文 章

（國網(wǎng)株洲供電公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

近年來，通過對變電站通信設(shè)備故障原因統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，通信電源系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致變電站通信設(shè)備故障的比例達(dá)到20%。隨著智能變電站建設(shè)的進(jìn)一步深化和無人值守變電站的進(jìn)一步普及，對通信電源穩(wěn)定性的要求越來越高[1]。

1 可靠性基本原理

電力通信電源系統(tǒng)由交流輸入、整流器、蓄電池組、直流分配單元等部分組成，其穩(wěn)定性由各個部分共同保證，可靠性能夠進(jìn)行數(shù)值量化表示[2]。

1.1 工作可靠度

將設(shè)備在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率表示為可靠度[3]。可靠度的函數(shù)表示為：

式中，R(t1,t2)表示設(shè)備的可靠度，R(t1,t2)∈[0,1]；Ns(t1,t2)表示實(shí)驗(yàn)設(shè)備在(t1,t2)運(yùn)行時間內(nèi)未發(fā)生故障的設(shè)備臺數(shù)；N0(t1,t2)表示實(shí)驗(yàn)設(shè)備的總數(shù)。

1.2 瞬時失效率

實(shí)驗(yàn)設(shè)備達(dá)到運(yùn)行時間t后的單位時間內(nèi)發(fā)生故障的設(shè)備數(shù)量與運(yùn)行時間t內(nèi)正常設(shè)備數(shù)量的比值為瞬時失效率[4]。瞬時失效率表示為：

式中，η(t)表示設(shè)備的瞬時失效率；N0表示試驗(yàn)設(shè)備數(shù)量；R(t)表示工作可靠度；表示從t時刻到t+Δt時刻發(fā)生故障的設(shè)備數(shù)量；表示單位時間失效率，N0R(t)表示t時刻內(nèi)正常運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量。

將式（2）寫成微分形式為：

瞬時失效率η(t)可以表示為時間t的函數(shù)。以瞬時失效率η(t)為縱軸，時間t為橫軸畫出一條故障率曲線，可將設(shè)備故障期分成以下3個時期。

（1）早期故障時期。這個時期發(fā)生故障的原因在于設(shè)備本身質(zhì)量問題或者加工過程工藝不達(dá)標(biāo)、配件不合格等。

（2）偶發(fā)故障時期。這個時期是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的時期，故障率在數(shù)值上不會發(fā)生較大的變化[5]。

（3）磨損故障時期。這個時期發(fā)生故障的原因可以歸結(jié)成為設(shè)備長時間使用、設(shè)備老化、機(jī)器磨損等。

設(shè)備在偶發(fā)故障時期的瞬時失效率η(t)與運(yùn)行時間t幾乎無關(guān)，可以近似將其表示為一個很小的常數(shù)η，那么可靠度就能表示為：

平均失效率表示在時間段（t1,t2）內(nèi)瞬時失效率的均值，即表示為：

式中，η（t1,t2）表示時間段（t1,t2）內(nèi)的平均失效率。

1.3 設(shè)備的使用壽命與設(shè)備平均維修時間

根據(jù)可靠度的定義，設(shè)備在t時刻內(nèi)正常運(yùn)行的概率為R(t)，那么設(shè)備的壽命可以表示為：

式中，T表示設(shè)備的使用壽命。

如果設(shè)備發(fā)生故障后無法修復(fù)，那么設(shè)備的使用壽命T稱為失效前運(yùn)行時間tMTTF；如果設(shè)備修復(fù)后可正常運(yùn)行，那么設(shè)備的使用壽命T稱為失效間隔時間tMTBF[6]。針對故障可修復(fù)的設(shè)備，其恢復(fù)前時間表示為tMTTR。

