計算機(jī)及通信設(shè)備直流供電方式

許繼東

（國網(wǎng)吉林東豐縣供電公司，吉林 遼源136300）

1 逆變電源供電方式存在的問題

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠、變電站、換流站、開關(guān)站等廠站端普遍配置有容量較大的由蓄電池組成的220 V直流電源，直流電源主要給繼電保護(hù)裝置、安全自動裝置和遠(yuǎn)方測控裝置供電。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，35 kV、66 kV、110 kV 變電站數(shù)量眾多，在這類廠站通常配置有就地監(jiān)控計算機(jī)一臺、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通信設(shè)備一套以及五防計算機(jī)一臺。為了保證各類實時監(jiān)控系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，在新建、技改工程典型設(shè)計中，要求這些廠站有關(guān)計算機(jī)及通信設(shè)備采用由直流電源經(jīng)過逆變后得到的交流電源。

為計算機(jī)及通信設(shè)備配套的逆變電源設(shè)備通常需要單獨(dú)組屏，占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高。逆變電源投運(yùn)后在維護(hù)方面存在工作量和費(fèi)用。另外逆變電源在運(yùn)行時會發(fā)出熱量，從而降低了直流電源轉(zhuǎn)換效率。例如某2 kVA 逆變電源，測試時將其內(nèi)置的兩個散熱風(fēng)扇插頭拔下，帶360 W負(fù)載運(yùn)行5 h后發(fā)生熱保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象，機(jī)殼幾處溫度較高。

2 計算機(jī)及通信設(shè)備中的電源電路

與線性電源相比，開關(guān)電源由于具有效率高、體積小、重量輕、成本低等突出優(yōu)勢，因此目前計算機(jī)及通信設(shè)備中的電源部分都普遍采用開關(guān)電源。開關(guān)電源有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1所示是一種隔離式、反激式、PWM（pulse-width modulation，脈寬調(diào)制）式開關(guān)電源的基本電路，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在計算機(jī)及通信設(shè)備電源中應(yīng)用極為普遍。圖中220 V 交流輸入電壓Ui經(jīng)過硅橋DB 整流及電容C濾波后變成直流電壓Um，由于Um處于開關(guān)電源電壓轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，姑且稱之為中間電壓。受電源特性和負(fù)載特性的雙重影響，Um是一個不穩(wěn)定的直流電壓。Um經(jīng)過開關(guān)管TS 加到變壓器TF 的兩端。TS 受控于PWM 電路，工作在開關(guān)狀態(tài)。PWM 電路輸出高電平時TS 導(dǎo)通，TF 初級線圈開始充磁儲能，這時次級線圈回路中的二極管D反偏截止。PWM電路輸出低電平時TS 截止，D 導(dǎo)通，TF 中的能量傳輸?shù)酱渭?。根?jù)不同負(fù)載需要，輸出電壓Uo通常會有幾組不同值。由于受到環(huán)路負(fù)反饋的嚴(yán)格控制，因此Uo是高度穩(wěn)定的。在實際電路中，Uo反饋到PWM 電路的過程中經(jīng)過光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。

在開關(guān)電源中，輸出電壓Uo=KDUm。式中K為系數(shù)，由實際電路元件參數(shù)決定。D為PWM的占空比，即TS 驅(qū)動脈沖的高電平時間與脈沖周期之比。計算機(jī)及通信設(shè)備采用逆變電源供電時，Um為300 V左右。輸出電壓等式表明，雖然Um是變化的，但只要通過PWM電路調(diào)節(jié)D就可以輸出穩(wěn)定的Uo。

3 直流電源供電方式

3.1 最簡方式

在交換機(jī)、路由器、顯示器等設(shè)備的銘牌上，可以發(fā)現(xiàn)交流輸入電壓標(biāo)識普遍為100～240 V。圖2 為一主流品牌的計算機(jī)電源，交流輸入電壓也是在這個范圍?？梢姡涣鬏斎腚妷?00～240 V的電源正在成為計算機(jī)及通信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電源。把這個交流輸入電壓進(jìn)行折算，得到中間電壓范圍為141～339 V。當(dāng)廠站端直流電源電壓采用220 V 標(biāo)準(zhǔn)時，在數(shù)值上這個電壓就已經(jīng)進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)電源的中間電壓范圍，而且還超出下限很多，這就為計算機(jī)及通信設(shè)備直流供電提供了空間。

