智能变电站通信电源双路冗余供电系统可靠性研究

0引言

随着计算机和通信技术的发展,电力系统智能化不断推进,传统变电站逐步被智能化变电站替代。变电站通信系统承载着继电保护跳闸、实时状态监测、远程控制、同步相量测量等关键功能,对电源供电连续性要求极为严苛,GB/T 51072—2014《110(66)kV~220 kV智能变电站设计规范》等对通信设备的直流系统及不间断电源均有明确规定[1]。

当前,智能变电站通信电源失效已经成为研究热点之一,赵斌等人针对现有变电站交、直流一体化电源系统运行现状,从DC/DC变换装置维护保养、远程监控、改造换型、应急突发状况的角度提出了解决方法[2—3]。唐谦等人则强调应急电源、储能技术对智能变电站的关键作用,认为其可为电力故障问题快速处理及故障区域用电恢复夯实基础[4—5]。

在此背景下,双路电源成为智能变电站通信电源的主流方案,然而,由于直流系统结构的复杂性以及运行环境的多样性,双电源直流系统在实际运行中面临诸多隐性故障风险[6]。因此,开展双路冗余供电系统的精细化可靠性建模与主动式故障隔离策略研究具有理论价值及实践意义。本文系统分析了双路冗余供电系统架构模型及故障隔离策略,并创新性引入马尔可夫模型进行可靠性分析,研究结果可为智能变电站的可靠运行提供技术支撑和实践指导。

1双路冗余供电系统架构与故障隔离策略

1.1 双路冗余供电系统架构

如图1所示,本文构建的双路冗余供电系统采用“双路电源输入+静态切换开关(STS)+并联直流母线+备用电池组”架构,其核心在于通过双路电源输入、并联整流模块与智能静态开关(STS)实现冗余备份,从而保障负载持续供电。

本双路冗余系统以“零中断”持续供电为 目标,构建了多级防护与快速切换的供电体系。市电首先经断路器保护后进入整流模块转换为直流,随后通过熔断器防护接入直流母线;STS模块实时监控双路电源状态,确保在主电源故障时能在规定时间内完成毫秒级的主备切换,保障供电连续性。电池组通过逆止二极管防止电流反灌,其充放电逻辑由专用的充电控制器进行智能管理。整体设计融合了电力电子高效转换、半导体器件快速切换与数字化实时监控技术,为关键负载提供毫秒级故障响应的持续供电能力,系统的状态判断、主备切换通过监控单元决策执行,其决策流程如图2所示。

1.2 故障隔离策略

在上述电源双路冗余架构的基础上实施故障隔离策略,其核心在于构建分层协同的快速响应机制,通过实时的多源传感网络精准捕捉异常信号,结合智能诊断模型动态区分故障类型并触发预设动作逻辑。当主路故障时静态开关(STS)瞬时切换至备用线路,双路同时失效则无缝启用电池组支撑关键负荷,同时电池管理系统通过逆止二极管防止故障扩散。物理层面采用断路器、熔断器、静态开关、逆止二极管等构成多级隔离架构,确保故障点被精准切除且不影响回路健康运行。该策略深度融合状态监测、智能决策与快速执行,大幅压缩了故障定位与隔离时间,使系统具备自愈能力。其核心价值在于将被动抢修转化为主动防御,通过模块化备件预置与维修调度联动进一步缩短恢复周期,最终实现供电链路“零感知”切换,为智能变电站通信核心负载提供无缝连续的高可靠性保障。

2 系统可靠性分析

为量化分析双路冗余供电系统的可靠性,根据系统在不同故障模式下的动态行为,定义5种系统运行状态,如表1所示。

本文引入马尔可夫模型进行可靠性分析,它是一种无记忆性随机过程模型,其核心特性是无记忆性,即未来状态仅依赖当前状态,既能简化计算(无须追踪历史状态),又符合工程实际—电力设备的故障及修复概率通常只与当前工况相关,而不会“记忆”过去的运行时长或故障次数。基于马尔可夫模型的双路冗余供电系统状态转移模式如图3所示,其中λ1、λ2、λ3分别表示主路故障率、备路故障率、电池失效率,μ1、μ2表示主路修复率、备路修复率(即单位时间内完成修复的概率),虚线表示某状态在出现特定故障时转化为下一状态,实线表示某状态在修复特定故障后转为上一状态。为简化计算,认为电池组的作用是在主备电源均故障时提供临时供电,且在大多数情况下,当系统失效时,首要考虑主、备路修复,而非电池组修复,故在模型可靠性计算时忽略电池组修复这一因素是符合工程实际的。

为合理分配,令pi(t)为系统在t时刻处于状态i(i=0,1,2,3,4)的概率,则状态0~4可用以下状态微分方程表述:

