直流供电（共9篇）
直流供电 篇1
在低压直流供电线路特别是电子电路中,电路的绝大部分使用由电源提供的低压,但在线路的某一个部分或某几个部位,需要供高于电源的直流电压,若将整个线路的供电电压提高,既要重新更换或设计电源,又会给整个电路的部件提出更高耐压的要求:若不提高电源电压,需要高电压的电路部分又不能正常工作,本文就基于整个供电电路的低压电源,在某些部分产生较高的直流电压常采用的方法,通过一些具体实例做阐述总结。
以低压直流作基础产生较高的直流电压,常见的方式有3种类型:利用电容充电后再垫高负极电位,即自举升压;利用电感产生的自感电动势对电容强制充电;利用振荡电路将直流变为交流或直流脉冲,再通过倍压整流产生高压。
1 利用电容充电后再垫高负极电位
电容被电源E充电后,其正、负极之间将维持一定的电压Uc=U+-U-=E,若负极电位为零,即U-=0,则正极电位与电容上充的电压相等,U+=Uc;若充电完毕后,将负极接到某一电位U0上,尽管此时电容上的电压不变,但其正极电位就等于电容上的电压与负极所接电位之和,即U+=Uc+U0,从而可以实现U+>E,即得到高于电源的电压,有时将这种升压方式叫自举升压。
(1) 黑白电视机行扫描电路中的倍压电路
在黑白电视机中,整机内部采用12 V直流供电,但为了改善行扫描的线性,需要提高行输出级上的行偏转使用的电压,一般是将电源12 V提高到24 V左右加到偏转线圈上,采用的方法如图1所示:该图是黑白电视机的行输出级电路,整体看该级使用的电源为12 V,但工作时经过电容C0、二极管D0、电感L0组成的升压电路转换,行输出管集电极c实际得到的直流电压为24 V左右,即行偏转线圈实际使用的电源为24 V左右,达到了改善行线性的目的。
原理为:行输出管T在行脉冲的作用下工作于开关状态,因而其集电极流过的是脉冲电流,当T导通时,电流经升压二极管D0、行输出变压器Tr的初级线圈L0的下半部流过,并产生上正下负的自感电动势e1=12 V,上部自然会感应出电动势e2方向亦为上正下负,若D0的负极接在L0的中点,则有e2=e1(若不在中点,则有e2<e1或e2>e1),该电动势会通过D0对C0充电,使电容C0上出现大小与e2相等的电压,即升压电容C0上会维持12 V的电压,而C0的负极与电源12 V相连,这样C0正极对地的实际电位应是12 V电源电压与C0上电压之和,即可达到24 V,若用万用表的直流电压档测量,行输出管T集电极、电容Cs上的直流电压均为24 V,从而实现了提升局部供电电压的目标,达到了改善行线性目的。 升压二极管D0既给电源提供了向输出级输入能量的通道,同时又隔离了24 V倍压与12 V电源电压。显然,若D0的负极不是连接在L0的中间点,例如上部匝数偏多,则C0上的电压会大于12 V,最终的升压可能会大于24 V,反之则低于24 V。
(2) OTL功放电路中的自举升压
电子线路上常用的OTL互补对称功率放大电路,如图2所示。
T1,T2为2只互补型的功放管,静态时A点电压
(3) 手机读卡电路
在手机读卡电路上要用到5 V的电压,而手机所用电池早期为4.8 V,现在的手机均为3.6 V,因电池电压往往随所剩电量的多少有所变化,为确保手机工作稳定,不因电池电压的变化而影响通话质量,电池电压并未直接供给手机各部分使用,而是通过稳压IC变为3.2 V,2.8 V,3 V等更低的电压供各部分使用。在这种情况下就需要通过升压电路将3 V左右的电压升为5 V。如图3(a)所示,是用在爱立信788手机上的升压电路。
N750为一电子开关电路,型号为C70851,电压从2脚输入后,内部电子电路开始工作,可以实现将第1,8脚接的电容C752与第4,5脚接的电容C751定时相并联、相串联,也就是使两电容交替性地相并联、相串联。+3 V的电源经R607,C606,R751,C757组成的RC滤波网络后,电压约为2.5 V送入N750的2脚,首先C752,C751处于并联状态,2.5 V的电源对其充电,使两电容上均出现2.5 V的电压,然后经内部电子开关转换使C751与C752处于串联状态,并且其中一支的负极与另一支的正极相连,如图3(b),(c)所示,这样两电容上的总电压成为5 V,经电容滤波后从第3脚输出,供SIM卡电路使用。
2 利用电感的自感电动势强制对电容充电升压
电感产生的自感电动势的大小ε=Lⅹdi/dt,即电感量大小一定后,自感电动势的大小只与电感中电流的变化速度有关,而与电感上原来施加的电压无关。若电感中注入电流脉冲,当频率高到一定程度时,无论电感上施加的电压如何,上面就会产生远高于施加电压的自感电动势,然后再对这一感应电动势产生的电流进行整流,并对电容充电就会输出一较高的直流电压。
(1) 黑白电视机行扫描电路中的高压电路
在上述图1所示的行输出级电路中,产生的24 V倍压直流不仅用于改善行线性,其实在电视机中该级还承担着产生10 000 V直流高压的任务。该电压由行输出变压器次级输出,加到显像管上形成光栅,其产生过程为:由于行管的集电极有24 V的倍压,该电压同样也出现在与行管T的c,e极相连的电容CS上,工作时行输出管处于开关工作状态,当T导通时,Cs放电,电流经Ly,T的c,e极流过;当T截止后,由于Ly中的电流急剧变小,内部产生的较大的自感电动势,促使电流还要继续流动以释放电感上的磁能。由于此时T已截止,故刚刚通过T流动的电流,会对逆程电容C1做强制性的充电,最终Ly上的磁能会转化为C1上的电场能,根据
(2) 摩托罗拉手机读卡电源电路
如图4所示,是摩托罗拉V998电源模块U900的升压电路。由于该机供电电池电压为3.6 V,故内部使用的+B约3.6 V,但手机有些电路需用+5 V的电压,为此在电源模块的C5,B6端,要通过B10端得到5.6 V直流电压。方法是:+B经L901接到U900的B10端,B10端内部等效于与地断续相连的电子开关,当B10端与地相连时,电源电流流经L901入地。显然,电感L901上施加的电压为+B,当电流达到一定数值时,B10内的电子开关突然与地断开,L901上的电流会突然变小而产生较强的自感电动势ε,该电动势的方向为左负右正,该电动势经整流管CR901对电容C934充电,使C934上瞬时出现峰值接近于自感电动势的电压,B10内下次与地接通后,电源电流又经L901流向B10内部,C934上刚才充的电压由于CR901的存在而将C934与B10引脚隔离开,使C934上维持约5.6 V的直流电压,并通过C5、B6端向U900供电。
3 倍压整流升压电路
倍压整流是对直流脉冲或交流而言的,在直流电路中要通过倍压整流电路将较低的电压转换为较高的电压,就需将低压直流首先通过振荡电路转换出直流脉冲或交流,然后通过二极管及电容组成倍压整流得到较高直流电压。
(1) LCD液晶显示偏压电路
如图5所示,是爱立信788中文手机显示屏显示偏压生成电路,该屏正常工作时需要-5 V的显示偏压VLCD,而整机电路使用的是3 V左右的电压,-5 V的显示偏压VLCD产生过程是利用CPU D60095959696脚输出2.5 V左右的脉冲经倍压整流最后得到5 V左右的直流。95959696交替输出幅值约2.5 V的矩形脉冲U0,9696有脉冲时9595电压为零,该脉冲通过D1对C773充电,使C773充的电压为U0,通过D3使C770,C771上的电压为U0的一半,电容上的电压极性为左负右正;9595有脉冲时9696电压为零,该脉冲经D2对C770充电,由于此时C773左极板的电位是-U0故充电的结果是C770上出现2U0的电压,方向左正右负;9696脉冲到来9595电压为零,该脉冲又经D3对C771充电,由于C770右极板的电位是-2U0,故C771上会出现3U0的电压,并且方向是左负右正,所以下一时刻9696电位为零,C771左极板电位约为-3U0=-3×2.5 V =-7.5 V,因而C772经D4到C771的负极会有一放电电流,使C772上出现上负下正的电量,即电路的输出端对地是一负电压,由于每一只电容充电放电是交替进行的,经几个周期后,各电容上的平均电压会稳定下来,最终C772上的电压介于0与最大值-3U0之间,约为-5 V左右,当然输出电压的高低不仅与脉冲的高度有关也与脉冲的宽度有关,还与-5 V输出电流的大小有关。
(2) DC-AC-DC逆变升压电路
这种电路局部由低压直流供电,并产生自激振荡,在变压器的初级产生脉冲电流,若变压器设计成升压变压器,则次级就会输出更高的交流脉冲,该脉冲经倍压整流滤波后即可得到较高的直流电压。
如图6所示,是在小型电器中常用的DC-AC-DC直流变换电路。晶体管T与定时电容C,电阻R以及变压器Tr的初级带抽头的线圈L1,L2构成振荡电路,使T处于开关状态。故L2上流过的是直流脉冲,该部分使用的电源约为3 V,振荡电路工作后,L2上会出现峰值为3 V左右,频率约30 kHz的脉冲电压,波形如图7所示。
由于变压器次级匝数较多,故它是升压变压器,其次级会输出较高的脉冲电压,当然其频率与初级一样,后续电路为倍压整流电路,当脉冲的正半周到来时,方向上正下负,电压会经D1对C1充电,使C1上出现等于Tr次级峰值的电压,负半周到来时,电压方向相反,脉冲电压与C1上的电压之和经D2对C2充电,使C2上出现2倍的峰值电压,下一周期的正半周到来,次级电压与C1,C2上的电压合成后会经D3对C3充电,最终使C3上出现峰值的2倍压,经过n个周期后,除C1上为峰值的1倍压外其余均为2倍压,这样只要电路输出电流不太大,就可以确保从不同的位置取出峰值的1倍压、2倍压、…、n倍压的直流。
综合上述3种形式的升压电路,它们都是建立在电容储能后两极维持一定数值的电压这一基础之上。当单只电容上的电压达不到要求数值时,利用2只或2只以上的电容按一定方式进行组合,最终从电容器所在电路的某2点取出所需电压。但无论采取何种形式的变换电路,最后得到的较高电压其能量均是取自低压直流电源,即在遵从能量守恒的前提下电压转换只是电能表现形式的改变。
参考文献
[1]王佩珠,许开军.电路与模拟电子技术[M].南京:南京大学出版社,2005.
