提升一体化电源稳定运行技术的研究

吴治勇，李晓利，杨乐

（国网新疆阿克苏供电公司，新疆 阿克苏 843000）

0 引言

电力生产中，将直流电源、电力用交流不间断电源（UPS）和电力用逆变电源（INV）、通信用直流变换电源（DC/DC）整合后，称之为一体化电源。一体化电源系统具有集成度高、经济效益好、管理方便等优点，可大规模应用于变电站中［1］。一体化电源系统内配备有蓄电池组，蓄电池保障一体化电源长期稳定、可靠地输出，若电源发生异常，将对电力生产活动造成巨大的影响。影响电源是否持续稳定供电的因素有很多，例如系统故障监测与排查、电源状态检测与提前对落后模块实施维护、定期正确维护、极端故障的反措措施等。为凸显一体化电源的优势，乔峻［2］提出当前一体化电源发展方向的重点在于外观一致性、操作流程简单化、网络化、智能化方面的提升。为保障一体化电源的安全运行，黄宁［3］对一体化电源开展在线监测，监测功能包括数据查询、实时监控、日志服务、充电机性能分析、报表管理、系统设置、实时通信、录波浏览、专家分析等、直流环网告警、用户管理等。近10 年来，一体化电源发展迅猛，不同厂家的一体化电源产品各有优劣，但缺少功能齐备的装置。目前，一体化电源的研究方向主要在集成、应用方面，在提升安全性方面的研究还有很大的提升空间。本文从一体化电源现状出发，分析在当前运行模式下可能存在的安全隐患，研究解决这些案例隐患的方法，提出新型一体化电源的设计思路。

1 一体化电源现状

1.1 一体化电源运行模式

站用低压电源系统包括站用400 V 交流系统、直流系统、UPS 电源、逆变电源、通信电源等（如图1 所示）。站用400 V 交流系统是保障电力生产的基础，其电源取自电网，存在停电风险；而电力生产中诸如通信设备、测控设备、保护设备等重要设备，不能随意断电，因此这些设备不能直接从站用400 V 交流系统中取电，需要增加停电反措。为保障电力生产设备的电源能持续可靠地供电，变电站的一体化电源内需设计蓄电池组，保障在站用400 V 交流系统失电故障的情况下能持续提供2 h 以上的电流。为应对电力生产中需要持续供电的不同种类设备的供电需求，一体化电源设计有直流电源系统、UPS 电源系统、逆变电源系统和通信电源系统。出于节省成本的目的，一体化电源共用电池组。为保障一体化电源稳定、可靠地运行，需要对一体化电源在供电能力、稳定性、可靠性方面提出明确要求［4］。

图1 站用低压电源系统

1.2 一体化电源故障事故案例分析

一体化电源系统由模块、电池组、供电线路组成，常见故障有模块故障、电池故障、线路故障几类。发生故障会直接威胁电力安全生产，以下为一体化电源故障事故的一些案例分析。

（1）案例1。某35 kV 变电站的35 kV 母线、10 kV母线均为单母线接线方式；35 kV电源进线3511黑一线、35 kV 出线3512 黑二线、1 号主变、10 kV 线路及电容器均在运行状态，35 kV 所用变T 接于35 kV 进线3511 黑一线处，变电站所有二次设备工作电源均由UPS 电源提供。事故原因分析：经检查UPS 电源AC-DC 回路中整流元件损坏，未能给UPS 电源蓄电池组充电，故障前蓄电池组已严重馈电，当UPS 视电输入存在异常后，蓄电池组所储电能无法满足当前用电负荷要求，使UPS 输出电压降低，从而导致事故的发生［5］。本次模块改造造成的电力生产事故，若能提早发现，针对故障进行检修维护，完全可以避免。

（2）案例2。某变电站110 kV 卫马线39 号杆由于事故车辆碰撞，造成线路两侧零序保护Ⅱ段保护动作，接地距离保护Ⅱ段动作，两侧断路器跳闸，全站失压。直流系统由蓄电池供电，蓄电池组107 号蓄电池故障，导致蓄电池系统开路，造成全站直流系统失压，110 kV 进线备自投保护装置失电未动作，某110 kV 变电站全站失压。本次因电池失效引起的电力生产事故，生产中若能够及时对落后电池开展维护也可避免该类事故发生。

（3）案例3。历年来，电力生产活动中发生大量直流系统接地引起的保护误动或拒动事故。配电线路故障引起的电力生产事故，线路故障有突发性和渐变性2 类，突发性故障不可控，渐变性故障可提前预防。

综上分析，时刻保持一体化电源在良好的状态下运行是保障电力安全生产的关键。

1.3 一体化电源故障现象与威胁

1.3.1 直流系统

直流系统是一体化电源的核心，包含为一体化电源提供持续供电保障的蓄电池组。直流系统由交流输入切换与管理单元、充电机模块组、蓄电池组、各种监测装置和配电元器件组成。直流系统可能发生的故障及故障的现象与威胁见表1。

