0引言

隨著計算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)智能化不斷推進(jìn),傳統(tǒng)變電站逐步被智能化變電站替代。變電站通信系統(tǒng)承載著繼電保護(hù)跳閘、實時狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、同步相量測量等關(guān)鍵功能,對電源供電連續(xù)性要求極為嚴(yán)苛,GB/T 51072—2014《110(66)kV~220 kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》等對通信設(shè)備的直流系統(tǒng)及不間斷電源均有明確規(guī)定[1]。

當(dāng)前,智能變電站通信電源失效已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一,趙斌等人針對現(xiàn)有變電站交、直流一體化電源系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀,從DC/DC變換裝置維護(hù)保養(yǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、改造換型、應(yīng)急突發(fā)狀況的角度提出了解決方法[2—3]。唐謙等人則強(qiáng)調(diào)應(yīng)急電源、儲能技術(shù)對智能變電站的關(guān)鍵作用,認(rèn)為其可為電力故障問題快速處理及故障區(qū)域用電恢復(fù)夯實基礎(chǔ)[4—5]。

在此背景下,雙路電源成為智能變電站通信電源的主流方案,然而,由于直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及運(yùn)行環(huán)境的多樣性,雙電源直流系統(tǒng)在實際運(yùn)行中面臨諸多隱性故障風(fēng)險[6]。因此,開展雙路冗余供電系統(tǒng)的精細(xì)化可靠性建模與主動式故障隔離策略研究具有理論價值及實踐意義。本文系統(tǒng)分析了雙路冗余供電系統(tǒng)架構(gòu)模型及故障隔離策略,并創(chuàng)新性引入馬爾可夫模型進(jìn)行可靠性分析,研究結(jié)果可為智能變電站的可靠運(yùn)行提供技術(shù)支撐和實踐指導(dǎo)。

1雙路冗余供電系統(tǒng)架構(gòu)與故障隔離策略

1.1 雙路冗余供電系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示,本文構(gòu)建的雙路冗余供電系統(tǒng)采用“雙路電源輸入+靜態(tài)切換開關(guān)(STS)+并聯(lián)直流母線+備用電池組”架構(gòu),其核心在于通過雙路電源輸入、并聯(lián)整流模塊與智能靜態(tài)開關(guān)(STS)實現(xiàn)冗余備份,從而保障負(fù)載持續(xù)供電。

本雙路冗余系統(tǒng)以“零中斷”持續(xù)供電為 目標(biāo),構(gòu)建了多級防護(hù)與快速切換的供電體系。市電首先經(jīng)斷路器保護(hù)后進(jìn)入整流模塊轉(zhuǎn)換為直流,隨后通過熔斷器防護(hù)接入直流母線;STS模塊實時監(jiān)控雙路電源狀態(tài),確保在主電源故障時能在規(guī)定時間內(nèi)完成毫秒級的主備切換,保障供電連續(xù)性。電池組通過逆止二極管防止電流反灌,其充放電邏輯由專用的充電控制器進(jìn)行智能管理。整體設(shè)計融合了電力電子高效轉(zhuǎn)換、半導(dǎo)體器件快速切換與數(shù)字化實時監(jiān)控技術(shù),為關(guān)鍵負(fù)載提供毫秒級故障響應(yīng)的持續(xù)供電能力,系統(tǒng)的狀態(tài)判斷、主備切換通過監(jiān)控單元決策執(zhí)行,其決策流程如圖2所示。