[2]秦曾煌.电工学(电子技术)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[3]王成安,张树江.模拟电子技术[M].大连:大连理工出版社,2006.
[4]解相吾,解文博.移动通信终端设备原理与维修[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[5]孙龙杰.移动通信与终端设备[M].北京:电子工业出版社,2003.
直流供电 篇2
F0403012孙逸翔5040309349授课教师张峰
摘要：交流高压输电和直流高压输电是现今两种较为成熟的远距离输电模式。前者已经有了很长的发展历史，技术相对成熟，在人们的日常生活中得到广泛应用；后者自五十年代起，开始被人们重视，在海底电缆等情况下相较交流输电有着无可替代的优势。本文针对两种输电方式的原理和利弊做出一定的分析和讨论，并结合国家重大工程运用现有的基电知识进行大致的了解和研究。并在最后对二者的发展前途进行了科学的展望。
关键词：高压直流，高压交流，有功功率，无功功率，变压器，耦合，整流，滤波，换流，三峡水利枢纽
概述
编写说明编写目的：通过对于交流和直流供电系统的简要分析，掌握交流和直流输电的相关初步知识，同时和书本学习的内容相结合，巩固书本知识。并且联系实际（三峡水电站等），关注国家重要工程。
适应对象：电院二年级拥有基电知识的同学。
定义
变压器：利用电磁感应的原理来改变交流电压大小的电路元件。在电气设备和无线电路中常用来升降电压匹配阻抗等。
整流器：利用电子管或晶体管把交流电变成单方向流动的电流的电路元件。
滤波器：由线圈和电容器组成，用以把不同频率的电磁振荡分离开，只让所需要的频率通过的电路元件。
换流站：采用半控型的晶闸管器件，利用相控进行交—直和直—交两种变换的电力系统。
绪言
从80年代中期开始，著名的发明家爱迪生就开始致力于将各种关于电力的设想化为现实的研究工作中，并取得了丰硕的成果。但爱迪生一直都倾向于采用直流电来处理和考虑问题，以至于在爱氏1887年年满40之际有人提出用交流电取代直流电的设想的时候，他非但嗤之以鼻，还在以后的长久日子中引发了关于到底应该采取直流还是交流的激烈争论。
从当时的情况看来，如果采用直流电输送电力，由于功率在传导电线的内阻中迅速损耗，以至于发电厂输送电力的距离最远不超过一英里。如果这种状况继续下去，那么除了大城市外，别的地方也许就得不到电力。此外，采用直流电输送的电力得把电压局限在250伏之内，如果超过这一标准就会烧毁灯丝，或危及用户的安全。于是另一种想法应运而生：能不能将电压提高，以利于远距离输电，然后在输入用户或工厂之前，再将电压降下来。
为了能够解决这个升压和降压的问题，人们很自然地想到了采用交流电，因为这样才可以用变压器来达到升降压的目的。而实际的各种尝试也的确证明了这种想法的可行性。所以后来出生在奥匈帝国克罗地亚的尼古拉·蒂斯拉的技术原理在乔治·威斯汀豪斯的支持下，终于将交流电引向实际应用。
而此时，固执的爱迪生的直流电传输理论终于逐渐失去了主导地位，在而后的百年的时间里逐渐被人遗忘。
但是，直流电传输方式是不是真的就没有任何可取之处呢？答案显然是否定的。现在已经部分投产的我国三峡水电站的输电模式中，就有2965公里的直流输电线路。为什么三峡工程没有采取已经被经验和时间证实了的输电方式而选取了看似已经被人抛弃的方法呢？其中自然必然有一定的道理，我们此次便会去一探究竟。最后对这两种经典输电方式作一番比较。
交流电输电系统特性
当初历史选择了交流电，是有其必然原因的。实践证明，交流电具备很多优点。交流电动机结构比较简单，重量较轻，而且供电稳定，还可以调离或调低，能够实行远距离送电。我们可以作如下比较。
由法拉第电磁定律U=BLv作为理论基础，现今发
电机的发电电压一般在几千瓦至十几千瓦之间，而在当
时的直流发电电压不过几百伏特。由于功率P=U×I,在电压无法升高的情况下，为满足公众需求而愈增愈高的功率必然使电流不断增大。由，线路的功
率损失必然愈为增大。于是人们设想：能不能将电压提
高，以利于远距离输电，然后在输入用户或工厂之
直流发电机模型前，再将电压降下来。
如果用直流电，这一点就无法实现。但是用交流电，它就可以沿一个方向前进，达到高峰时就调转方向，再达到高峰时，又调转方向，每秒钟调换多次方向，就为改变电压提供了条件。1888年，蒂斯拉成功地建成了一个交流电电
力传送系统。他设计的发电机比直流发电机简单、灵便，而他的变压器又解决了长途送电中的固有问题。
利用变压器，可将输入线路的电压提高，在送入家庭用户或工厂之前，再把电压降下来。
交流电实现电流远距离输送的关键在于利用变压器。在送到输电系统前，利用电厂内的升压变压器将电压升高为输电线路电压（一般为数百千伏）。当输电线路到达负载中心（都市或工业区等）附近，设置超高压或一次变电所将电压降为161KV或69KV，再输送到位于负载中心的配电变电所或二次变电所，把电压降为配电电压11.4KV或22.8KV再送到配电线路。
理想变压器及三相组式变压器的模型如下图。
第3页
由理想变压器的定义式
（1）（2）
若变压器的初级匝数为N1，次级匝数为N2，则匝比
（3）
由上述三式可以得出理想变压器的VCR为：
至此我们可以知道：；即初级与次级线圈的输入功率的总和为零。理想变压器不会消耗功率，而若n取值足够大，十几千伏特的u1必然可以升至几百千伏特。由公式P＝U×I
升高电压后I值减小，随之传输线路功率损失因之下降。远距离输电成为可能。至负载中心之后，仍然利用一理想变压器将电压重新将下来，以适用于生活用电。在动力系统方面，交流发电机和交流电动机也随这种电路传输系统而相应地出现且随时代进步而不断得到改进。交流供电系统也就一步步发展到今天一统天下，趋近完善的境界。下面两图即给出三项电系统中的发电机与电动机基本构造模型。
三相交流发电机模型三相交
流电动机模型
第4页
直流电输电系统特性
否定之否定。当初爱迪生与威斯汀豪斯的“电流之战”虽以交流供电的胜出而结束。但随着技术的进步，作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网重要手段的直流输电技术正越来越受到广泛的应用。20世纪50年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加，电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有较好的经济效益和优越的运行特性，因而直流输电重新被人们所重视。1950年苏联建成一条长43km、电压200kV、输送功率为3万kW的直流试验线路。到60年代，海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电，直流输电方式在跨越宽阔海峡的特殊自然条件下，优点更为突出。80年代，可控硅换流器在大型直流输电工程中崭露头角，巴西的伊泰普直流输电工程，使直流输电压达到±600kV，输电功率达到6 300MW，输送距离806km，发展之迅速可见一斑。我国高压直流输电虽起步较晚，1977年建成第一条31kV直流输电工业性试验电缆线路。三峡至常州500kV超高压直流输变电路也已于今年建成。
直流输电的再次兴起并迅速发展，说明它在输电技术领域中确有交流输电不可替代的优势。我们通过查找资料，认为直流方式尤其在下述情况下应用更具优势：
（1）远距离大功率输电。直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用。
（2）海底电缆送电是直流输电的主要用途之一。输送相同的功率，直流电缆不仅费用比交流省，而且由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过40km时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。
（3）利用直流输电可实现国内区网或国际间的非同步互联，把大系统分割为几个既可获得联网效益，又可相对独立的交流系统，避免了总容量过大的交流电力系统所带来的问题。
（4）交流电力系统互联或配电网增容时，直流输电可以作为限制短路电流的措施。这是由于它的控制系统具有调节快、控制性能好的特点，可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定。
（5）向用电密集的大城市供电，在供电距离达到一定程度时，用高压直流电缆更为经济，同时直流输电方式还可以作为限制城市供电电网短路电流增大的措施。
我们认为：首先最为关键的，是在许多特定场合下直流输电方式可以减少功率损失。
一、直流输电无电磁波形式功率损失
根据麦克斯韦方程组：
稳恒电流不产生电磁波，而变化的交流电则会产生波动的E、H矢量。
由坡印廷矢量定义
S＝E×H
其中I即为电磁波的强度。
由此可见，当使用超高压交流传输电流时，由于其dI/dt变大，势必造成更多能量以电磁波的形式损失，而使用直流输变则无此问题。
二、直流输电无动感元件无功功率损失
在高压交流电线在空气中架设时，线路与大地构成一电容。但由于由空气作为介质的此电容较小，因而对电路传输影响不大。但在埋地电缆、海底电缆送电等形式中，由于线路与环境形成动态元件模型而产生的功率损失就较为可观了。线路与大地、海水等直接构成电容值较大的电容。根据阻抗公式
海水及大地中此阻抗Z值可达较小，相当于构成一条支路，造成功率损失。而在直流模型下则无此影响，提高了有功功率的传输效率。
如同交流输电中需采用变压器一样，直流输电方式需要以换流站和整流器作为向日常用电转换的必需，来实现整流和滤波。下面我们粗略作一些探讨：
整流电路的作用是把交流电转换成直流电，严格地讲是单方向大脉动直流电，而滤波电路的作用是把大脉动直流电处理成平滑的脉动小的直流电。
