电力通信电源供电方式设计探讨
2010-02-01赵荣峥孟宝坤李志斌
赵荣峥,孟宝坤,李志斌
1.华北电力大学,河北保定 071003
2.天津市电力公司东丽供电分公司,天津 300010
3.天津电力设计院,天津 300200
4.天津市电力公司,天津 300010
0 引言
电力系统通信为电力系统技术提供了强有力的技术和功能支持,特别是对即将建设的智能电网来说,电力通信更是离不开的支撑和载体。而通信电源系统则是电力系统通信正常运行的能量支持,离开电源,一切高科技设备和装置都将失去功用。虽然通信电源系统投资在整个电力系统中或者说在电力系统通信行业中所占的比例非常小,但它是整个电力通信网络的关键基础设施,是通信网络上一个完整而又不可替代的独立专业。对于电源产品来说也是最基础的,产品技术的发展和变化速度也不同于其它通信产品,电源产品的种类繁多,包括高频开关电源设备,半导体整流设备,直流-直流模块电源,直流-直流变换设备,逆变电源设备,交、直流配电设备,交流稳压器,交流不间断电源(UPS),铅酸(胶体)蓄电池,发电机组,电源监控系统等。
1 电力主网通信电源现状
在电力通信网建设过程中,通过不断积累经验,改进设计,对于主网通信电源的设计、建设逐渐形成了一套比较统一的方案,即220kV变电站的配套通信电源采用双套通信电源配置,为便于运行、维护管理,两套通信电源分4个通信机柜安装:1面交流配电屏、2面高频开关电源柜(采用不同生产商产品)、1面直流配电屏(分2个分配母排)。每面开关电源屏各配置2组300AH铅酸免维护蓄电池(单体2V),2套电源共4组蓄电池,蓄电池单独组屏(或架式)安装在专用通信蓄电池室。示意图如图1所示:
图1 新建220kV站通信电源结构示意图
其中交流配电屏输入为两路来自不同站用电盘的380V,在交流屏配置一定数量的开关数量,分别为开关电源屏和部分其他交流用电设备提供交流电源。开关电源屏的交流输入直接从交流配电屏引入,但为来自不同站用电盘交流电源,进入开关电源屏后,2路输入进行自互投,为整流模快提供可靠的交流输入。目前无特殊用电需求时,整流容量一般配置6x30A模块,具体原理示意图如图2 所示。2面高频开关电源屏分别为直流配电屏的2个母排提供直流电源,2个直流分配母排采用大容量手动开关连接,平时断开,系统故障时可结合负荷情况闭合。
图2 高频开关电源原理示意图
2 电力二级通信网通信电源现状
近年来,在二级通信网建设过程中,也积累了一定的设计经验,经过每年不定期的改进设计,针对110kV、35kV变电站通信设备种类较少,数量相对较少,需要的容量也不是很大的二级网通信特点,按照电力公司的规划设计原则,一般配置1套通信电源系统。
电源系统和蓄电池安装在一面屏中,并将通信电源屏与通信其他设备并排安装在主控室,蓄电池不再单独安装于专用蓄电池室对于110kV和35kV站,高频开关电源容量均按3x30A考虑,但110kV站配置2组100AH铅酸阀控免维护蓄电池(单体12V),而35kV站仅配置1组100AH蓄电池(单体12V)。
二级网通信设备相对简单、数量不多、功耗也不大,对可靠性要求也不是特别的高,因此从节约投资的角度来说,1套通信电源已经能够满足需要。并且目前各运行单位均安装了通信电源在线监测告警系统,能够及时通知运维人员进行故障排除,减少因通信电源故障导致的通信电路停运,从而造成电力生产事故。
3 通信电源设计方案讨论
3.1 通信电源设计原则
1)安全可靠性。通信设备对电源的基本要求就是提供不中断而且稳定的电源,因而在设计中首先就应考虑供电的可靠性和供电的稳定性。除要求电源设备系统本身结构可靠、性能稳定外,在设计时就要考虑系统检修、扩容等可能出现的状况,提前预留出检修位置或接口,便于日后的运行和维护。
2)技术先进性。在保证满足基本电源基本功能的同时,要积极采用技术先进的电源设备和供电系统。目前,无论是电力变压器技术还是微电子控制技术,都在不停的向前发展,通信电源系统不断小型化、集成化和智能化,在机房面积越来越紧张的今天,选用先进的、占地面积小的通信电源已经成为一种必然趋势。
3)经济合理。在电源工程设计中,所采用的电源设备、组成的供电系统和建立运行维护制度,应当高效和节约能源消耗,应能提高维护效率。设计中一般以近期为主,结合设备寿命,考虑扩容发展的可能,并切合实际,合理利用建筑、设备、器材,进行多方案经济技术比较,努力降低工程造价和维护成本。
3.2 电力通信电源负荷发展分析
传统的电力模拟通信承载的业务范围比较窄(主要是电话、传统远动等),而通信设备一般都是交直流两用,电源容量需要不大,对直流电源的要求也不高,加上传统的蓄电池是开放性结构,日常维护中需要时常加水和酸,导致电池室空气里酸雾较多,所以先前在设计时一般都是将蓄电池组单独安装在专用的蓄电池室,并相应配置排风和加温装置,这个阶段的通信电源以相控电源为主。
现阶段数字化的通信设备均采用直流电源,其承载的业务也越来越多,传输的容量也越来越大,对电源系统的要求也越来越高。首先是对电源的容量提出了更大的需求,其次由于单台设备传输容量增大,承载的业务量也就增大,这就对电源的可靠性要求更高,否则设备失电丢失业务将更大。此时,通信电源也从项控电源逐步发展到智能化开关电源,蓄电池也从普通的铅酸电池发展到阀控式密封免维护电池,并且大部分电力企业对通信电源的运行情况进行了集中监控,减少设备失电事故的概率。
