通信电源系统中并联直流电源技术的应用研究

朱关峰，赵 磊

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着电力通信系统的日渐完善，高功耗、大容量通信设备不断增多，尽管能够提高通信质量和效率，但是也提高了对于通信电源系统的供电容量要求，增加了配套蓄电池组安全故障发生率[1]。配套蓄电池组是通信电源系统稳定安全运行的基本保障，也是满足系统供电容量要求的关键设备。为了进一步提高通信电源系统运行性能，有必要通过并联直流电源技术优化配套蓄电池组连接方式，从根本上优化配套蓄电池组结构，全面推动电力通信行业的发展。

1 关键并联直流电源技术分析

1.1 均流技术

均流技术是通过数字化主从式平均电流法、配套蓄电池组直流监控管理装置、管理软件实现对于各个蓄电池分担负载电流的平均分配[2]。均流技术操作较为简单，通过管理软件便能够实现对于负载电流的有效分配及控制，具有良好的可移植性、运行可靠性、均流精度。1个直流监控管理装置能够同时管理多个蓄电池，并且不会出现振荡问题。

1.2 馈线短路隔离技术

基于并联直流电源技术，配套蓄电池组能够通过升压电路间接并联在通信电源系统直流母线上，因此实现了直流电源与交流电源的有效隔离，降低了2种电源发生串电问题的概率。如果出现了馈线短路故障，并联直流电源系统能够为短路馈线提供足够的电流，确保馈线保护能够做出正确保护动作，实现对于短路馈线的暂时隔离，此为馈线短路隔离技术[3]。

具体来讲，各个蓄电池电流总和等于通信电源系统的输出总电流，系统在馈线短路、直流过载状态下能够实现对于电流的平均分配。在分配过程中，各个蓄电池输出电流与输出时间呈反时限输出特性。

当通信电源系统处于馈线短路、直流过载状态下时，传统并联蓄电池由于固有局限不能持续输出大电流，通过馈线短路隔离技术，管理人员能够实现对于并联蓄电池的有效续流。续流流程如下：当通信电源系统能够正常运行时，为直流母线提供电压的工作由充电电路、升压电路完成；当通信电源系统出现馈线短路、直流过载情况时，提供电压工作由并联蓄电池由完成；当并联蓄电池提供电压超过直流母线电压时，并联蓄电池需要向直流母线提供大电流，从而维持直流母线电压的安全稳定。

1.3 全自动全容量核容技术

在通信电源系统能够正常交流输入的情况下，直流监控管理装置能够按照既定时间间隔向达到要求的蓄电池下达调整指令[4]。蓄电池在接收到指令之后，会以均流形式退出通信电源系统，关闭内部充电电路。直流监控管理装置对蓄电池的管理从充电管理转变为放电管理，具体管理流程如下：确定蓄电池处于满容量状态下后，按照既定恒定电流开始放电，直到蓄电池的电压达到终止电压为止，随后计算蓄电池容量。开启内部充电电路，开始为蓄电池充电，就此完成一个完整的蓄电池全自动全容量核容过程。

通过全自动全容量核容技术，管理人员能够实现对于离线式蓄电池容量的准确测试及评估，同时能够实现对于蓄电池的一对一管理，管理周期可以达到10 h。

1.4 精细化蓄电池管理技术

直流监控管理装置能够实现对于各个蓄电池的1对1精细化管理，具体管理项目包括根据电流及电压计算蓄电池内阻、定时均浮充管理、充放电管理、容量计算及监测、温度补偿、完善保护等，管理人员可以自行设定管理参数。如果出现连接失效的情况，直流监控管理装置能够按照既定参数完成各项蓄电池管理工作。

2 并联直流电源系统方案及应用原理

2.1 并联直流电源系统方案

并联直流电源的研发及应用是为了避免和解决传统配套蓄电池组串联导致的各种问题，主要应用于变电站通信电源系统建设[5]。市面上的并联直流电源系统以并联电源变换模块为核心单元，主要由整流电路、充电电路、放电电路等组件构成，应用的蓄电池组一般为单体12 V蓄电池、6只串联2 V蓄电池。

现以单体12 V蓄电池为例，简单设计如图1所示的并联直流电源系统。图1中每个并联电源组件都配置了1个电压为12 V的蓄电池，通过直流熔断器与电压为220 V的直流母线连接，通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）通信总线与直流监控管理装置连接。除了图上标注的组件和设备，并联直流电源系统还设置了专门的数字信号处理芯片，负责数字信号的采集、调制、处理工作。

图1 并联直流电源系统

当通信电源系统处于正常运行状态下时，整流放电电路通过隔离二极管与放电电路并联，需要将整流放电电路的电压设置为高出放电电路3～5 V，使得整流放电电路成为主用电路，为负载设备提供电力资源，将放电电路作为备用电路。

2.2 并联直流电源技术的应用原理

基于上述并联直流电源系统方案，总结并联直流电源技术的应用原理如下：当通信电源系统处于正常运行状态下时，220 V交流电能够通过放电电路实现整流，并且传输到直流母线为负载设备提供电力资源，通过均流控制器局域网络实现对于传输电流的平均分配；通过充电电路管理并联电源变换模块连接的蓄电池，以220 V交流电实现充电。

如果220 V交流电出现了断电情况，蓄电池能够通过放电电路实现升压，从而获得通信电源系统额定端电压，不需要进行模式切换，便能够继续为负载设备提供电力资源，确保并联直流电源能够满足通信电源系统对于电源总容量的冗余需求[6]。