整流原理：利用二极管的单向导电性实现整流。以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如下图所示。
若输入交流电为
则经桥式整流后的输出电压为（一个周期）
桥式整流电路波形图
(9)
其相应直流平均值为
(10)
由波整流提滤波电
此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电压比半高了一倍（忽略整流内阻时）。路：
经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，为了减少波动，通常要加滤波器，常用的滤波电路有电容、电感滤波等。现讨论最简单的滤波电路。
电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。下图所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。
由电容两端的电压不能突变的特点，达到输出波形趋于
平滑的目的。经滤波后输出的波形如下图所示。
依据已做分析，在参阅资料后我们得出如下结论：
在进行远距离高电压输电时，直流输电方式有着诸多优点。
（1）直流输电不存在两端交流系统之间同步运行的稳定性问题，其输送能量与距离不受同步运行稳定性的限制；
（2）用直流输电联网，便于分区调度管理，有利于在故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大；
（3）直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制；
（4）直流输电线路沿线电压分布平稳，没有电容电流，不需并联电抗补偿；
（5）两端直流输电便于分级分期建设及增容扩建，有利于及早发挥效益。
故现今远距离直流输电方式已得到广泛应用。我国在长距离输电的国家电网构建中，也已大胆并成功地使用了这种技术。右图为举世瞩目的三峡工程，它的多条输电线路即将采用直流输电方式。电站向华中及川东输电距离在６００ｋｍ以内，采用交流５００ｋＶ输电较为经济，向华东送电采用５００ｋＶ直流和１０５０ｋＶ交流混合方式是可行的。采用１０１５ｋＶ线路交流输电能力可代替４～５回５００ｋＶ交流输电线路，减少铁塔用材１／３，节约导线１／２，节省造价１０％～１５％，线路损耗减少５０％。直流、交流输电方式的综合评价与前景展望
直流输电的发展历史到现在有百余年，在输电技术发展初期曾发挥作用，但到了20世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题，使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争，因此进展缓慢。
我们今天的日常生活用电网络，大多为三相交流供电方式，它拥有短距离内输电便捷、可升降压、适用性广等诸多优势。它在我们生活中的主导地位，在短时间内，也因而是难以动摇的。
当今，随着远距离交流供电的弊端逐步凸现，直流输电方式在此受到人们的青睐，虽然直流输电较交流输电相比存在一些缺点，如：换流器在工作时需要消耗较多的无功功率；可控硅元件的过载能量较低；直流输电在以大地或海水作回流电路时，对沿途地面地下或海水中的金属设施造成腐蚀，同时还会对通信和航海带来干扰。然暇不掩瑜，在远距离传输高压电流方面，直流输电已成为先进技术的发展方向。
现已有不少国家试制成功直流断路器和负荷开关，并正在研究利用这些开关设备与直流输电的控制技术相结合，以实现多端直流输电。
当前对高温超导的研究也正方兴未艾，它在强电方面应用的可能性也与日俱增。超导用于直流输电要比用于交流输电更为有利，可以期待在不远的将来，超导将使电能的传输发生划时代的变革，并进一步推进直流输电的发展。
最后，我们罗列直流供电与交流供电的利弊，以作综合比较。
（1）流输电一般采用双极中性点接地方式，直流线路仅需两根导线，三相交流线路则需三根导线，但两者输送的功率几乎相等，因此可减轻杆塔的荷
重，减少线路走廊的宽度和占地面积。在输送相同功率和距离的条件下，直流架空线路的投资一般为交流架空线路投资的三分之二。
（2）直流电缆线路的投资少。相同的电缆绝缘用于直流时其允许工作电压比用于交流时高两倍，所以在电压相同时，直流电缆的造价远低于交流电缆。
（3）换流站比变电站投资大。换流站的设备比交流变电站复杂，它除了必须有换流变压器外，还要有目前价格比较昂贵的可控硅换流器，以及换流器的其它附属设备，因此换流站的投资高于同等容量和相应电压的交流变电站。
（4）在相同的可比条件下，当输电线路长度大于等价距离时，采用直流输电所需的建设费用比交流输电省。
（5）直流输电运行费用较省。根据国外的运行经验，线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数，交流与直流大体相近。但直流输电电能损耗在导线截面相同、输送有功功率相等的条件下，是交流输电的三分之二。
可以预见：具有“悠久传统”的三相交流供电系统将在发电领域与日常生活领域继续体现强大的生命力，而直流输电方式也将在新技术变革的飞速发展中，发挥愈加巨大的作用。
致谢在本论文的书写过程中，得到了F0403012班王佑民同学的大力支持，在此表示衷心的感谢。参考书目
陈士军《直流输电的优势与前景》
王蔼《基本电路理论》
李翰荪《简明电路分析基础》
孙如瑛《三峡工程重大装备科研工作回顾》
毛江《远距离高压输电及其在三峡工程应用的探讨》 李其荣《爱迪生传》
直流供电 篇3
摘要：为了避免直流牵引供电系统在电力系统发生振荡时继电保护装置出现误动作，并保证继电保护装置的灵敏性，须对振荡信号和短路故障信号进行严格区分。采用经验模态分解（EMD）方法对振荡信号和短路故障信号的特征量进行提取，可有效区分这两种信号，从而保证继电保护装置有足够的灵敏性，也实现不误动和不拒动的可靠性。
关键词：直流牵引 继电保护 经验模态分解 电力系统振荡
0 引言
近年来，我国城市地铁产业发展迅速，地铁供电系统的安全可靠运行是地铁安全运行的最基本保障，紧密关系着人民的生命财产安全及社会稳定。但是，由于有关直流牵引供电系统的继电保护技术发展时间较短，仍处于初级阶段，相对于比较完善的交流供电系统的继电保护技术来说，直流牵引供电系统的继电保护技术还存在着很多问题。例如，对于直流牵引供电系统经常出现的振荡电流，目前的继电保护技术采取的是“宁误动、不拒动”的方式，这显然不能满足继电保护的基本要求，使直流牵引供电系统的可靠性降低。
振荡是电力系统经常出现的一种现象，系统振荡时电流、电压会发生周期性变化。当电流的变化超过继电保护的整定值时就会引起继电保护装置误动作。要想避免误动作的发生，并保证继电保护装置的灵敏性，须对振荡信号和短路故障信号进行严格区分，构成振荡闭锁装置。振荡闭锁装置须满足4个基本要求：①供电系统发生振荡而没有出现短路故障时，应能可靠地将保护装置闭锁，振荡不停息，闭锁不解除；②在继电保护装置的保护范围内发生故障时，保护装置不被闭锁而能可靠动作；③在振荡过程中发生故障时，保护装置应能不受振荡影响正确动作；④供电系统先发生故障又发生振荡时，保护装置不会误动作。
1 直流牵引供电系统继电保护
1.1 di/dt-ΔI保护
继电保护装置是经常应用于接触网电力系统中的主保护之一，在我国的地铁供电系统直流侧的继电保护中已普遍应用。电流上升率 di/dt保护用于中、远端保护，整定值应确定动作值E、返回值F及动作延时时间Δt；电流增量ΔI保护用于近端保护，整定值应确定电流增量ΔI及动作延时时间Δt。由于地铁车辆起动时电流上升率和电流增量是地铁供电系统正常运行情况下的最大值，所以di/dt-ΔI继电保护装置的动作值按躲过车辆起动时的电流上升率和电流增量设置整定值。继电保护的动作条件有两个：①电流的初始上升率di/dt大于列车起动时的电流上升率di/dt；②电流增量ΔI大于列车起动时的电流增量ΔI。
di/dt-ΔI继电保护的整定值设置的较小，所以灵敏度极高。当直流牵引供电系统中出现振荡现象时，振荡电流的变化所引起的电流增量和上升率超过整定时也会造成保护装置动作。由于振荡电流出现的时间很短，不会对电气设备产生较大影响从而不需要继电保护动作，所以由振荡电流所引起的保护装置动作为误动作，应该避免。
1.2 保护装置产生误动作的原因
di/dt-ΔI继电保护装置容易受到振荡电流的影响而产生误动作的原因，是因为振荡电流的变化所引起的电流增量和上升率与电力系统发生故障时的波形十分相似。某站采集到的牵引直流电网发生振荡时的振荡电流波形如图1所示。
图1 振荡电流波形图
从图1中可以看出，振荡电流从0A升至4000A用了5ms时间，电流上升率为800A/ms，超出了di/dt-ΔI保护装置设定的整定值60A/ms，完全能引起保护装置动作。振荡电流的特点是电流的变化幅度大，即电流上升率高，但振荡电流存在时间短，能迅速恢复到正常值，不会对直流馈线和列车造成影响。而因为保护装置的误动作所造成的损失却是无法估量的，不但影响列车的正常运行、造成人民生命财产损失、影响社会稳定、还会减短电力系统及继电保护的使用寿命，所以必须安装振荡闭锁装置，对这种误动作进行避免。
由上面的分析不难发现，要想避免保护装置误动作，需要为保护装置安装振荡闭锁装置。但根据振荡闭锁装置的基本要求，振荡闭锁装置需要具有区分由短路电流造成的电流上升率和由振荡电流造成的电流上升率的能力，才能既保证继电保护装置的灵敏性，又保证继电保护不发生误动作。基于此，本文提出了利用EMD分解方法来提取直流牵引电网的振荡电流的特征量以便对振荡电流和短路电流进行识别。
2 经验模态分解（EMD）
