0引言

隨著計算機和通信技術的發(fā)展,電力系統(tǒng)智能化不斷推進,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)承載著繼電保護跳閘、實時狀態(tài)監(jiān)測、遠程控制、同步相量測量等關鍵功能,對電源供電連續(xù)性要求極為嚴苛,GB/T 51072—2014《110(66)kV~220 kV智能變電站設計規(guī)范》等對通信設備的直流系統(tǒng)及不間斷電源均有明確規(guī)定[1]。

當前,智能變電站通信電源失效已經(jīng)成為研究熱點之一,趙斌等人針對現(xiàn)有變電站交、直流一體化電源系統(tǒng)運行現(xiàn)狀,從DC/DC變換裝置維護保養(yǎng)、遠程監(jiān)控、改造換型、應急突發(fā)狀況的角度提出了解決方法[2—3]。唐謙等人則強調(diào)應急電源、儲能技術對智能變電站的關鍵作用,認為其可為電力故障問題快速處理及故障區(qū)域用電恢復夯實基礎[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)結構的復雜性以及運行環(huán)境的多樣性,雙電源直流系統(tǒng)在實際運行中面臨諸多隱性故障風險[6]。因此,開展雙路冗余供電系統(tǒng)的精細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)架構模型及故障隔離策略,并創(chuàng)新性引入馬爾可夫模型進行可靠性分析,研究結果可為智能變電站的可靠運行提供技術支撐和實踐指導。

1雙路冗余供電系統(tǒng)架構與故障隔離策略

1.1 雙路冗余供電系統(tǒng)架構

如圖1所示,本文構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(STS)+并聯(lián)直流母線+備用電池組”架構,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(STS)實現(xiàn)冗余備份,從而保障負載持續(xù)供電。

本雙路冗余系統(tǒng)以“零中斷”持續(xù)供電為 目標,構建了多級防護與快速切換的供電體系。市電首先經(jīng)斷路器保護后進入整流模塊轉(zhuǎn)換為直流,隨后通過熔斷器防護接入直流母線;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行智能管理。整體設計融合了電力電子高效轉(zhuǎn)換、半導體器件快速切換與數(shù)字化實時監(jiān)控技術,為關鍵負載提供毫秒級故障響應的持續(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的基礎上實施故障隔離策略,其核心在于構建分層協(xié)同的快速響應機制,通過實時的多源傳感網(wǎng)絡精準捕捉異常信號,結合智能診斷模型動態(tài)區(qū)分故障類型并觸發(fā)預設動作邏輯。當主路故障時靜態(tài)開關(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鍵負荷,同時電池管理系統(tǒng)通過逆止二極管防止故障擴散。物理層面采用斷路器、熔斷器、靜態(tài)開關、逆止二極管等構成多級隔離架構,確保故障點被精準切除且不影響回路健康運行。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,通過模塊化備件預置與維修調(diào)度聯(lián)動進一步縮短恢復周期,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)運行狀態(tài),如表1所示。

本文引入馬爾可夫模型進行可靠性分析,它是一種無記憶性隨機過程模型,其核心特性是無記憶性,即未來狀態(tài)僅依賴當前狀態(tài),既能簡化計算(無須追蹤歷史狀態(tài)),又符合工程實際—電力設備的故障及修復概率通常只與當前工況相關,而不會“記憶”過去的運行時長或故障次數(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表示主路修復率、備路修復率(即單位時間內(nèi)完成修復的概率),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)在修復特定故障后轉(zhuǎn)為上一狀態(tài)。為簡化計算,認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,當系統(tǒng)失效時,首要考慮主、備路修復,而非電池組修復,故在模型可靠性計算時忽略電池組修復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)延緩進入失效(狀態(tài)4),提高MTBF,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、備路修復率,即壓縮主、備路故障修復時間)比單純增加電池容量更經(jīng)濟。

為分析雙路冗余供電系統(tǒng)的可靠性提升程度,結合陽江市某220 kv智能變電站運維數(shù)據(jù),假設以下幾種方案:1)方案一,單路主路,修復時間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),主路修復時間7天,即μ1=52次/年,備路修復時間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),主路修復時間1天,即μ1=365次/年,備路修復時間2天,即μ2=182.5次/年,λ1=0.1次/年,λ2=0.2次/年,λ3=122次/年。各方案可靠性指標計算結果如表2所示。

對表2數(shù)據(jù)進行深入分析,可以得出以下結論:

1)電池組冗余設計顯著提升了系統(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,可靠性指標大幅優(yōu)化,系統(tǒng)可用率達99.997%,MTBF躍升至1150年,年不可用時間僅0.26h。這表明雙路設計通過冗余路徑有效規(guī)避了單點故障,系統(tǒng)性降低了供電中斷風險。3)縮短主備路修復時間是系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵。方案四在同等配置下,通過將主路修復時間從7天壓縮至1天、備路修復時間從14天壓縮至2天,可用率進一步提升至99.999 97%,MTBF高達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”三重保障,將系統(tǒng)年不可用時間控制在秒級,達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帶來的運維成本。

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

3 結束語

針對當前智能變電站通信電源系統(tǒng)可靠性不足等問題,本文構建了“雙路電源輸入+靜態(tài)切換開關(STS)+并聯(lián)直流母線+備用電池組”的電源系統(tǒng)結構,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種運行狀態(tài),并根據(jù)各狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式分析其可靠性。結果表明,備用電池組對短時故障具有緩沖作用,電池組冗余設計能顯著提升系統(tǒng)可靠性;雙路設計通過冗余路徑能夠有效規(guī)避單點故障,系統(tǒng)性降低供電中斷風險,使系統(tǒng)性能實現(xiàn)飛躍提升;縮短主、備路修復時間是系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵,原則上,“雙路冗余+電池組備用+快速修復”可讓通信電源系統(tǒng)可靠性接近工業(yè)極限水平,但實際應用中需權衡技術可行性與成本,如何根據(jù)變電站的重要程度選擇合適的電源冗余設計方案將是下一步的研究重點。

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《機電信息》2025年第19期第5篇