1.4 穩(wěn)態(tài)可用度

穩(wěn)態(tài)條件下，設(shè)備的穩(wěn)態(tài)可用度表示為：

式中，A表示設(shè)備的穩(wěn)態(tài)可用度；tMDT表示設(shè)備故障時間；tMUT表示設(shè)備正常運(yùn)行時間。

設(shè)備的不可用度U就表示為：

2 電力通信設(shè)備電源系統(tǒng)穩(wěn)定性估算

以交流110 kV變電站典型通信電源系統(tǒng)為例，其對于通信電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算，需要依據(jù)構(gòu)成該系統(tǒng)的各個部件的設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行綜合性估算。一般而言，110 kV變電站典型通信設(shè)備電源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型通信電源系統(tǒng)

根據(jù)變電站運(yùn)行規(guī)程的規(guī)定，二類市電每年的不可用度小于3×10-2，故障中斷時長小于6 h。在15年使用時間內(nèi)，交流分配屏的失效時間間隔大于5×105h，交流配電設(shè)備的不可用度小于2×10-6；直流配電屏的失效間隔時間大于106h，直流配電設(shè)備的不可用度小于1×10-6；高頻開關(guān)整流器的失效間隔時間大于5×104h，不可用度小于6.6×10-6；閥控式密封鉛酸蓄電池組的失效間隔時間大于3.5×105h，不可用度小于3.43×10-5。

2.1 交流部分的可靠性估算

根據(jù)二類市電的年不可用度，結(jié)合圖1所示的典型通信電源系統(tǒng)，兩路二類市電的不可用度為：

式中，Um表示兩路并聯(lián)市電的不可用度；Um1表示市電1的不可用度；Um2表示市電2的不可用度。

圖1所示的典型通信電源系統(tǒng)中，交流部分不可度性為：

式中，Uac表示典型通信系統(tǒng)交流部分不可用度；Um表示兩路交流市電的不可用度；Uj表示交流分配屏的不可用度。

由此計(jì)算交流輸入部分的恢復(fù)前時間tMTTRac為：

2.2 高頻開關(guān)整流器之前的設(shè)備可靠性估算

一般而言，為滿足通信設(shè)備負(fù)載要求，110 kV變電站的高頻開關(guān)電源柜中配置了4臺整流器，并聯(lián)形式接入系統(tǒng)，其不可用度為：

式中，Uzs表示4臺整流器的不可用度。

單個整流器的失效間隔時間為5×104h，那么其恢復(fù)前時間為：

由于4臺整流器并聯(lián)，那么

式中，tMTTRzs'表示4臺整流器的故障恢復(fù)前時間。

高頻開關(guān)整流器以前設(shè)備的不可用度為：

式中，Uaz表示高頻開關(guān)整流器以前設(shè)備的不可用度；Uac表示典型通信系統(tǒng)交流部分不可用度。

那么：

式中，tMTTRaz表示高頻開關(guān)整流器以前的設(shè)備故障恢復(fù)前時間。

2.3 蓄電池組可靠性估算

蓄電池組放電時，可靠性估算為：

式中，Udc表示有蓄電池組供電系統(tǒng)的不可用度；Ub表示蓄電池組的不可用度；tMTTRs為與蓄電池組并聯(lián)系統(tǒng)的平均恢復(fù)時間。

由于直流配電屏與其之前的電路是串聯(lián)形式，那么圖1所示的典型通信電源系統(tǒng)的不可用度為：

3 提高通信電源系統(tǒng)可靠性的思考

3.1 降低設(shè)備早期故障時期的思考

在這一時期，設(shè)備發(fā)生故障的主要表現(xiàn)為無法正常運(yùn)行、運(yùn)行不穩(wěn)定、開關(guān)電源模塊的交流輸入濾波電容耐壓不合格等。對于這一時期，解決設(shè)備早期故障率高的關(guān)鍵在于設(shè)備生產(chǎn)廠家要嚴(yán)格操作規(guī)程，加強(qiáng)對原材料、半成品及配件的檢驗(yàn)和質(zhì)量把關(guān)，進(jìn)行工藝優(yōu)化，及時處理設(shè)備故障的質(zhì)量反饋意見，找出產(chǎn)生故障的根本原因并及時解決。