经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，简称为EMD），是由美籍华人黄锷博士率先提出的一种全新的信号处理方法。EMD的原理是根据被分析波形所具有的时间尺度趋势信息来分析信号，而不需要额外设定任何基函数。通过EMD，能自动将信号分解为仅反映信号局部波动的若干阶模态函数（Intrinsic Mode Function，简称IMF）。模态函数不需要用数学表达式来表达，而是根据被分析信号的波形发展趋势进行自我修正，这一优点明显强于需要提前建立基函数才能对信号进行分析的傅里叶变换和小波分解方法。下面简要描述一下EMD对信号的分解原理。
假设某平稳信号x（t）的傅里叶变换表达式为x（t）=αcosφ。这种分解方法对平稳信号是十分有效的。但当信号是不平稳信号时，可以用下式来表示其傅里叶变换：
x（t）=α（t）cosφ （1）
式（1）中振幅值和频率值都随时间变化（即模态函数，IMF），这就是不平稳信号的EMD分析结果表达式，它用IMF反映了所分析信号的特征，即不稳定性。对于一个数字信号来说，也同样可用EMD来分析，当对一个数字信号进行n阶分解后，可得到其n阶分解结果：
x（t）=c（t）+r（t）（2）
即信号被分解为n个模态函数c（t），n=1，2，…n和1个余量r（t），余量r（t）表示了原始信号中的变化趋势或为一个常数（无变化趋势）。
3 信号特征量提取及仿真验证
为了区分由短路电流造成的电流上升率和由振荡电流造成的电流上升率，采用EMD方法对采集到的电流进行分解，通过分解后的结果来提取二者的特征量。为了能将此种方法真正应用于实际的继电保护装置中，要求特征量的提取过程简单可靠，且特征要比较明显。对某直流牵引电网所采集到的，具有代表性的振荡电流波形和短路电流波形以及两种信号采用EMD分解后的波形一起表示在图2中。
图2 振荡电流和短路电流波形及EMD分解结果
比较图2中的波形能够看出，直流牵引电网的振荡电流和短路故障电流的波形模态差异明显，但用计算的方法来区分这两种波形并不容易。当将两种波形经EMD分解后，两种波形的特征则更加突显，基于分解后的波形区别两种波形变得十分容易。总结下来，其特征有两点：①振荡电流波形的IMF分量幅值大且多，而短路电流波形的IMF分量幅值少且小；②经EMD分解后，振荡电流波形的余量曲线斜率呈负数，表明振荡发生后，振荡电流整体减小的趋势；而短路电流的余量曲线斜率为正，表明了短路电流整体上升的趋势。采用将电流信号进行 EMD 分解后的余量斜率作为特征量，则可以准确而容易地识别直流牵引电网中振荡电流信号与短路故障电流信号。
为验证这种方法在各种情况下均能对振荡电流和短路电流进行很好的区分，仍取某地铁供电系统在距离继电保护安装处的1km，2km，3km 处发生短路时的仿真短路电流波形进行分析，经EMD分解后，提取3种波形的余量r（t）进行对比。分解的结果明显显示了各个短路电流的波形整体变大的趋势，在和振荡电流的EMD分解结果进行对比时，并不需要对其电流特征进行数量化。只需要对余量r（t）求斜率就可以进行比较，所以比较过程非常简单方便。其计算结果如表1所示。
表1 电流波形经EMD分解后余量r（t）的斜率计算结果
[电流波形
余量斜率][负荷振荡电流
-0.46][1km短路电流
4.19][2km短路电流
2.45][3km短路电流
1.79]
4 结论
由于直流牵引电网的振荡电流存在整体下降的趋势，导致其波形经过EMD分解后的余量r（t）斜率为负值，而短路电流的EMD分解后余量r（t）斜率为正值。因此可将斜率作为特征量区分振荡电流和短路电流，从而构成振荡闭锁装置。实用中，将振荡闭锁装置的整定值设置为0，当余量r（t）斜率为负值时闭锁di/dt-ΔI保护装置；当余量r（t）斜率为正值时，开放继电保护装置，然后按di/dt-ΔI的整定值判断是否需要继电保护动作，动作完成后，立刻再次闭锁保护装置。
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作者简介：
刘军（1976-），男，江苏淮阴人，江苏长天智远交通科技有限公司，主要研究方法为机电一体化。
交直流混合供电关键技术 篇4
由于直流电能自身的诸多优势,国内外学者对直流电能进行了深入探讨并希望其能在中低压供配电领域得到应用。国内外对交直流混合供用电的研究主要借鉴了多端直流网络和直流微网的相关概念,研究侧重于网架结构、电压等级等方面。美国对于交直流混合供用电的研究起步较早,弗吉尼亚理工大学CPES中心先后提出SBI(Sustainable Building Initiative) 和SBN(Sustainable Building and Nanogrids) 计划。其中,SBN方案考虑了DC 380 V和DC 48 V两种不同电压等级的直流母线供电和与交流电网的连接方式。北卡罗来纳大学提出以即插即用和能量路由器为特征的FREEDM系统结构,并设计了DC 400 V和AC 120 V的双母线供电方案。日本大阪大学提出 ±170 V双极直流母线供电方案,并通过电力电子设备进行电能形式转换和升降压以满足负荷需求。其他各国研究与美国和日本的研究类似,强调新能源的接入并采用不同电压等级母线[1]。我国对于交直流混合供配电的研究虽起步较晚,但已有部分研究成果。参考文献[2] 中提出了直流网络的并网方式及控制目标,并对电压分级网络进行仿真,但其只关注系统级协调,并未对各类设备的控制策略有所分析。参考文献[3] 研究了直流设备的输出特性,分析了直流供电的可行性。参考文献[4] 结合遗传算法等对混合配电网络进行了规划,但未考虑模型中风电与储能的协调配合。参考文献[5] 描述了直流电网建模与仿真中的难点,分析了现有潮流计算对于直流网络的局限性。
1 交直流混合供电关键技术
1.1 交直流混合供电网架结构
因分布式电源发电的随机性,直流供电网络不能长时间独立地提供高质量电能,需通过AC/DC接口由交流网络进行电压、功率支撑。按照交流网络对直流配网的供电支持程度,可将网络分为单端供电网络、双端供电网络和环形供电网络。以下通过图1 进行说明。
图1 中供电提供三种不同模式,分别对应单端、双端和环形供电三种不同网络架构。模式1 中各交流源不进行能量互联,供电给相对应的直流母线,构成单端辐射型供电网络;模式2 中( 以U1和U2为例),闭合开关S1,母线BUS2 所连接负载可由U1和U2进行双端供电,供电可靠性得到增强。当开关S1、S2、S3和S4都闭合时,电网进入环网运行状态,此时供电最为可靠,系统潮流也最为复杂。参考文献[6] 中介绍了深圳混合交直流供电示范工程。工程采用两端供电拓扑,分析了配网运行方式,但对运行效果和网内能源协调管理运行并无详细说明。
1.2 直流母线结构与母线电压等级
直流母线结构按照单双极母线分为单极母线结构和双极母线结构。单极母线结构简单,经济性较好但输电容量小且供电可靠性不高;双极母线结构为现今直流输电等领域最常使用的母线结构,其系统冗余度高,供电可靠,可为不同额定电压的设备直接进行可靠供电。当单双极母线结构系统输送容量相近似时,双极母线结构对于线路的绝缘要求较低。单双极两种母线结构对比如图2 所示。
除母线结构外,母线的电压等级也可按用电需求进行相应配置。如对小型家用电器,配置较低的母线即可,故在入户电压的选择中,也可采用不同电压等级的母线配置。两种电压等级的母线可构成分层母线。
由于直流配电缺乏相应标准,可参考国内外交直流混合配电方案和相关专业领域直流配电工程选取直流配电电压等级。美国相关方案选取的是400 V和48 V分层电压,中国电信集团企业标准采用240 V直流电压,其他方案采用的电压等级包括±170、750 V等。参考文献[7-8] 以模糊综合评估法,得出380 V电压等级为低压直流配电合理电压的结论。但在其评价中没有综合考虑负荷种类等因素,也没有考虑使用分层母线。
1.3 电源与设备接入直流母线方式
由于交直流混合供电接入直流母线的电源和设备种类繁多,因此接入直流母线的方式有很大不同。交流电网通过双向AC/DC装置连接直流母线,参考文献[9] 将其定义为PEI(Power Electronic Interface),并指出其可以关断,关断后直流配电网络则成为离网运行状态下的直流微网。分布式电能多种多样,光伏电池、燃料电池的接入需使用DC/DC变换器;风机产生交流电能,其接入直流母线需经过AC/DC和DC/DC两级设备。储能设备包括蓄电池和超级电容。蓄电池的作用主要是稳定直流电压,吸纳分布式电源所发出的多余电能;超级电容除储能作用外,还可利用其快速放电特性平抑直流母线电压突变。直流负荷主要包括家用电子类负荷和直流电机,接入直流母线同样需要使用DC/DC变换器。若负荷额定电压与直流母线相同,可省略此环节,电能损耗将进一步降低。交流负荷包括交流电机等,其接入直流母线需通过DC/AC逆变器。若交流负荷较多,也可在交流电源与PEI之间设置交流母线。
总结可知,不同电源和设备接入直流母线主要通过AC/DC和DC/DC装置。AC/DC和DC/DC装置作为能量接口,具有“即插即用”“、双向流动”的特点。
1.4 交直流混合供电网控制策略
参考多端直流输电和直流微网的相关控制方案,按照控制对象的不同,可将混合供电网网络层级划分为如下4 层:
(1) 大电网级控制。大电网控制主要协调交直流电网间的能量传输,使交流电网对直流电网的电压和功率进行有效支撑。其控制的主要对象是PEI。各类传感器将监测到的运行信息反馈给总控制器,以此方式来调节PEI的运行状态。
(2) 直流配网级控制。当PEI关断或交流网络因故障不能支持直流配网时,直流配网应进行自我调节:从离网暂态过程平滑过渡到满足电压、电流要求的稳态运行。如果不设计直流配网的离网运行状态,此层级也可忽略。