1.2 故障隔離策略

在上述電源雙路冗余架構(gòu)的基礎(chǔ)上實施故障隔離策略,其核心在于構(gòu)建分層協(xié)同的快速響應(yīng)機(jī)制,通過實時的多源傳感網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)捕捉異常信號,結(jié)合智能診斷模型動態(tài)區(qū)分故障類型并觸發(fā)預(yù)設(shè)動作邏輯。當(dāng)主路故障時靜態(tài)開關(guān)(STS)瞬時切換至備用線路,雙路同時失效則無縫啟用電池組支撐關(guān)鍵負(fù)荷,同時電池管理系統(tǒng)通過逆止二極管防止故障擴(kuò)散。物理層面采用斷路器、熔斷器、靜態(tài)開關(guān)、逆止二極管等構(gòu)成多級隔離架構(gòu),確保故障點(diǎn)被精準(zhǔn)切除且不影響回路健康運(yùn)行。該策略深度融合狀態(tài)監(jiān)測、智能決策與快速執(zhí)行,大幅壓縮了故障定位與隔離時間,使系統(tǒng)具備自愈能力。其核心價值在于將被動搶修轉(zhuǎn)化為主動防御,通過模塊化備件預(yù)置與維修調(diào)度聯(lián)動進(jìn)一步縮短恢復(fù)周期,最終實現(xiàn)供電鏈路“零感知”切換,為智能變電站通信核心負(fù)載提供無縫連續(xù)的高可靠性保障。

2 系統(tǒng)可靠性分析

為量化分析雙路冗余供電系統(tǒng)的可靠性,根據(jù)系統(tǒng)在不同故障模式下的動態(tài)行為,定義5種系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),如表1所示。

本文引入馬爾可夫模型進(jìn)行可靠性分析,它是一種無記憶性隨機(jī)過程模型,其核心特性是無記憶性,即未來狀態(tài)僅依賴當(dāng)前狀態(tài),既能簡化計算(無須追蹤歷史狀態(tài)),又符合工程實際—電力設(shè)備的故障及修復(fù)概率通常只與當(dāng)前工況相關(guān),而不會“記憶”過去的運(yùn)行時長或故障次數(shù)。基于馬爾可夫模型的雙路冗余供電系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式如圖3所示,其中λ1、λ2、λ3分別表示主路故障率、備路故障率、電池失效率,μ1、μ2表示主路修復(fù)率、備路修復(fù)率(即單位時間內(nèi)完成修復(fù)的概率),虛線表示某狀態(tài)在出現(xiàn)特定故障時轉(zhuǎn)化為下一狀態(tài),實線表示某狀態(tài)在修復(fù)特定故障后轉(zhuǎn)為上一狀態(tài)。為簡化計算,認(rèn)為電池組的作用是在主備電源均故障時提供臨時供電,且在大多數(shù)情況下,當(dāng)系統(tǒng)失效時,首要考慮主、備路修復(fù),而非電池組修復(fù),故在模型可靠性計算時忽略電池組修復(fù)這一因素是符合工程實際的。

為合理分配,令pi(t)為系統(tǒng)在t時刻處于狀態(tài)i(i=0,1,2,3,4)的概率,則狀態(tài)0~4可用以下狀態(tài)微分方程表述:

令dP0/dt=0,并結(jié)合歸一化條件P0+P1+P2+P3+P4=1,逐步計算得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)系統(tǒng)可用率(A)、平均無故障工作時間(即平均故障間隔,MTBF)、平均修復(fù)時間(MTTR)分別為:

從上述計算式可知,電池組提供臨時供電(狀態(tài)3),可使系統(tǒng)延緩進(jìn)入失效(狀態(tài)4),提高M(jìn)TBF,即可用率(A)的提升取決于電池失效率λ3。降低λ3 (如增加電池容量等)可顯著提升系統(tǒng)可用率,提高μ1、μ2(主、備路修復(fù)率,即壓縮主、備路故障修復(fù)時間)比單純增加電池容量更經(jīng)濟(jì)。

