电力通信电源运维及故障分析

2023-03-28陈为召马冬云

通信电源技术 2023年1期

关键词：电力通信蓄电池直流

陈为召，马冬云，王景

（国网上海市电力公司信息通信公司，上海 200120）

1 通信电源供电系统现状

通信电源系统是电力通信系统的一部分，主要包括交流系统、交直流整流系统、直流系统、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统、蓄电池模块以及监控系统等。

传统通信电源系统采用-48 V直流输出供电方式，蓄电池组和负载并联在直流输出上，如图1所示。

图1 低压直流供电系统

此通信电源供电方式简单实用，但只是整个机房直流供电中的一部分，供电可靠性相对较弱。

除直流供电系统之外，机房内还有交流UPS系统，如图2所示。

图2 交流UPS供电系统

其中，市电交流输入为交流负载稳压供电，通信电源为直流负载供电。此供电系统结构复杂，成本较高，系统消耗量大，效率比较低。

高压直流供电方案很好地克服了以上2种供电系统的缺点，其系统框架如图3所示[1]。

图3 高压直流供电系统

交流整流模块输出高压直流，为机房内继电保护装置、自动化信号设备供电。在此高压直流基础上，通过直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换降压模块直接输出-48 V直流电，为通信设备负载供电。与UPS系统相比，由于减少了直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）转换环节，使得供电系统更可靠。与传统通信负载供电方式相比，高压供电本身的可靠性较高，通过与机房内110 V直流供电设备集成供电，系统供电效率更高，建设成本降低，同等机房可以采用更细的配电电线。

2 通信电源易发生故障点分析

2.1 交流切换装置

通信电源通常采用三相交流输入，双母线接入情况下，接触器自动切换功能是重要保障，也是实现双路交流输入保护的重要环节，当其中一路交流失电后会自动切换到另一路输入[2]。接触器自动转换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）装置可以自动切换交流输入，但其发生故障会引发非常严重的后果。如果发生自动切换装置内部楔子卡死不能动作的情形，其中一路断电，另一路因卡死不能完成正常切换动作，则起不到保护作用，蓄电池放电完毕后通信负载全部中断，影响非常严重。

2.2 避雷器

通信电源系统内存在大量的电子设备，如整流模块、逆变器模块等，对雷电的抵抗能力较弱。雷击对通信电源系统的危害主要体现在以下2个方面：一是雷击常伴有大电流，如果直接流入电源系统内会造成电源设备机械性损坏，如电容击穿、二极管穿透、电感器件熔断等；二是感应性破坏，通常供电系统电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）能力较弱，当较大电流瞬间通过设备时会产生较大磁场，影响到邻近设备的元器件，造成连带破坏。

按照国家规定，电力通信电源系统防雷保护必须遵循3级保护制度[3]。一级保护是架空线路防雷保护，防止雷击电流顺着架空线路进入站内，避免对站内设备造成损害；二级保护是通信电源防雷保护，在电源机柜上安装三相电源防雷设备，吸收流入配电系统的大电流脉冲信号，保护电源系统内部器件；三级保护是直流电源防雷保护，在直流输出配电柜上安装防雷器件，通过吸收过电压、过电磁脉冲的方式将电压及脉冲量降低至允许范围内。目前，电力系统内3级防雷系统建设较为完善，应避免部分因避雷器引线过长导致设备遭受雷击的情况[4]。

3 高频整流模块故障

电力通信-48 V电源系统中，出现故障点最多的就是直接为负载和蓄电池供电的整流模块[5]。目前，常见的整流模块主要由2级功率变换组成，前级采用三相Vienna整流器，后级采用零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）三电平半桥直流-直流（Direct Current-Direct Current，DC-DC）变换器。整流模块的系统工作原理如图4所示。其中，Ua、Ub、Uc为三相交流输出电压；La、Lb、Lc为升压电感器件；ia、ib、ic为三相交流输入电流；VD为三相整流二极管；Sa、Sb、Sc为双向开关管；Ca、Cb为输出正母线电容器；Ra、Rb为对应电容器的等效电阻；R1为负载等效输出电阻。

图4 整流模块工作原理

将三相Vienna整流器等效为3个单相Vienna整流器，工作原理如下：以A相为例，当开关管Sa导通时，电感器La充电升压，如果ia＞0，则该相整流桥上管VD1正向导通；当开关管Sa关闭且ia＜0时，该相整流桥下管VD4导通[6]。

设计高压直流通信电源中高频开关整流模块硬件拓扑和关键控制策略，在传统整流模块工作原理的基础上，提出模块后级采用新型ZVS三电平半桥DC-DC变换器，改善轻载ZVS的工作效果。此外，针对三电平整流器功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）及中点平衡控制改进问题，对中点电压平衡控制器的幅度进行优化设计，降低中点电压对输入电流的影响，抑制电网波动和负载扰动，提高系统动态性能[7]。

目前，针对通信电源系统整流器的研究大都是整流原理或控制方法上的改进与创新，无法摆脱电子器件构造的一些固有特点。高频整流模块故障原因有很多种，如随着温度的升高，电子器件失效率几乎呈指数上升。高频整流模块拥有大功率发热器件，需要配置可靠的降温设备作为支撑。整流器件运行时产生的电场非常容易吸附灰尘，同时由于风扇降温模块不能密封，若设备周围空气湿度较大，则容易导致湿润灰尘附着，造成器件短路[8]。

4 蓄电池故障

随着现代通信行业的发展，通信机房内的相关设备对直流电源系统提出了更高的要求，传统阀控式铅酸蓄电池已经不能满足要求，锂离子蓄电池替代阀控铅酸电池是大势所趋[9,10]。

受生产、流通、运行过程中各种客观因素的影响，每个单体电池之间不可避免地存在不一致性，主要体现在电池单体容量和电压等方面。当多个蓄电池单体串联组成蓄电池组作为通信-48 V电源系统的储能设施时，若无法解决电池组的整体均衡问题，则会引起蓄电池快速劣化，甚至导致安全事故。

电力通信-48 V电源系统长期处于静止待用状态，除了进行电源充放电性能检测试验外，还要平均3～4a添加一次电解液来延长其寿命。随着时间的推移，蓄电池极板容易老化，正负极板会因长期化学反应附着大量的硫酸铅晶体，需要及时进行更换[11,12]。

锂离子蓄电池阳极侧与电解液接触会形成一层稳定的氧化膜，导致阳极老化现象。在锂离子蓄电池充放电过程中，其内部可能会出现活性物质分解、电解液分解等现象，造成蓄电池不可逆转的衰竭。为了延长蓄电池的使用寿命，需要避免蓄电池过放或过充。正确选择并及时调整开关电源的各项运行参数，保证每节蓄电池输出电压相同，输出电流均衡，防止电池热失控。此外，尽量使蓄电池的工作温度保持在20～25 ℃，环境湿度也要符合要求。在实际运维工作中，定期检查每节蓄电池的状态，测量蓄电池电压。

5 电源故障监控分析

目前，大多数电力通信站点为无人值守站点，站内设备运行状况监测和业务流运行维护尤为重要。采集电源系统运行状态信息后由汇聚站统一传输至中心站集中监控，包括机房内运行环境情况、交直流电压状态、负载电流情况、各整流模块供电状态等[13,14]。

通过RS232或RS485串口与通信电源内部监控接口对接，实现通信电源运行数据的监控。该方式接入简单，不需要购买直采设备，安装方便，但是采集的数据可能不太准确，受电源本身情况影响较大。此外，监控系统应具有声光提示、故障日志记录以及故障分析等功能，确保及时发现电源系统运行故障，按照故障预案流程解决实际问题。