3 通信电源系统中并联直流电源技术的应用实例分析

3.1 应用方案

3.1.1 并联直流电源技术应用改进方案设计

目前，并联直流电源技术已经被广泛应用在了国家电网110 kV及以下变电站通信电源系统改进中，能够令单体12 V蓄电池实现升压，升压数值一般为110 V、220 V，从而获得理想应用效果。对于48 V变电站通信电源系统，并联直流电源技术能够令单体12 V蓄电池、6只串联2 V蓄电池实现升压，升压数值一般为48 V，并且将蓄电池并联到直流母线实现应用。

现阶段，应用技术较为成熟的并联直流蓄电池为12 V阀控铅酸蓄电池，此类型电池的最大容量为200 Ah[7]。但是变电站通信电源系统对于并联直流蓄电池最大容量的要求一般为300 Ah或500 Ah，部分大型变电站甚至能够达到1 500 Ah。如果选择直接通过并联电源变换模块将单只串联2 V阀控铅酸蓄电池升压为48 V，再将蓄电池并联到直流母线中，尽管能够满足变电站通信电源系统的蓄电池最大容量要求，但是却会导致较多的改造工作量及成本。

考虑到变电站通信电源系统改进工作量及成本，现设计如下并联直流电源技术应用改进方案：将原来的24只串联2 V阀控铅酸蓄电池划分为4个蓄电池串联小组，每个蓄电池串联小组的电压为2 V×6（12 V），随后通过并联电源变换模块将每个蓄电池串联小组升压为48 V，再将蓄电池并联到直流母线中。

在上述并联直流电源技术应用改进方案中，如果变电站通信电源系统出现了断电情况，基于并联电源变换模块总额定电流需要超过负载电流，并且需要预留充足的冗余容量这一基本原则，可以归结4个蓄电池串联小组中每个蓄电池串联小组对应的并联电源变换模块数量计算公式为

式中：N代表蓄电池串联小组对应的并联电源变换模块数量，遇到小数时向上取整；k代表冗余系数，通常情况下取值为1.2；I代表变电站通信电源系统断电之后的负载电流，A；IS代表单个并联电源变换模块的额定输出电流，A。

3.1.2 并联直流电源技术应用改进方案应用

为了进一步验证本次设计并联直流电源技术应用改进方案的实践效果，现在A变电站通信机房标准机柜式内安装4组电压为2 V、最大容量为500 Ah的阀控铅酸蓄电池。假设变电站通信电源系统断电后的负载电流为50 A，通过式（1）能够计算出代表蓄电池串联小组对应的并联电源变换模块数量为2。

在上述并联直流电源技术应用改进过程中，A变电站安装的2只电压为48 V、负载电流为10 A的阀控铅酸蓄电池被转换为了4组6只电压为2 V、最大容量为500 Ah的阀控铅酸蓄电池，共有24只阀控铅酸蓄电池。随后再结合A变电站通信电源系统的实际运行需求设置并联电源变换模块各项参数，实现对于各个阀控铅酸蓄电池组的均匀充电，并且平均分配需要承担的并联电源变换模块总负载电流。

3.2 应用效果

3.2.1 降低铅酸蓄电池应用数量

现阶段，通信电源系统一般应用“1+1”的双电源模式，通过并联直流电源技术，通信电源系统能够应用“N+X”的电源模式。其中，N代表通信电源系统实际需要的最少电源数量，X代表通信电源系统实际需要的最少备用电源数量[8]。

经过计算分析，可以发现应用并联直流电源技术能够实现对于通信电源系统电源数量的1.3倍设计，说明并联直流电源技术既能够满足原有双电源模式的运行需求，又能够降低0.7倍的铅酸蓄电池应用数量，不但能够节约通信电源系统建设成本，还能够减少通信电源系统建设造成的环境污染问题。

3.2.2 减少系统运行维护工作量

并联直流电源技术支持蓄电池全自动、全容量核容，能够大幅度减少工作人员的通信电源系统运行维护工作量[9]。

假设传统串联直流电源模式下，2名工作人员2 d能够完成对1组蓄电池组的容量核验检测工作，并联直流电源技术能够节约的系统运行维护工作量为4人/d。假设国家电网有3万组蓄电池组，并联直流电源技术能够节约的系统运行维护工作量为12 000人/d。

3.2.3 提高系统运行可靠性

并联直流电源系统在蓄电池与交流母线、蓄电池与直流母线之间均安装了隔离变压器，使得各个蓄电池之间不会出现任何的直接电气联系，极大程度上提高了通信电源系统的运行可靠性和稳定性。并且并联直流电源系统应用的是并联冗余结构，单个蓄电池故障并不会对通信电源系统的正常运行造成任何影响，只有全部的并联冗余结构组件均出现故障时，才会影响通信电源系统的正常运行，显然这种极端故障情况的发生概率较低。

4 结 论

关键并联直流电源技术主要包括均流技术、馈线短路隔离技术、全自动全容量核容技术、精细化蓄电池管理技术。市面上的并联直流电源系统应用的蓄电池组一般为单体12 V蓄电池、6只串联2 V蓄电池，220 V交流电能够通过放电电路实现整流，从而为负载设备提供电力资源，同时实现对于传输电流的平均分配。并联直流电源技术在变电站通信电源系统改进中展现出了良好的应用效果，能够显著降低铅酸蓄电池的应用数量、减少系统运行维护工作量、提高系统运行可靠性，因此成为了主流的通信电源系统蓄电池组连接方式。