令dP0/dt=0,并结合归一化条件P0+P1+P2+P3+P4=1,逐步计算得到系统的可靠性指标系统可用率(A)、平均无故障工作时间(即平均故障间隔,MTBF)、平均修复时间(MTTR)分别为:

从上述计算式可知,电池组提供临时供电(状态3),可使系统延缓进入失效(状态4),提高MTBF,即可用率(A)的提升取决于电池失效率λ3。降低λ3 (如增加电池容量等)可显著提升系统可用率,提高μ1、μ2(主、备路修复率,即压缩主、备路故障修复时间)比单纯增加电池容量更经济。

为分析双路冗余供电系统的可靠性提升程度,结合阳江市某220 kv智能变电站运维数据,假设以下几种方案:1)方案一,单路主路,修复时间7天,λ1=0.1次/年,μ1=52次/年;2)方案二,单路主路+备用电池组(维持3天),修复时间7天,λ1=0.1次/年,λ3=122次/年,μ1=52次/年;3)方案三,双路+备用电池组(维持3天),主路修复时间7天,即μ1=52次/年,备路修复时间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,双路+备用电池组(维持3天),主路修复时间1天,即μ1=365次/年,备路修复时间2天,即μ2=182.5次/年,λ1=0.1次/年,λ2=0.2次/年,λ3=122次/年。各方案可靠性指标计算结果如表2所示。

对表2数据进行深入分析,可以得出以下结论:

1)电池组冗余设计显著提升了系统可靠性。方案一系统可用率为99.86%,年不可用时间12.3 h。方案二增加备用电池组后,可用率提升至99.95%,年不可用时间缩短至4.4 h,MTBF从10年增至30年,体现了备用电池组对短时故障的缓冲作用。2)双路冗余使系统性能实现飞跃提升。方案三采用双路供电+电池组后,可靠性指标大幅优化,系统可用率达99.997%,MTBF跃升至1150年,年不可用时间仅0.26h。这表明双路设计通过冗余路径有效规避了单点故障,系统性降低了供电中断风险。3)缩短主备路修复时间是系统优化的关键。方案四在同等配置下,通过将主路修复时间从7天压缩至1天、备路修复时间从14天压缩至2天,可用率进一步提升至99.999 97%,MTBF高达34 000年,年不可用时间仅9.5 s,几乎不会出现系统失效的可能。4)方案四通过“双路冗余+电池组备用+快速修复”三重保障,将系统年不可用时间控制在秒级,达到接近绝对可靠的工业极限水平,但这只是理论情况下,实际工作中需平衡快速修复带来的运维成本。

综上所述,双路冗余与备用电池叠加可大幅降低停电风险(方案二→方案三),而提升修复能力更能突破可靠性瓶颈(方案三→方案四)。实际应用中需权衡技术可行性与成本,但理论数据证明,快速修复机制对智能变电站通信电源的可靠性具有决定性影响。

3 结束语

针对当前智能变电站通信电源系统可靠性不足等问题,本文构建了“双路电源输入+静态切换开关(STS)+并联直流母线+备用电池组”的电源系统结构,并分析其故障隔离策略;创新性引入马尔可夫模型,定义了双路电源系统的5种运行状态,并根据各状态转移模式分析其可靠性。结果表明,备用电池组对短时故障具有缓冲作用,电池组冗余设计能显著提升系统可靠性;双路设计通过冗余路径能够有效规避单点故障,系统性降低供电中断风险,使系统性能实现飞跃提升;缩短主、备路修复时间是系统优化的关键,原则上,“双路冗余+电池组备用+快速修复”可让通信电源系统可靠性接近工业极限水平,但实际应用中需权衡技术可行性与成本,如何根据变电站的重要程度选择合适的电源冗余设计方案将是下一步的研究重点。

[参考文献]

[1] 110(66)kV~220 kV智能变电站设计规范:GB/T 51072-2014[s].

[2]赵斌,王良满,赵登海,等.一起220kV变电站通信电源失电原因分析[J].电站系统工程,2025,41(1):79—81.

[3]崔文婷,李晓龙,张玉浩.一起500kV变电站直流系统故障分析[J].电工技术,2024(增刊2):622—623.

[4]唐谦.储能技术在变电站测控系统故障保护与恢复中的应用研究[J].光源与照明,2024(7):147—149.

[5]孔德全,黄小龙,薛少华,等.基于三元锂离子电池的变电

站直流应急电源自动维护研究[J]. 自动化技术与应用,2023,42(2):129—131.

[6]杜思宇,张锋,王雪,等.变电站双电源直流系统的隐性故障诊断方法研究[J].自动化应用,2025,66(10):200—202.

《机电信息》2025年第19期第5篇