(3) 变流设备控制。变流装置中主要包含AC/DC和DC/DC设备,对其控制包括两方面:单个变流设备控制和多个变流设备的协调控制。对于PEI而言,正常运行状态下采用定电压控制策略稳定直流网内电压,以防止引起功率振荡。当负载功率变大而使PEI额定功率到达上限时,则切换为限流控制。当直流配网存在离网需求时,PEI关断。单个DC/DC的控制包括正常运行时的下垂控制和超过额定功率时的限流运行控制。多个变流设备的协调控制策略通常分为两类,即主从控制和对等控制策略。在主从控制中,主站通常选取有稳压能力的变流装置(如连接蓄电池的DC/DC设备),并且常采用“主站定电压,多站点下垂”的设计思路。进行不同位置的变流设备下垂时还应注意电压阈值的设定,以防止下垂区间交叉影响系统运行。对等控制因无主站,各变流器能独立运行因而可靠性高,更符合“即插即用”的特点。但各点独立下垂易造成电压乱序,影响功率流动。
(4) 换流阀控制。控制换流阀主要应用于电力电子领域的相关策略。对于AC/DC设备,常采用SPWM方式。对于DC/DC设备来说,可根据其具体结构选用PWM方式或简单的相控方式。对于风机和光伏发电,可结合最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking) 策略对换流阀进行控制或进行恒压调节。但需注意分布式电能与储能设备的合理配合。
1.5 交直流混合供电网保护控制
交直流混合供电网络的保护根据故障可能发生的位置、设备不同,可分为交流侧保护、变流器保护、直流线路保护和直流负荷及直流电源保护四种。图3 中所示 ±200 V双极母线结构已给出不同区域说明。
交流侧的保护主要针对交流母线、交流负荷、变压器及其馈线所可能发生的短路或断线故障。由于交流侧故障将影响直流侧的运行,故在交流保护设置时需注意与后级保护的相互配合。
变流器保护面向各类变流设备,因此保护需结合其运行方式。直流线路保护包括直流母线和连接负载、设备的直流馈线。在母线保护中还应选取合适的接地方式来构成安全可靠的运行系统。直流负荷及直流电源保护各类直流负荷和分布式直流电源,尤其在故障时需使直流电源退出或安全接入[10,11]。
在交直流混合供电系统中,除交流系统中常用的保护设备外,还应配有直流断路器等关键器件用以保护直流网络。在接地方式的选择上,参考文献[12] 比较了TT( 电源侧和用电设备外露导体直接接地)、IT( 电源侧采用小接地,设备外露导体直接接地)、TN( 电源侧直接接地,设备外壳经保护线与电源接地点相连而接地) 三种接地方式的优劣,并且指出TT方式性能最为有益。
2 结论及展望
住宅直流供电的可行性探讨 篇5
直流住宅是指在住宅中采用以太阳能为代表的清洁能源为家庭直接供电, 通过电能管理系统以及配置的蓄电池, 用直流电力直接驱动直流负载和家用电器。与常见的光伏发电系统相比, 直流住宅供电不需要通过逆变器与电网进行连接, 不仅减少交直流转换过程中的效率损失, 节约设备成本, 同时也可以减少电能在输电线上的损耗, 降低了散热设计要求。
图1直流住宅供电系统示意图
2 住宅中直流供配电的优势
(1) 线路成本低
直流微电网多采取就近发电、就近消费的理念。发配电均在本地完成, 只有很少的能源需要与附件的远端交换, 仅需要较小的电线就可以实现, 所需的建设费用少。
当交直流电有效值相同时, 交流电压的峰值比直流电压峰值大, 因此对电缆的绝缘强度要求也更严格, 所以直流电缆的成本也要低。
(2) 供电可靠性高
直流线路不存在频率稳定和无功功率等问题, 且直流微电网系统中, 本地均有蓄电池设备, 当主电网故障时, 本地供配电线路基本不受影响[2], 且可以有效解决电网调峰填谷等问题, 当处于用电高峰时还可以向电网逆流馈电, 从而为供电可靠性和供电质量保驾护航。
(3) 具有环保优势
直流微电网来源多是绿色可再生能源, 采集过程中没有噪音污染, 传输过程没有电磁干扰, 直流微电网可以大量减少变电设备 (如变压器、整流器等) 的使用, 减少原材料 (铜、橡胶等) 的消耗[2]。
(4) 节能减排
直流微电网采用清洁能源, 通过绿色可再生能源的利用来替代能源类资源的消耗。如:火力发电厂对煤矿等资源的消耗降低约22%, 从而减少了二氧化碳等污染物的排放。直流微电网给直流设备 (电脑、打印机、直流变频空调、LED照明、平板电视等) 供电时, 减少了交流到直流的转换 (AC-DC) 次数, 将转换过程中的能量损失从32%降至10%左右, 减少电能的运输与分配。
3 直流住宅供配电现状及发展趋势
目前, 直流住宅供配电技术主要处于实验室验证阶段, 已知报道的直流住宅示范样板主要为日本夏普公司, 但是对于供电电压等级均没有详细讨论。参考其他应用领域中已经成熟的直流供配电技术, 如在电力系统自动化调度系统中, 采用了220 VDC系统用作后备控制电源, 在飞机直流供配电中, 采用了270 VDC和28 VDC供电, 在部分IDC数据中心中, 采用了240 VDC或者380 VDC用作供电电源。
在上述的直流配电方案中, IDC与电厂的供电电源, 因负载类型较单一, 不如飞机的直流供配电方案更有借鉴作用。
随着国家对新能源产业的政策鼓励及资金支持, 直流发电占比将迅速上升, 随着家用电器直流化趋势越来越明显, 直流微电网将是解决新能源发电输配电及用电的最佳方案, 且将带动整个产业链的革命, 有着非常巨大的经济效益。
4 直流住宅项目面临的挑战
(1) 缺乏统一的直流住宅供配电网络架构;
(2) 缺乏直流住宅供配电标准规范;
(3) 缺乏统一的供配电电压标准;
(4) 缺乏直流插座插头标准及产品;
(5) 缺乏相应的专用直流家用电器产品。
5 直流住宅的供电电压选择标准
供电电压等级选择的原则要根据技术经济和建设发展综合论证选择确定, 要满足供电需要, 技术先进可行, 运行灵活可靠, 投资经济合理。具体考虑以下几个方面:
(1) 满足供电区域内对电力供应的需求, 并能适应一定时期内负荷密度的增长;
(2) 与未来的直流配电网的改造工作相结合, 便于整个配电网的发展, 保证运行灵活、安全可靠、质量合格、经济合理;
(3) 设备供应与制造技术上的可能性、可靠性和经济性;
(4) 尽量简化同一配电网内的电压等级, 减少变压层次;
(5) 建设与改造的投资最经济合理;
(6) 使用人员的安全, 电压越低, 使用越安全。
根据DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》, 直流系统标称电压控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统采用220 V或110 V, 在正常运行情况下, 直流母线电压应为直流系统标称电压的105% (115.5 V/231 V) 。在均衡充电运行情况下, 直流母线电压应满足如下要求:对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统, 应不高于直流系统标称电压的110%, 直流断路器的额定电压应大于或等于回路的最高工作电压。
参考飞机直流配电系统中采用270 VDC的参考电压值, 以及现有民用断路器分断电压等级, 一般为125 VDC/1P, 如果选择2P作为一个回路的分断, 则可以设定供电回路电压为220 VDC。其好处是, 经济性非常好, 与110 V比的电线用料, 相同功率下的发热量, 电压损失等, 与270 VDC相比的直流分断开关, 光伏控制器, 电池串联数量, 储电安全性等。
6 直流供配电网架构
在直流微电网研究中, 其供电网架构主要有两种:单极性双电压供配电网络;对称型双极性双电压供配电网络[1]。
图3双极性双电压供配电网络
考虑以后系统的承载能力及扩展性, 有必要考虑双极性双电压供配电网络架构, 在现有住宅铺设的L、N、PE三条线路不改变的情况下, 既可以满足现有电器设备使用, 又有一定的容量扩展性。
7 DC220 V电压供电的可能性探讨
从表1可以看出, 将交流220 V系统改成直流220 V系统的改动要求小, 部分负载可以直接使用, 经济性最高。
8 220 VDC供配电技术可行性
(1) 光伏电池
光伏电池的技术已经相当成熟, 可以大规模的串并联使用, 所以对于220 VDC系统, 典型的250 W多晶硅电池板需要串联的数量为9~10块, 占地面积约为16 m2, 相当容易实现。
(2) 光伏控制器
现有的离网光伏控制器成熟产品中, 其输出电压等级按照功率等级区分, 适用于住宅家庭供电的基本有48 V, 96 V, 110 V, 192 V, 220 V, 348 V等, 显然可以满足220 VDC系统使用。
(3) 电气设备及电气元件
电气分段设备中, 直流断路器基本以125 V为基准倍增, 250 V需要使用2P的断路器[5], 采用正负极同步分段即可实现, 与交流断路器差别不大, 且直流分断器件中, 其过载保护电流与现行交流过载保护电流等级相同, 规格齐全, 适合家用。在熔断器的选择中, 250 V也是一个常用规格。电路保护器件上可以满足220 VDC使用。
(4) 蓄电池
光伏离网蓄电池分为磷酸铁锂电池和铅酸胶体电池, 在铅酸电池中, 单电芯的电压为2 V/12 V, 220光伏系统中, 通常采用内部12 V电池做最小单元, 采用18节电池串联, 其额定电压216 V, 有效电压范围为189 V~243 V, 可以同时满足电气分断保护设备及光伏控制器的电压要求。
在磷酸铁锂蓄电池中, 单体电压约3.3 V, 相比铅酸电池而言串联数量更少, 稳定性更强。
(5) 电线电缆
采用220 V作为住宅直流供电额定电压, 则其峰值小于250 V, 按照现行的300 V/450 V绝缘要求, 可以直接使用。
(6) 插座插头
严格按照直流规定接线, 且配有过流保护设备, 插座的问题不大, 主要是需要与现有交流插座区分开, 以免烧坏电器设备。同理, 插头需与插座配合使用, 此外, 直流插座应为有严格的正负区分, 在插座插头的设计中, 需考虑防反插设计。
