行过程中的运行负荷功率小于55%时能够安全运行，但当前运行负荷功率高于55%，说明设备原有容量无法满足当前系统的工作需求，需要对其进行扩容处理。在此过程中，应当提升系统扩容工作的统一性[3]。

3.2 选择直流电源系统保护开关

现阶段，电力通信直流电源系统保护电器主要包括熔断器与断路器，在实际应用过程中为了切实提升系统扩容工作的安全性，应当以实际功能为基础选择合适的保护电器。保护电器的对比如表1所示。

表1 保护电器的对比

具体来说，在当前的变电站电力通信直流电源系统扩容过程中，可以依据系统的实际工作情况选择合适的保护电器。例如，在系统扩容过程中，如果直流电源的系统电流较大、油机容量较大，那么在选择保护电器时可以选择熔断器；如果系统出现了过载、短路等问题，那么在选择保护电器时可以选择断路器。

在选择末端保护开关的过程中应保证开关同时具备断电功能，即当与系统连接的用电设备无法正常工作时，末端保护开关可以立即使电路处于断路状态下。同时，变电站机房内配备的电平保护开关也是一种末端保护开关，由于在实际应用过程中末端保护开关并不需要具备远程遥控功能，因此在设计系统配电柜时可以选用熔断器作为保护电器[4]。

3.3 合理配置系统直流后备电源

为了切实提高变电站通信直流电源系统扩容工作的安全性，可以在合理减小蓄电池容量的同时配置直流后备电源，提高供电的可靠性。相关规范指出，一类城市的放电时长为0.3～1.0 h，二类城市放电时长为0.5～1.2 h，三类城市的放电时长为1.5～2.5 h，四类城市的放电时长为2～3 h。直流电源系统中，蓄电池组储能设备容量大小与直流负荷、备用时间之间存在着直接的联系。在计算高频开关电源时，可以按照n+1冗余的方式确定负荷规划。此外，在开展扩容工作时还需要明确直流电源系统分散供电的特点，以便选择更加合适的后备时间，放电时间一般控制在1.5 h 以内[5]。

4 变电站通信直流电源系统扩容方案分析

某变电站配置了两台容量均为8×20 A的高频开关整流器，包括双母线直流配电屏、两组500 Ah的阀控铅酸蓄电池组。在变电站通信设备不断增加的背景下，该变电站的用电负荷也在逐年增加。由于现有整流器容量无法满足-48 V用电总负荷与蓄电池组均充电流共205.8 A的要求，因此需要对系统进行扩容或更换。将8个20 A模块更换为30 A模块，整流器的容量将会增至240 A，可以满足系统的实际工作需要[6]。需要注意的是，在扩容过程中还需要通过对整流器直流输出熔丝、整流器交流输出开关进行计算设计的方式切实保证系统的整体运转安全。