3.2 提高設(shè)備可靠性指標(biāo)

偶發(fā)故障時期是設(shè)備運(yùn)行的最佳狀態(tài)期，電源系統(tǒng)的運(yùn)行壽命主要取決于這一段時間。失效間隔時間越長的設(shè)備其故障運(yùn)行率越小，因此在采購設(shè)備時需要將失效間隔作為主要的質(zhì)量考核指標(biāo)。同時，根據(jù)工作可靠度R(t)，設(shè)備的可靠性會隨著設(shè)備的運(yùn)行使用時間的增加呈現(xiàn)指數(shù)下降的情況。在設(shè)備運(yùn)行的中后期，運(yùn)維人員需要加強(qiáng)設(shè)備的例行維護(hù)，做到故障及時發(fā)現(xiàn)、及時處置。

3.3 優(yōu)化通信電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了增加通信電源系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)時可分為串并聯(lián)電路、串聯(lián)電路、并聯(lián)電路以及備用電路[7]。重要的光傳輸設(shè)備，如同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）設(shè)備一般采用主備用電源進(jìn)行供電，要求更高的光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）設(shè)備則使用了3路不同的電源對設(shè)備進(jìn)行供電。

串聯(lián)電路的任一組成部分的工作可靠度R(t)均小于1，也就意味著串聯(lián)的設(shè)備越多，系統(tǒng)的可靠性就會越低。因此，減少通信電源系統(tǒng)的串聯(lián)電路可以提高整個系統(tǒng)的可靠性[8]。

當(dāng)一個單一設(shè)備的工作可靠度R(t)無法達(dá)到預(yù)期時，就可以使用并聯(lián)電路提升系統(tǒng)的整體可靠性。

對于備用供電系統(tǒng)而言，常見變電站中的通信設(shè)備電源一般取自與兩路不同的直（交）流供電設(shè)備，其關(guān)鍵在于多組完全獨(dú)立的供電系統(tǒng)之間切換裝置的可靠性。

3.4 加強(qiáng)已投運(yùn)設(shè)備的隱患排查

變電站建設(shè)時期，根據(jù)工程建設(shè)情況核查項(xiàng)目設(shè)計(jì)、技術(shù)規(guī)范書是否符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需全面核查驗(yàn)收質(zhì)量，核查驗(yàn)收是否嚴(yán)格規(guī)范，設(shè)備是否帶傷上線運(yùn)行。

對于已運(yùn)行的變電站，對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，全面梳理當(dāng)前通信電源現(xiàn)狀，包含且不限于電源系統(tǒng)組成、接線方式以及運(yùn)行方式[9]。核查整流容量、蓄電池容量是否滿足規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求，線徑是否滿足運(yùn)行要求，直流部分是否使用交流空開（熔斷器），通信蓄電池充放電測試、交流供電切換等運(yùn)維工作是否按規(guī)程定期開展，蓄電池實(shí)測容量是否滿足運(yùn)行要求。與此同時，核查通信電源是否接入動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通信電源運(yùn)行狀態(tài)及告警信息是否實(shí)時傳送到24 h通信專業(yè)有人值班場所，動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和告警信息是否準(zhǔn)確、完整，動環(huán)采集裝置供電是否可靠[10]。

4 結(jié) 論

提升通信電源系統(tǒng)的可靠性貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)全生命周期，作為運(yùn)維人員需要注意設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的各種異常情況，及時干預(yù)，避免設(shè)備不正常運(yùn)行。本文分析了變電站通信電源系統(tǒng)的可靠性基本原理，在此基礎(chǔ)上結(jié)合典型110 kV變電站通信電源系統(tǒng)估算出設(shè)備的供電可靠性，最后根據(jù)變電站的運(yùn)維實(shí)際提出提高通信電源系統(tǒng)可靠性的思考。