随着智能电网的发展, 未来的直流插座或者插头均可能带能源监测及管理功能, 将更方便直流供配电系统的系统能源管理[3]。
在低压直流配电网中, 常用的交流型多功能接线板和插头应用于直流电时, 接合与断开的瞬间会产生较大的电弧, 给用户带来了安全隐患。因此, 直流开关、直流插头和插座的研发, 是推动直流配电网普及应用的基础性工作。这是目前推广DC220 V供电系统最大的难点, 也是最大的商机。
(7) 家用电器
现有的很多电器设备其输入电压范围为85 V~260 Vac, 此类设备可以直接接入220 VDC系统[4], 对设备的长期使用也没有问题, 对于输入电压为220 Vac的电器设备, 需要区别对待, 有些设备可以直接使用, 有些设备需要DC/AC逆变才能够使用。
(8) 用电安全
现有交流供配电系统中, 用电安全主要通过接地保护来实现, 在直流配电系统中, 可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式;在220 VDC系统中, 暂时采用的方式是不接地方式[5], 其安全性可以留到后续验证。
9 结束语
低压输配电标准是一个庞大的系统工程, 牵涉到社会的各个层面。从电能输送容量上看, 供电电压越高越好, 从经济、安全及使用成熟度上分析, 220 V~250 V是一个比较合适的电压等级, 且使用该电压等级的样板住宅已经于2012年在笔者所在公司建成并实际应用, 经过长时间的测试, 其可靠性与经济性均有一定的可推广性。当然, 笔者学识有限, 考虑问题有欠全面。但从长远来看, 建立一个节能型社会将是一个永恒的话题。对于直流供电标准这样一个复杂问题, 越早考虑, 所需的成本将越小。因此, 笔者希望能在此抛砖引玉, 以引起更广泛的社会参与并最终推动标准的建立。
摘要：为了提高光伏发电等直流新能源的利用效率, 结合现有直流供配电技术及家用电器的发展现状及趋势, 提出了在住宅中采用直流供配电的方案、微电网系统架构及可能的供电电压等级, 并通过与现有交流220 V供配电系统的综合对比及试验验证, 证明了直流供配电在住宅中的可行性。
关键词：光伏发电,直流配电,智能电网,系统架构,供电电压等级,保护
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办公用光伏直流供电系统研究 篇6
在日常生活中,很多电器设备都是由直流供电或者可以转换为由直流供电的。随着这些设备的不断增加,直流供电的优势不断显现,人们开始重新关注直流供电的前景。在交流供电模式下,它们多使用适配器( AC/DC) 或充电器为其提供相应直流电压等级的电源,这样不仅增加了设备投入而且降低了电能的利用效率。太阳能光伏发电是一种将太阳能转化为直流电的发电方式,为了适应传统供电模式供电的需要,一般要将其逆变为交流电为负载供电。但是,随着直流负载的增多,我们完全可以直接利用光伏直流为其提供供电电压,这样就可以节省光伏逆变的硬件成本和电能损耗。文献[1]指出随着光伏发电等直流发电技术的发展,直流供电和直流负荷不断增多将是未来电力发展的一个方向。文献[2]说明了相对于交流供电而言直流供电可以大大减少用电设备交直流转换的次数,有利于减少电能损耗,提高电能的利用率,仅此一项就能减少10% - 20% 的能耗。文献[3]针对车载直流电源环境下笔记本供电设计了一种基于开关电源的DC/DC适配器,具有一定的实用性。
1 光伏发电的特点
光伏发电是分布式发电的一个重要发展环节,它的特点非常鲜明。从能源的角度来说,太阳能不仅总量巨大,取之不尽用之不竭,而且清洁环保,无污染; 从发电设备上来说,光伏发电设备由太阳能电池板、蓄电池、逆变器等静止模块构成,便于维护,而且不产生噪声; 从建设安装的角度来说,光伏发电设备规模可大可小,可就近安装,可以节省输配电设备,而且施工周期短,节省施工费用。
太阳能光伏发电依靠光伏电池把太阳能转化为电能,太阳能光伏电池的P - U( 功率- 电压) 输出特性见图1。
由图1 可以看出,光伏电池是一种直流电源。在不同的光照强度下,随着输出电压的变化,其输出功率是不断变化的,因此它是一种不稳定的直流电源。为了实现光伏并网和独立运行,我们一般要对其进行DC/DC变换,然后进行DC/AC逆变。在控制策略上一般采用最大功率( MPPT) 跟踪控制,使光伏电池工作在最大功率点附近［4］。最大功率跟踪( MPPT) 实质［5］上是一个动态自寻优过程,通过对当前输出功率与前一时刻功率的比较,舍小存大,再检测,再比较,周而复始,从而使得阵列动态工作在最大功率。目前常用的MPPT算法有定电压跟踪法( CVT) 、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制等算法［6］。
随着国家对太阳能光伏发电发展的大力支持,光伏建筑一体化正在快速发展。所谓光伏建筑一体化是指将光伏系统与建筑相结合,利用太阳能发电来提供建筑自身用电或并网为电网供电［7］。由于缺乏直流家用电器,在家庭中使用直流供电系统还有很长的路要走。但是在直流负荷集中的区域,如: 办公楼等场所,可以考虑采用光伏直流取代传统交流对直流负荷进行供电。
2 常用数码电器后级供电电路分析
不同的直流负载具有不同的供电电压的要求。下面我们将就笔记本电脑、台式电脑、手机、数码相机、MP3 等不同负载的供电电压要求进行分析。
2. 1 笔记本电脑的供电电压
通过对国内笔记本电脑市场占有率较高的联想、惠普、戴尔、宏基、华硕等品牌系列产品的适配器输出电压调查发现,绝大多数适配器的输出电压标示为18. 5 V、19 V或20 V,少数较旧或已经停产机型有16 V或15 V。
由于笔记本电脑为比较精密的设备,并且电脑内部各功能模块所需要的供电电压也有所不同,如CPU、显卡、DDR2 内存等模块供电电压一般为1. 2 V - 2 V、1 V、1. 8 V。
当笔记本电脑有适配器接入时,将通过适配器向系统供电,如果电池未满充则通过充电电路对电池充电,同电源控制电路相连的几个子模块都会从适配器获得供电电压,由于笔记本电脑各模块所需电压精度较高,同时需要较完善的保护,一般采用专用电源芯片对各模块提供精确电压及保护。其供电电路如图2所示［8］。
图2中各模块功能如下:充电控制电路的作用是对锂电池进行充电管理,对锂电池进行切换工作; 系统供电电路主要为主板上的控制、逻辑芯片提供工作电压,还可以作为待机电源; 芯片组供电电路则为笔记本电脑南北桥芯片提供电能; 内存供电控制芯片、显卡供电控制芯片、CPU供电电路主要为相应的供电模块提供合乎要求的电能。
经过对上述供电电路通常所采用的几十种控制芯片的调查发现,其所采用的芯片,以MAX系列芯片为主,此外还有LTC系列等,它们都具有很宽的输入电压范围,其最低工作电压都在8 V以下,最大工作电压都在25 V及以上,某些型号能达到36 V甚至更高。
调查还发现,笔记本电脑内部芯片一般都采用PWM脉波调制稳压,因此输入电压等级的变化不至于导致较大功耗的产生。而且笔记本电脑应用的电容器、MOSFET都有很高的耐压值,通常为几百伏。
结论: 笔记本的电源接口芯片通常具有很宽的电压输入范围,输入电压在一定范围内的差异一般不会影响其工作的稳定性。
2. 2 台式电脑后级供电电路
台式电脑主机一般采用专用开关电源供电,开关电源后级输出电压等级一般为+ 3. 3 V、+ 5 V、- 5V、+ 12 V、- 12 V、+5 VSB。 其供电结构框图如图3 所示。电脑液晶显示器内部也是由直流实现供电,其后级供电电压一般为+ 12 V。从以上分析来看,只要配备单输入、多输出DC / DC变换电路为台式电脑提供+ 3. 3 V、+ 5 V、- 5 V、+ 12 V、- 12 V直流电,则台式电脑可以使用直流供电。由于台式电脑内部很多器件需要一定的工作电流,特别是CPU,它通常工作在大电流电路状态［9］,因此+ 3. 3 V、+ 5 V、+ 12 V电源需提供较大供电电流。
2. 3 手机、数码相机、MP3 等后级供电电路
手机、数码相机和MP3 等可充电设备一般使用一块锂电池作为电源,锂电池的标称电压为3. 7 V,其工作电压范围一般为3. 0 V ~ 4. 2 V。
锂电池由于其活性强,能量密度高,对其有比较严格的充放电管理要求。大多数锂电池充电电路使用市面上带有充电管理的集成芯片,外加少量外围器件构成,。所采用集成芯片都具有一定的电压输入范围,如MAX886、MAX888,其输入电压范围为2. 7 V ~ 12 V［10］。以手机为例,其充供电框图如图4所示。
从以上分析和图4 可以发现,一般充电数码设备其内部都有电源管理芯片,其输入电压有一定的允许范围。这就为设计统一的DC/DC充电设备提供了便利。
3 办公用光伏直流网及其控制策略
基于以上分析,对于绝大多数笔记本电脑,可以考虑用同一个电压等级为其供电;对于手机、数码相机、MP3 等使用一节锂电池作为电源的可充电设备,亦可以设计通用的适配器为其供电。对于台式电脑等其他设备,其供电电压等级过于复杂,亦需要专门的DC/DC变换器。基于光伏发电的直流供电网设计图如图5所示。
如图5 所示,光伏直流的供电系统由光伏电池模块,蓄电池模块和作为备用的大电网共同组成。由于直流负载无需无功功率,因此直`流母线电压的大小与各模块提供的有功功率多少的变化趋势是一致的。
3. 1 PV模块控制策略
PV模块作为主模块为系统提供电能,通过DC / DC电路实现在稳压与MPPT模式之间的自动转换,当PV模块所提供的功率大于负荷功率时,PV模块供电稳定直流母线电压Udc N,同时经Boost-BUCK电路向蓄电池充电; 当PV模块不足以提供足够大的功率时,PV将通过对输出功率P和电压V的判定搜索最大功率点,使其工作在MPPT模式下,系统电能的缺额将由其它部分补给。其控制原理图如图6 所示。