直流供電時的最簡方式，就是電源從220 V直流母線饋出，經(jīng)過自動空氣開關(guān)、PDU（power distribution unit，電源分配單元）后直接為計算機(jī)及通信設(shè)備供電。在實際應(yīng)用中，各類廠站端配置的直流電源通常為220 V，直流電壓在這種配置時，可以不對計算機(jī)及通信設(shè)備中電源部分做任何調(diào)整，計算機(jī)及通信設(shè)備可以實現(xiàn)即插即用，這是最簡方式。在這種方式下，由于開關(guān)電源中的硅橋能夠自動完成極性校正，因此在連接時無需理會電源的極性。

在最簡方式下，通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)220 V直流母線電壓將至最低允許值時，計算機(jī)及通信設(shè)備中的開關(guān)電源仍能維持穩(wěn)定輸出。這種最簡方式不足之處是由于開關(guān)電源中間電壓不是處于最佳設(shè)計值，因此開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率可能會有所下降。

3.2 計算機(jī)及通信設(shè)備中電源電路的優(yōu)化

當(dāng)廠站配置的直流電源為220 V 時，為了充分提高計算機(jī)及通信設(shè)備中開關(guān)電源的效率，宜取消開關(guān)電源初級電路中的限流、整流元件。另外，宜重新配置開關(guān)變壓器初級線圈、開關(guān)管。為了消除上電時的沖擊，宜取消整流元件后面的濾波用大容量電解電容。這些優(yōu)化項目完成之后，開關(guān)電源體積將會減小、成本也隨之降低。為了保證工作質(zhì)量，這類優(yōu)化項目應(yīng)交由電源制造商來完成。

當(dāng)廠站配置的直流電源為110 V 時，在數(shù)值上這個電壓已經(jīng)超出了計算機(jī)及通信設(shè)備中標(biāo)準(zhǔn)電源的中間電壓范圍，為了實現(xiàn)直流供電，必須對計算機(jī)及通信設(shè)備中電源電路進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。這時應(yīng)取消開關(guān)電源初級電路中的限流、整流元件。另外，應(yīng)重新配置開關(guān)變壓器初級線圈、開關(guān)管。為了消除上電時的沖擊，應(yīng)取消整流元件后面的濾波用大容量電解電容。同樣，這些優(yōu)化項目完成之后，開關(guān)電源體積將會減小、成本也隨之降低。同樣，為了保證工作質(zhì)量，這類優(yōu)化項目應(yīng)交由電源制造商來完成。

3.3 實際應(yīng)用情況

某66 kV 變電站，廠站端配置有220 V 直流，容量200 Ah。用于實時監(jiān)控系統(tǒng)的計算機(jī)及通信設(shè)備主要有：就地監(jiān)控計算機(jī)一臺、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通信設(shè)備一套、五防計算機(jī)一臺，這些負(fù)荷合計約為360 W。將逆變電源停用，將上述設(shè)備改由直流電源直接供電，一年來所有設(shè)備運(yùn)行正常，監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定。該站控制母線電壓為220 V，合閘母線電壓為240 V，為了提高電源轉(zhuǎn)換效率，調(diào)整時將計算機(jī)及通信設(shè)備電源取自合閘母線。

在電路結(jié)構(gòu)上，打印機(jī)與計算機(jī)、通信設(shè)備不同，打印機(jī)不能采用直流電源供電。事實上，由于不存在實時性要求，打印機(jī)也不能由逆變電源供電，只能由站用交流電源供電。

4 結(jié)束語

與采用逆變電源供電方式相比，計算機(jī)及通信設(shè)備采用直流供電方式后會帶來如下改變。一是電源系統(tǒng)減少了中間環(huán)節(jié)，計算機(jī)及通信設(shè)備工作可靠性提高。二是廠站端屏柜數(shù)量減少，逆變電源設(shè)備建設(shè)費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、維護(hù)工作量被完全消除。三是直流電源系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率提高。

另外，為了從源頭上消除計算機(jī)及通信設(shè)備采用直流供電方式存在的問題，在設(shè)備招標(biāo)、采購時應(yīng)對計算機(jī)及通信設(shè)備中的電源標(biāo)準(zhǔn)提出明確要求。