為分析雙路冗余供電系統(tǒng)的可靠性提升程度,結(jié)合陽江市某220 kv智能變電站運(yùn)維數(shù)據(jù),假設(shè)以下幾種方案:1)方案一,單路主路,修復(fù)時間7天,λ1=0.1次/年,μ1=52次/年;2)方案二,單路主路+備用電池組(維持3天),修復(fù)時間7天,λ1=0.1次/年,λ3=122次/年,μ1=52次/年;3)方案三,雙路+備用電池組(維持3天),主路修復(fù)時間7天,即μ1=52次/年,備路修復(fù)時間14天,即μ2=26次/年,λ1=0.1次/年,λ2=0.2次/年,λ3=122次/年;4)方案四,雙路+備用電池組(維持3天),主路修復(fù)時間1天,即μ1=365次/年,備路修復(fù)時間2天,即μ2=182.5次/年,λ1=0.1次/年,λ2=0.2次/年,λ3=122次/年。各方案可靠性指標(biāo)計算結(jié)果如表2所示。

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,可以得出以下結(jié)論:

1)電池組冗余設(shè)計顯著提升了系統(tǒng)可靠性。方案一系統(tǒng)可用率為99.86%,年不可用時間12.3 h。方案二增加備用電池組后,可用率提升至99.95%,年不可用時間縮短至4.4 h,MTBF從10年增至30年,體現(xiàn)了備用電池組對短時故障的緩沖作用。2)雙路冗余使系統(tǒng)性能實現(xiàn)飛躍提升。方案三采用雙路供電+電池組后,可靠性指標(biāo)大幅優(yōu)化,系統(tǒng)可用率達(dá)99.997%,MTBF躍升至1150年,年不可用時間僅0.26h。這表明雙路設(shè)計通過冗余路徑有效規(guī)避了單點(diǎn)故障,系統(tǒng)性降低了供電中斷風(fēng)險。3)縮短主備路修復(fù)時間是系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵。方案四在同等配置下,通過將主路修復(fù)時間從7天壓縮至1天、備路修復(fù)時間從14天壓縮至2天,可用率進(jìn)一步提升至99.999 97%,MTBF高達(dá)34 000年,年不可用時間僅9.5 s,幾乎不會出現(xiàn)系統(tǒng)失效的可能。4)方案四通過“雙路冗余+電池組備用+快速修復(fù)”三重保障,將系統(tǒng)年不可用時間控制在秒級,達(dá)到接近絕對可靠的工業(yè)極限水平,但這只是理論情況下,實際工作中需平衡快速修復(fù)帶來的運(yùn)維成本。

綜上所述,雙路冗余與備用電池疊加可大幅降低停電風(fēng)險(方案二→方案三),而提升修復(fù)能力更能突破可靠性瓶頸(方案三→方案四)。實際應(yīng)用中需權(quán)衡技術(shù)可行性與成本,但理論數(shù)據(jù)證明,快速修復(fù)機(jī)制對智能變電站通信電源的可靠性具有決定性影響。

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前智能變電站通信電源系統(tǒng)可靠性不足等問題,本文構(gòu)建了“雙路電源輸入+靜態(tài)切換開關(guān)(STS)+并聯(lián)直流母線+備用電池組”的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并分析其故障隔離策略;創(chuàng)新性引入馬爾可夫模型,定義了雙路電源系統(tǒng)的5種運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)各狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式分析其可靠性。結(jié)果表明,備用電池組對短時故障具有緩沖作用,電池組冗余設(shè)計能顯著提升系統(tǒng)可靠性;雙路設(shè)計通過冗余路徑能夠有效規(guī)避單點(diǎn)故障,系統(tǒng)性降低供電中斷風(fēng)險,使系統(tǒng)性能實現(xiàn)飛躍提升;縮短主、備路修復(fù)時間是系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵,原則上,“雙路冗余+電池組備用+快速修復(fù)”可讓通信電源系統(tǒng)可靠性接近工業(yè)極限水平,但實際應(yīng)用中需權(quán)衡技術(shù)可行性與成本,如何根據(jù)變電站的重要程度選擇合適的電源冗余設(shè)計方案將是下一步的研究重點(diǎn)。

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《機(jī)電信息》2025年第19期第5篇