3. 2 蓄电池模块控制策略
为了保证系统能量平衡,蓄电池控制电路应该能自动判断其应该工作在哪种工作状态( 充电和放电) ,同时又对蓄电池构成保护,防止其过充和过放。为此,我们对蓄电池采用了双向DC/DC Boost-BUCK电路进行控制。当电池满充时关闭BUCK充电电路,当电池达到放电最低电压时,关闭Boost供电电路。当电池处于这两者之间的状态时,则通过实时监测母线电压来确定控制电路的工作状态。当直流母线电压满足控制要求时,BUCK电路进入工作状态,充电电流电流参考值Ib － Lref为充电电路提供参考;当直流母线电压低于控制要求时,Boost电路进入工作状态,放电电流参考值Ib － Href为放电电路提供参考。其控制流程图如图7所示。
3. 3交直流变换器控制策略
为了增强直流系统的供电可靠性,本系统中还设有联接直流母线和交流电网的AC / DC变换器。当直流系统电能不足时,由交流电网逆变向系统供电,维持直流母线电压稳定。其控制流程图如图8 所示。
3. 4 逆变器控制策略
为了兼顾对交流系统的供电,该系统设置了直流- 交流逆变环节。 可以在能量充足的情况下不依赖交流大电网,独立提供电能对交流负荷供电。其控制流程图如图9所示。
3. 5 直流母线电控制策略压
综上所述,本文所述光伏直流系统中包含PV模块、蓄电池模块、AC/DC模块和逆变模块,其中PV模块、蓄电池模块和AC/DC模块根据能量平衡原理,在负荷功率不同的情况下协调工作维持直流母线电压稳定。其在不同情况下的工作状态如下:
( 1) 当光照充足时,PV模块作为主供电模块向系统提供电压支持,维持母线电压稳定,电能由母线流向系统负荷及蓄电池,AC / DC模块处于关断状态;
( 2) PV模块供能不足时,蓄电池首先检测到母线电压下降,如果其不处于欠压状态,则Boost电路启动工作,由PV和蓄电池共同维持母线电压稳定,此时PV工作在MPPT状态,AC/DC模块关断。
( 3) 当PV模块和蓄电池不能为系统提供足够的电能时,AC / DC检测到母线电压下降启动,此时由这三模块协调工作共同维持母线电压稳定。
图7 中,直流母线额定电压为360 V,当对于对电压要求比较低的负荷,如: LED灯,可以通过直流母线直接对其供电,而对于电脑等网络设备,由于其对供电系统的要求比较苛刻,要求供电系统提供高质量的电源［11］,因此,即时直流母线电压等级合适也不建议直接供电,最好通过专门的稳压器或DC/DC变换器对其供电。
4 样机实验结果
本文所述系统基于MATLAB下建立了仿真模型,并开发出了样机( 见图10) 。样机分为太阳能光伏板、控制板、功率板和蓄电池组四个部分。太阳能光伏板的最大输出功率为6. 4k W,四组并联,实验时采用了其中一组,因此其最大输出功率为1. 6k W,其开路电压随光照的不同在250 V左右上下波动; 控制板采用TMS320F28335作为主控芯片; 功率板的IPM模块采用三菱公司的PM75B4LB060; 蓄电池采用松下LC--P12100ST( 12 V100A / H) 十块串联,因此其正常电压波动范围为120 V -138 V,实验时,采用了大功率放电电阻作为放电负载。
图11 所示为光照充足,PV模块作为主供电单元,稳定直流母线电压,同时向系统供电时,母线电压波形,PV模块电流波形、蓄电池充电电流波形和逆变模块输出的交流电流波形。由图11可见,直流母线电压能够稳定在360V,上下波动不大(3.9 V),光伏电池能够比较平稳的输出电流(此状态下其功率大约为1.2 k W),蓄电池能够获得比较平稳的充电电流(由于设置蓄电池放电电流为正方向,因此充电显示为负值),交流模块也能够输出平稳的交流电流。
图 11 直流母线电压、PV 模块电流、蓄电池充电电流波形和逆变器输出的交流电流波形
本样机通过DC/DC模块对LED灯,笔记本电脑等的供电作了测试,实验证明,只要电压符合要求,能够实现相应负载的平稳工作。
5 结束语
本文通过对日常办公用直流负载的供电系统研究,结合开发的仿真模型和样机实际验证,说明通过直流系统直接对这些负载供电具有较高的可行性。样机系统设计合理,能够实现直流电压的稳定,能够输出稳定的直流电流和交流电流,在直流负载比较集中的办公场所使用,有望提高电能的使用效率,具有较高的实用价值。
摘要：对办公场所常用电子设备笔记本电脑、台式电脑、手机和数码相机后级供电电路的结构进行了研究,分析了其使用直流供电取代交流供电的优点和可行性。在此基础上,提出了一种由光伏电池、蓄电池、AC/DC模块、DC/AC模块和直流负载组成的直流供电系统。光伏电池作为主供电单元通过直流稳压电路与直流母线相连,通过实时调节其输出功率,可以维持母线电压稳定;蓄电池模块通过双向Boost-BUCK电路与直流母线连接,可以根据母线电压的变化实时进行充放电控制;AC/DC模块作为备用与直流母线相连接,可以实时检测母线电压变化,决定其是否启动;DC/AC模块可以对一般的交流负荷供电;直流负载多通过DC/DC变换器与母线连接吸收电能。
用于同轴电缆的直流供电偏置器 篇7
T型偏置器可以使直流电输入到射频馈线的中心导体上或是从馈线中输出。它可以用来给远程射频开关、 前置放大器和天线调谐器提供直流电源,从而不使用其他的直流电缆。图1展示了一个典型的应用,两个偏置器给遥控天调供电。正如你所看到的,偏置器的作用就是在同轴电缆上纯属直流电力。
设计思路
一个直流射频隔离电感在携带所需直流电流时,必须要高电抗。同样,Q值也必高到使电感功耗最小化,从而减少射频信号的损失。
我用我的Array Solutions AIMuhf矢量网络分析仪来测量了大量的电感器,发现大多数都是在短波段频谱的多个共振,要么就是对于所需效率来说Q值太低了。我最终选定J. W. Miller 40μH电感, 典型工作电流3A,谐振于145MHz。图2是测量的电感数据。RP,橙色曲线,是电感的有限并联电阻,它与Q值有关。射频功率会在电阻之间消耗,正如你所看到的,RP值还是很高。
我把RP在不同业余无线电波段时的值列在表1。 在1500W时我计算了电感功耗( 在1500W和50Ω 阻抗, V2=7500,PD=V2/ RP)。对于典型的低占空比SSB或CW操作, 功率消耗将是图中所示的25% 到30%。
然后开始制作偏置器。 我的第一 个偏置器 电路在6米波段的SWR(6米的SWR比为1:2:1)。SWR随频率降低,2米波段的驻波比为1:7:1,所以我决定看看是否能提高偏执器在更高频率的性能。
无损传输 线可以根 据Z0= (L/C)1/2提供的特性阻抗建模成无限的串联电感和并联电容(如图3)。
像偏置器一样的有线组装往往是感应的,除非使用良好的传输线。经过AIMuhf测量数据表明组装后的偏执器确实是感应的。当Z0=(L /C)1/2时,增加的串联电感可以通过增加并联电容补偿。通过一个小实验我发现,穿过输入和输出的6.8p F电容可以显著地改善性能。如图4所示,SWR小于1.05:1时上升到50MHz,在2米时小于1.1:1,在220MHz时小于1.2:1。
组装
我从一家家居用品店买了一个廉价的户外电铸铝盒,把偏置器安装在里面。图5展示了盖子上洞的位置,这样可以确保连接器和组件不影响内盖安装支架。为直流和射频连接器孔我用了一个阶梯钻头。
C1, C2:6.8 pF, 1kV 电容器 C3-C6:0.01μF, 1k V 电容器 J1, J2:SO-239 UHF 同轴插座 J3:机箱连接器,直流电源 L1:40μH, 3A 电感器 , J.W. Miller 5240-RC MOV:Metal-oxide 变阻器,18V 直流 R1:10k, 1 ⁄ 4 W 电阻器:Reddot S100E 金属箱盖:Reddot S340E-R
钻了直径为5/8英寸的孔后,我把UHF接头放进去,用超精细的间距记号标记位置为 #4 (1/8英寸 ) 安装洞,然后在这些安装洞中心打孔。
完整的零件清单和示意图如图6所示。所有的零件都安装在插座箱盖。安装的硬件是不锈钢,方便户外使用(盖子带有一个防水垫圈)。 三个0.01μF,1k V的并联电容器,用这个电容不是因为它的额定电压高,几乎没有任何射频
电压在它们上。选择他们的原因是大型电容器有能力处理更大的功耗,是由于在业余电台执照限制操作下大约有5.5ARMS射频电流穿过它们。在电流进 / 出一面,金属氧化物压敏电阻 (MOV) 在超过18伏电流时为电压提供瞬间保护,0.01μF电容器提供RF旁路。我加入一个10kΩ 的电阻来提供恒定直流接地。
总结
牵引供电系统直流侧短路故障分析 篇8
近年来, 我国经济飞速发展, 城市化进程逐步加快。城市轨道交通在节约空间、客运质量、节约能源、空气质量、景观质量等方面有显著的优势, 逐步成为许多城市交通发展的首选。
目前, 我国城市轨道交通系统普遍采用DC750V或DC1500V供电, 直流牵引供电系统是城市轨道交通系统重要组成部分。牵引供电系统直流侧易出现短路故障, 短路电流过高, 对城市轨道交通系统的安全运营造成严重的影响。所以就城市轨道交通系统的安全运行而言, 研究牵引供电系统直流侧短路故障具有十分显著的现实意义。
直流牵引供电系统
在直流牵引供电系统中, 高压交流电通过牵引变电所变成机车运行所需的低压直流电。低压直流电在接触网上传输, 机车通过受流器与接触网接触而获得电能。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网构成。牵引供电系统结构示意图如图1所示。
牵引变电所通过接触网向机车供电, 电流驱动机车运行后经走行轨返回变电站负极。在实际运行中, 牵引供电系统直流侧易出现短路故障, 会对系统运行造成影响。
直流侧短路故障分析