表1 直流系统故障现象与威胁

1.3.2 UPS电源

一体化电源中的UPS 电源由UPS 电源模块和配电单元组成，UPS 电源模块输入有交流输入、直流输入（取至直流系统）及交流旁路输入，配电单元由线路和保护器件组成。UPS 电源可能发生的故障如下：①UPS 交流输入异常，此时模块采用直流逆变输入，电源不受影响。②UPS 直流输入异常，此时模块采用交流逆变直流、直流逆变输入，电源不受影响。③UPS交流和直流输入异常，电源没法正常输出，负荷不能工作。④UPS 电源模块故障，无输出，负荷不能工作。⑤UPS 电源配电线路发生绝缘故障，导致漏电、电能损耗，可能引发火灾。

1.3.3 逆变电源

一体化电源的逆变电源是由DC/AC 逆变电源模块和配电单元组成，逆变电源的作用是把直流电源变成交流电源。若逆变电源输入直流电异常或逆变电源模块故障，将直接影响输出。

1.3.4 通信电源

一体化电源的通信电源是由DC/DC 逆变电源模块和配电单元组成，逆变输出电源正极接地，简称“-48V 系统”。若逆变电源输入直流电异常或逆变电源模块发生故障，将直接影响输出；若负极发生接地故障，将可能导致电源短路。

2 一体化电源故障反措技术研究

故障反措是针对可能发生的设备事故采取的防护措施。为保障一体化电源运行顺畅，需要监测一体化电源的关键物理量，通过关键物理量分析、判断一体化电源的运行状态，提示检修人员对落后、劣化的模块进行检修，保障一体化电源高效、高质量地运行。

2.1 关键物理量检测技术

依据一体化电源组成分析，一体化电源关键物理量与对应故障现象总结见表2。通过表2 可检查一体化电源各组件的运行状态，经过在线监测、分析，提前对落后、劣化的模块进行检修。

表2 一体化电源关键物理量与对应故障现象

2.2 常见故障分析

一体化电源可能发生的常见故障种类有输入电源故障、模块故障、电池故障和配电系统故障。

（1）输入交流电源故障是不可控的，一体化电源的稳定输出并不依赖交流电源，因此当交流电源异常时，一体化电源依靠蓄电池组能保证其稳定输出。

（2）各部分电源的电源模块属于电子产品，存在一定故障概率，为避免电源模块组中出现某个模块故障而影响电源运行，设计规程要求电源模块做备用设计。例如，直流系统高频开关模块数量在6个以内时，需进行n+1设计，高频开关模块数量大于6个时，需进行n+2设计［6］。

（3）电池故障可能影响电池容量或直接导致蓄电池无输出，而电池的稳定性直接关系一体化电源的稳定输出，因此故障不容发生，需要花费大量的人力、物力监测和维护蓄电池。

（4）配电系统故障可能威胁一体化电源的稳定运行，严重的可能诱发火灾，甚至导致保护误动或保护拒动事故。为保证配电系统的可靠运行，一体化电源成套设备需配备大量监测设备，以便及时发现故障、排查故障。

2.3 严重故障的反事故措施

（1）蓄电池开路续流，规避单节电池故障引起的电源失电。从一体化电源常见的故障分析可知，蓄电池故障对电源安全威胁极大，即使花费大量人力、物力维护蓄电池，也未必能保证电池良好地运行。蓄电池老化或在大电流冲击下可能发生开路故障，一节电池开路直接导致整组电池失去作用，因此有必要针对开路电池进行续流反措，保障蓄电池组可靠供电。蓄电池开路续流设计最可靠的方式是采用二极管与电池并联［7］，在电池开路情况下需要提供放电电流，开路位置电压反向，二极管直接导通。如此设计的开路续流装置无受控元件，可不间断地进行续流；并且由于设备主体是一只二极管，使元件单元设备的可靠性得到保证。

（2）分组电池低压输出，保障通信电源更可靠。当前运行的一体化电源蓄电池接在直流系统侧，其他电源依靠逆变器保证输出。通信电源是直流电源，稳定输出要求高，为保障48 V 直流可靠持续输出，可从直流系统配备蓄电池组内分出48 V电源接入通信电源。

3 新型一体化电源设计

新型一体化电源电气原理图如图2所示，新型一体化电源在原有一体化电源的基础上增加了正极续流装置，确保电池出现开路故障后能正常提供事故电流；电池组与48 V 通信电源系统间建立电气回路，该回路使用二极管单向隔离，保障分组的蓄电池不受48 V充电机影响，整组蓄电池充电效率一致。

4 结语

蓄电池故障对一体化电源威胁巨大，当前运行模式没有对蓄电池可能出现的开路严重故障提出反措。本文提出对电池实时开路续流的措施，可保障电池安全运行。经过电源结构分析，48 V 直流系统通信电源可复用直流系统电池组组建后备电源，通过对蓄电池组分组接入48 V 系统，使48 V 通信电源系统获得多一重的保障；二极管单向接入的设计也可避免蓄电池充电安全事故的发生。通过本文研究改进的一体化电源，在安全上得到了更高的保障，极大地提升了持续供电性能，使一体化电源具有更强的应用价值。

图2 新型一体化电源电气原理图