提高变电站通信电源系统可靠性的研究

文 章

（国网株洲供电公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

近年来，通过对变电站通信设备故障原因统计分析发现，通信电源系统不稳定导致变电站通信设备故障的比例达到20%。随着智能变电站建设的进一步深化和无人值守变电站的进一步普及，对通信电源稳定性的要求越来越高[1]。

1 可靠性基本原理

电力通信电源系统由交流输入、整流器、蓄电池组、直流分配单元等部分组成，其稳定性由各个部分共同保证，可靠性能够进行数值量化表示[2]。

1.1 工作可靠度

将设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率表示为可靠度[3]。可靠度的函数表示为：

式中，R(t1,t2)表示设备的可靠度，R(t1,t2)∈[0,1]；Ns(t1,t2)表示实验设备在(t1,t2)运行时间内未发生故障的设备台数；N0(t1,t2)表示实验设备的总数。

1.2 瞬时失效率

实验设备达到运行时间t后的单位时间内发生故障的设备数量与运行时间t内正常设备数量的比值为瞬时失效率[4]。瞬时失效率表示为：

式中，η(t)表示设备的瞬时失效率；N0表示试验设备数量；R(t)表示工作可靠度；表示从t时刻到t+Δt时刻发生故障的设备数量；表示单位时间失效率，N0R(t)表示t时刻内正常运行的设备数量。

将式（2）写成微分形式为：

瞬时失效率η(t)可以表示为时间t的函数。以瞬时失效率η(t)为纵轴，时间t为横轴画出一条故障率曲线，可将设备故障期分成以下3个时期。

（1）早期故障时期。这个时期发生故障的原因在于设备本身质量问题或者加工过程工艺不达标、配件不合格等。

（2）偶发故障时期。这个时期是设备稳定运行的时期，故障率在数值上不会发生较大的变化[5]。

（3）磨损故障时期。这个时期发生故障的原因可以归结成为设备长时间使用、设备老化、机器磨损等。

设备在偶发故障时期的瞬时失效率η(t)与运行时间t几乎无关，可以近似将其表示为一个很小的常数η，那么可靠度就能表示为：

平均失效率表示在时间段（t1,t2）内瞬时失效率的均值，即表示为：

式中，η（t1,t2）表示时间段（t1,t2）内的平均失效率。

1.3 设备的使用寿命与设备平均维修时间

根据可靠度的定义，设备在t时刻内正常运行的概率为R(t)，那么设备的寿命可以表示为：

式中，T表示设备的使用寿命。

如果设备发生故障后无法修复，那么设备的使用寿命T称为失效前运行时间tMTTF；如果设备修复后可正常运行，那么设备的使用寿命T称为失效间隔时间tMTBF[6]。针对故障可修复的设备，其恢复前时间表示为tMTTR。

1.4 稳态可用度

稳态条件下，设备的稳态可用度表示为：

式中，A表示设备的稳态可用度；tMDT表示设备故障时间；tMUT表示设备正常运行时间。

设备的不可用度U就表示为：

2 电力通信设备电源系统稳定性估算

以交流110 kV变电站典型通信电源系统为例，其对于通信电源系统的稳定性计算，需要依据构成该系统的各个部件的设备稳定性进行综合性估算。一般而言，110 kV变电站典型通信设备电源系统如图1所示。

图1 典型通信电源系统

根据变电站运行规程的规定，二类市电每年的不可用度小于3×10-2，故障中断时长小于6 h。在15年使用时间内，交流分配屏的失效时间间隔大于5×105h，交流配电设备的不可用度小于2×10-6；直流配电屏的失效间隔时间大于106h，直流配电设备的不可用度小于1×10-6；高频开关整流器的失效间隔时间大于5×104h，不可用度小于6.6×10-6；阀控式密封铅酸蓄电池组的失效间隔时间大于3.5×105h，不可用度小于3.43×10-5。