城市轨道交通系统中, 牵引供电系统直流侧短路故障主要有正极对负极短路与正极对地短路两种类型。正极对负极短路指的是接触网对走行钢轨短路, 正极对地短路指的是接触网对地短路。
正极对地短路故障
直流牵引供电系统中, 直流供电设备除了采用对地绝缘安装方式外, 在设备金属外壳与地之间还需设置直流框架泄漏保护。当供电设备的电流泄漏到设备柜体上时, 牵引变电所正极与设备柜体外壳发生短路, 形成牵引网正极对地短路故障。另外, 使用接触轨 (第三轨) 馈电方式系统运行中后期, 绝缘支座发生绝缘老化等情况, 会造成接触轨与地发生短路故障。此外, 对于高架段接触网, 由于这段线路接触网是露天的, 在雷雨天气, 雷击可能会造成接触网绝缘部件闪络放电, 造成接触网与架空地线短路, 即正极对地短路。正极对地短路故障示意图如图2所示。
正极对走行轨短路故障
正极对走行轨短路, 即馈电接触网对走行轨短路, 主要是由机车故障等外部原因引起的。接触网对走行轨发生短路故障时, 短路电流随短路故障点离牵引变电所的距离不同, 表现出的特性有很大不同。当离牵引变电所较近处发生短路故障时, 线路中产生的冲击电流会很大, 且短路电流上升变化率很大;随着短路故障点离牵引变电所越来越远, 短路电流曲线近似于指数函数曲线, 且电流上升变化率较小, 电流幅值也较小, 这个过程的电流情况一般与多机车同时取流时相似, 这就造成实际运行中远端发生短路故障时难以区分短路电流与机车启动电流的情况, 造成短路故障修复的延时。接触网对走行轨短路示意图如图3所示。
直流侧短路故障电流仿真
牵引供电系统直流侧发生短路故障时, 接触网上出现的短路电流由该供电区间上的所有牵引变电所提供, 其中, 短路故障点所在区间的2个牵引变电所馈给电流最大, 其次是离短路故障点所在区间两侧较近的2个牵引变电所。
牵引供电系统直流侧供电模型
搭建模型的过程中, 由于短路故障发生是瞬时的, 导致电流变化率很大。由于暂态参数的存在, 系统中必然会出现一个暂态的过程。根据文献和文献选取模型中的基本参数。
走行轨对地模型如图4所示。
直流侧短路故障电流仿真
在Matlab/Simulink仿真环境下, 搭建牵引供电系统直流侧短路故障仿真模型。仿真模型中主要参数设置如下:走行轨单位内阻为30 mΩ/km, 走行轨单位内电感为1.75m H/km;接触网单位电阻为28 mΩ/km, 接触网单位内电感为2.6m H/km;走行轨对地过渡电阻取3Ω⋅km, 小电阻Rf取0.001Ω。
当0.1s时距离变电所A 500m、1000m、1.5km处发生短路故障时, 牵引所A、B侧的短路电流波形如图5~7所示。
通过搭建模型与仿真, 得到直流侧短路故障电流波形。根据短路电流波形可知, 当供电区间发生短路故障时, 线路上会产生很大的暂态电流, 短路电流上升变化率很大, 短路电流稳态值也很大;随着短路故障发生点离相邻变电所越来越远, 短路电流上升变化率随之减小, 短路电流稳态值也逐渐减小。此外, 当短路故障点离两侧牵引所的距离相近时, 两侧牵引所的电流波形也相近。
总结
本文首先对城市轨道交通牵引供电系统直流侧短路故障类型进行分析, 在该基础上, 利用Matlab/Simulink软件建立了直流侧短路故障电流的仿真模型, 进而分析了短路故障电流与故障发生点所在位置的关系。
直流供电 篇9
电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而产生。同电力系统的安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前,它更是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础,是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段,是电力系统的重要基础设施。
通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分,其设计目标和核心是安全、可靠、高效、不间断地向通信设备提供能源,满足并保证整个通信网的正常运行。在通信行业,人们通常把电源比喻为通信系统的“心脏”。
电力通信电源系统的基本技术要求是可靠性和稳定性。通信设备发生故障影响面交小,是局部性的,但是如果通信电源系统发生故障,通信系统将全部中断。市电要求有双路或多路输入,交流和直流互为备用。通信设备对电源系统技术要求是:防雷措施完善,设备允许的交流输入电压波动范围大,多重备用系统以防止电源系统发生电源完全中断。
近年来,电力电源设备故障造成的通信系统事故时有发生,严重的影响到电力生产安全。影响系统可靠供电的因素众多,诸如小动物危害、雷电破坏等外部因素,也有机房温度、空气湿度,布线连接、设备运行状况等内部因素。为了增加电力通信电源供电的可靠性,采取双路电源直流供电方式供电成为一种行之有效的可靠方式。“国家电网十八项反事故措施”中明确规定:直接影响电网安全稳定运行的同一条线路的两套继电保护和同一系统的两套安全自动装置应配置两套独立的通信设备,并分别由两套独立的通信电源供电,两套通信设备和通信电源在物理上应完全隔离。
2双电源直流供电方式的切换
2.1常见双电源配置方式
目前电力系统常见双电源配置方案主要有两种。其中直流电源设备配置均为两套,蓄电池组配置方式有两种情况:1)每套电源带2组蓄电池;2)每套电源带1组蓄电池。实际应用中,上述后一类方式较为常见。在这种运行方式下,为实现两路电源互为备用,通常在接线配置需要加装联络开关。
2.2双电源配置供电方式存在的问题
目前大部分通信设备都支持双路输入供电方式。通常的安装方式也都是按照双路输入供电方式安装接线。对于一般的通信站点,规程、规范未强调两路电源系统间必需实现物理隔离,因此不存在问题。但对于传输重要保护信息的通信站,由于存在通信设备内部的双路供电合路装置,重严格意义上来说,按此种方式供电,不满足两路电源系统之间的物理隔离。因此,对于通信设备双重化已经配置到位的通信站,应当按照一套通信设备只接一路电源的方式供电,能完全满足物理隔离的要求。但同时存在另一个问题,并非所有通信站的所有设备都是双重配置的,这样对于那些未配置双重设备的系统而言,仅有一路电源供电,可靠性不高。同时有不少老旧设备不支持双路输入供电功能,使用中只能接入一路电源,无法实现双电源供电。是否存在一种合适的解决方案:在两套电源系统之间装设联络装置,实现同时为双电源输入设备和单电源输入设备同时提供两路直流电源供电。
2.3通信电源智能切换解决方案
采用双电源直流切换柜是一个有效的解决方式。双电源切换柜接收两路直流输入,经过多路分路馈出。系统原理如图1所示,两路输入可以随时同时接入而不会形成充放电回路。两路输入经断路器后建立两段母线,每个分路输出均各自从两路母线,经分路断路器和隔离保护二极管后再汇合输出。
2.4双路直流切换柜的功能特点
1)监控装置实时监测两路直流输入的电压和电流值,在它们超出设定范围时给出告2)监控装置实时监视两路直流输入断路器和馈出分路断路器的状态,在它们分闸时出告警(馈出分路断路器分闸告警可屏蔽)。3)通讯口、模拟量通道、开关量通道采用隔离技术,微处理器得到精心呵护,符合等级抗扰度国际标准,系统工作稳定可靠。4)监控装置具有数字电位器功能,方便用户现场进行参数校准。
5)监控装置具有RS232接口和RS485接口,可随意选择CDT、RTU、MODBUS、IEC10四种通讯规约与上位机通讯。
3双电源直流供电的监控
3.1通信电源监控的意义
通信电源系统是通信系统的心脏,在局、站中具有不可比拟的地位。为提高劳动生产率、实现机房无人值守,供电网络的监测和早期的预警就显得尤为重要,这也决定了通信电源监控系统必须是实时性、准确性、快速响应性都很高的大型分布式网络系统。它必须具有“三遥”的基本功能,数据的存储及处理(包括各种报表)、告警的查询分析和统计等功能也必不可少。
通信电源集中监控技术在通信电源的应用,标志着通信电源的维护和管理从人工看守式的维护管理模式向计算机集中监控和管理模式转换,其目的:
1)与通信技术发展相适应,提高对通信电源设备的维护管理水平;2)提高通信电源供电质量,使供电系统有更高的可靠性和经济性;3)充分发挥计算机技术优势,使电源设备管理向自动化、智能化方向发展;4)实现通信电源设备少人、无人值守;5)提高维护效率,降低维护成本。
3.2通信电源监控的组成少。
基本的触摸式智能直流配电监控系统由监控装置(监控系统主机)和综合监测单元(监控系统从机)组成,它们之间通过内部RS485总线连接,满足用户开放式组屏的习惯需求。也可以通过扩展多始综合监测单元,支路电流检测单元等产品,以构成功能更强的一体化智能直流监控系统。系统结构框图如图所示。
3.3监控系统主要功能特点
智能直流配电监控系统应采用标准的网络机柜结构,使配电系统能很好的融合到机房环境中,提升配电系统档次,改变配电系统形状与众不同,需要隐蔽放置的现状。能精确地测量配电系统各项参数,包括进线电压、进线电流、开关状态等电源参数,具备全面的电源管理功能,将配电系统完全纳入机房监控系统,监测各支路的状态,并能通过远程通信,能实现机房的集中监控。多项监测参数和各报警信息均可同时显示于同一监控画面中,为管理人员全面而快速地了解各运行参数提供便利。
4 结论
重要通信站点按照双路直流电源供电方式配置运行，是技术与规范要求的必然结果。在符合规范的前提下，采取双电源直流切换技术，可同时兼顾各类不同站点、设备对电源系统的要求。进一步提高电源系统运行的稳定性、可靠性。通信直流电源监控系统的应用将极大的改善通信站电源系统运行质量，提升维护、管理的便利性、可靠性。
参考文献
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