随着智能化光纤传输设备、基于IP技术的路由交换机等大负荷通信设备的投入运行,使得对通信电源容量的要求进一步增大,并且变电站中部分二次设备(如光电转换柜等)也开始使用通信的-48V直流电源。因此,通信设计时需要适当关注相关专业的需求,预留部分电源容量和开关数量。这就需要对原来变电站典型设计中的电源、蓄电池容量进行重新计算,并在通信电源运行、检修维护上也需要适当调整。
3.3 目前供电方案(AC-DC+蓄电池)探讨
目前,通信组合电源系统一般由五部分组成:由交流配电单元、直流配电单元、整流模块、监控单元和蓄电池组。而目前电力通信主网应用最多的为2套开关电源系统。
两面整流屏整流电源分别独立工作,系统容量也平均分配到6个30A的高频开关整流模块中,当出现个别整流模块故障时,系统供电一般不会受到影响。故障信息也将通过监控模块上传至远端的监控中心,并告知运行维护人员。系统中在2面开关电源屏中各安装了1套交流自互投装置,这样每个开关电源屏所整流的交流电源已经是该变电站中最可靠的交流电源。相对于将交流自互投装置安装在交流配电屏中的方案,有利有弊。利是降低了因为交流配电开关或个别母排器件故障、造成2面整流开关电源同时停止工作的故障概率,也便于运行过程中对交流配电屏进行检修、调试、扩容等操作;弊是多了一套自互投装置,成本加大,并且交流配电屏的交流配电输出仅来自一台站用电盘,对一些交流负荷来说,可靠性降低。好在目前这样的交流输出很少,通信机房中极少出现新的通信用交流负荷,通信设备基本都统一到-48V直流供电。
系统中2面开关电源屏的直流输出分别至直流配电屏的2个母排上,现在通信设备基本都具备双路电源输入功能,因此,可以从2个直流母排上分别引电源线至通信设备。为便于系统维护检修,一般在直流配电屏的2个母排之间加装一个大容量的的手动开关,正常运行时断开,待系统故障或需要检修时,人工手动合上开关,灵活运行。对于在直流部分设置自动互投装置的供电方案由于存在不稳定因素,一般在设计时不采用。
综合考虑通信电源供电方案,安全可靠性较高,便于检修维护、扩容等操作,能够为通信设备提供安全可靠的电源。
3.4 DC-DC方案供电探讨
近年来,电网基础设施建设加速,变电站建设成本中征地费用逐年升高。为节约占地面积,减少变电站设备数量,部分地区通信电源开始与变电站操作直流系统共用,由于220kV及以上电压等级变电站仅有220V操作直流电源,110kV及以下电压等级变电站仅有110V操作直流电源,而通信直流电源采用-48V,因此,需要进行DC-DC变换。加上近年来DC-DC技术的不断成熟,并且投资相对较小,特别是在功率不是很大的电源需求领域里,DC-DC技术更得到了广泛的应用。但在电力系统通信中应用DC-DC技术也存在着一定缺点:
1)使通信电源系统与电力生产系统存在耦合、共用环节,一方的故障可能会耦合到另一方,降低了电力生产运行的可靠性。可靠性也是电力生产中极其看重的一点,因此应该避免使用;
2)从技术层面讲,DC-DC大规模的并联,难以防止短路和失控;
3)由于脱离的蓄电池的防浪涌保护,通信设备将直接受到电源电压波动的影响,使通信设备处于不安全的境地;
4)从电能量传播的过程看,多进行了一次功率变换,造成能源资源的浪费。并且随着通信设备不断增加,通信电源系统的扩容也变得复杂起来,需要对整个变电站的操作直流电源整体考虑,增加了工程的复杂度,并且失去了最初节省投资的优势;
5)变电站操作直流电源与通信电源的接地方式不同。操作直流电源是浮地系统,而通信电源是正接地系统,维护习惯也不同,在运行、检修工程中容易出现误操作,导致不必要的安全事故。
3.5 其它技术方案
近年来,通信用太阳能电池电源供电系统在其它领域也得到一定的应用。太阳能通信电源供电系统一般由太阳能电池方阵、储能装置(蓄电池)、配电装置组成。适合于容量不大的一些边远地区不通市电的通信站使用(譬如小型移动基站),可节省投资,但目前在电力通信网中暂无应用,若将来不考虑新上无线等容灾、备用通信方式,太阳能通信电源供电系统将很难在电力系统变电站内使用。
在蓄电池方面,目前基本采用的都是免维护铅酸(胶体)蓄电池,在不久的将来,随着钒电池(Vanadium Redox Battery)和燃料电池的大规模商业应用,通信用蓄电池可能也会面临着改革。
4 结论
电力通信在电力系统中的支撑作用不断增大,电网一次系统对通信网的依赖也越来越大,组建一个高可靠性、高稳定性的通信网非常重要,而通信电源则是坚强通信网的支撑。虽然目前通信电源的硬件水平不断提高,可靠性也不断提高,但在具体配置上存在很多方式。因此,我们在工程设计时应首先研究通信电源的新技术发展方向、通信电源的具体供电方式,进一步提高系统的可靠性,发挥投资的最大效益。
[1]朱雄世.通信电源设计及应用.北京:中国电力出版社,2006.
[2]余子勇,肖景辉.变电站电力通信系统DC-DC供电问题探讨.北京:电力系统通信,2007,6:70-72.