2.1 交流部分的可靠性估算

根据二类市电的年不可用度，结合图1所示的典型通信电源系统，两路二类市电的不可用度为：

式中，Um表示两路并联市电的不可用度；Um1表示市电1的不可用度；Um2表示市电2的不可用度。

图1所示的典型通信电源系统中，交流部分不可度性为：

式中，Uac表示典型通信系统交流部分不可用度；Um表示两路交流市电的不可用度；Uj表示交流分配屏的不可用度。

由此计算交流输入部分的恢复前时间tMTTRac为：

2.2 高频开关整流器之前的设备可靠性估算

一般而言，为满足通信设备负载要求，110 kV变电站的高频开关电源柜中配置了4台整流器，并联形式接入系统，其不可用度为：

式中，Uzs表示4台整流器的不可用度。

单个整流器的失效间隔时间为5×104h，那么其恢复前时间为：

由于4台整流器并联，那么

式中，tMTTRzs'表示4台整流器的故障恢复前时间。

高频开关整流器以前设备的不可用度为：

式中，Uaz表示高频开关整流器以前设备的不可用度；Uac表示典型通信系统交流部分不可用度。

那么：

式中，tMTTRaz表示高频开关整流器以前的设备故障恢复前时间。

2.3 蓄电池组可靠性估算

蓄电池组放电时，可靠性估算为：

式中，Udc表示有蓄电池组供电系统的不可用度；Ub表示蓄电池组的不可用度；tMTTRs为与蓄电池组并联系统的平均恢复时间。

由于直流配电屏与其之前的电路是串联形式，那么图1所示的典型通信电源系统的不可用度为：

3 提高通信电源系统可靠性的思考

3.1 降低设备早期故障时期的思考

在这一时期，设备发生故障的主要表现为无法正常运行、运行不稳定、开关电源模块的交流输入滤波电容耐压不合格等。对于这一时期，解决设备早期故障率高的关键在于设备生产厂家要严格操作规程，加强对原材料、半成品及配件的检验和质量把关，进行工艺优化，及时处理设备故障的质量反馈意见，找出产生故障的根本原因并及时解决。

3.2 提高设备可靠性指标

偶发故障时期是设备运行的最佳状态期，电源系统的运行寿命主要取决于这一段时间。失效间隔时间越长的设备其故障运行率越小，因此在采购设备时需要将失效间隔作为主要的质量考核指标。同时，根据工作可靠度R(t)，设备的可靠性会随着设备的运行使用时间的增加呈现指数下降的情况。在设备运行的中后期，运维人员需要加强设备的例行维护，做到故障及时发现、及时处置。

3.3 优化通信电源系统的设计

为了增加通信电源系统的可靠性，设计时可分为串并联电路、串联电路、并联电路以及备用电路[7]。重要的光传输设备，如同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）设备一般采用主备用电源进行供电，要求更高的光传送网（Optical Transport Network，OTN）设备则使用了3路不同的电源对设备进行供电。

串联电路的任一组成部分的工作可靠度R(t)均小于1，也就意味着串联的设备越多，系统的可靠性就会越低。因此，减少通信电源系统的串联电路可以提高整个系统的可靠性[8]。

当一个单一设备的工作可靠度R(t)无法达到预期时，就可以使用并联电路提升系统的整体可靠性。

对于备用供电系统而言，常见变电站中的通信设备电源一般取自与两路不同的直（交）流供电设备，其关键在于多组完全独立的供电系统之间切换装置的可靠性。

3.4 加强已投运设备的隐患排查

变电站建设时期，根据工程建设情况核查项目设计、技术规范书是否符合相关技术标准。此外，还需全面核查验收质量，核查验收是否严格规范，设备是否带伤上线运行。

对于已运行的变电站，对照相关标准，全面梳理当前通信电源现状，包含且不限于电源系统组成、接线方式以及运行方式[9]。核查整流容量、蓄电池容量是否满足规程标准要求，线径是否满足运行要求，直流部分是否使用交流空开（熔断器），通信蓄电池充放电测试、交流供电切换等运维工作是否按规程定期开展，蓄电池实测容量是否满足运行要求。与此同时，核查通信电源是否接入动力环境监测系统，通信电源运行状态及告警信息是否实时传送到24 h通信专业有人值班场所，动环监控系统数据和告警信息是否准确、完整，动环采集装置供电是否可靠[10]。

4 结 论

提升通信电源系统的可靠性贯穿系统设计、生产、运行、维护全生命周期，作为运维人员需要注意设备在运行中出现的各种异常情况，及时干预，避免设备不正常运行。本文分析了变电站通信电源系统的可靠性基本原理，在此基础上结合典型110 kV变电站通信电源系统估算出设备的供电可靠性，最后根据变电站的运维实际提出提高通信电源系统可靠性的思考。