基于配电网需求的GIS局放监测装置通信电源系统集成与优化

引言

电力系统持续迈向智能化、分布式的背景下，配电网对一次设备状态感知能力提出更高要求，GIS 局部放电监测装置作为关键感知终端，正逐步实现常态化部署，其长期稳定运行依赖于高可靠性的通信电源系统支撑，通信电源作为通信设备中的动力设备， 是通信设备的“心脏”， 对通信设备的正常工作具有重要的意义。配电环境下通信协议类型多样、供电路径复杂、电磁干扰强烈，传统电源结构难以满足对适配性、稳定性与远程管理能力的要求。围绕装置在实际工况下的运行特征，构建具备标准化接口、模块化结构与智能控制能力的电源系统，是支撑配电网感知层技术升级的重要基础。

1 配电网通信供电系统的应用需求

配电网中 GIS 局放监测装置的通信功能依赖稳定供电支持，通信电源系统在运行环境、电气接口、输出性能等方面需满足严苛要求，现场供电条件复杂，常见的DC110V、AC220V、蓄电池组等存在电压波动大、电磁干扰强、电源中断频发等问题，通信电源系统需具备较强的输入适应能力。负载侧通信模块对供电电压精度和纹波控制有较高要求，部分协议在工作期间存在瞬时高电流启动特性，输出端需具备良好的动态响应能力，安装环境封闭空间多，维护频率低，对电源系统的长期可靠性和热稳定性构成挑战。现场存在多种通信协议混合部署情形，不同模块对电源接口、电平标准存在差异，电源系统需具备统一接口兼容设计，远端装置状态获取困难，电源系统应具备远程运行参数感知与异常诊断功能，为后期的智能化维护调度提供基础支撑。

2 通信电源系统的结构设计

2.1 功能模块划分

通信电源系统面向 GIS 局放监测装置的通信供电需求，结构上由输入适配、主变换、输出调节、控制保护和状态监测五个核心模块构成，输入模块具备多种供电路径识别与接口转换功能，支持 AC220V 与 DC110V 等现场电源接入条件。主变换部分使用高频隔离型DC-DC 变换结构，进行电压变换与电气隔离，保障输出稳定性与系统安全性[1]。

输出调节模块根据不同通信单元的负载特性，构建多路独立供电通道，具备稳压、限流和纹波抑制功能，控制保护模块融合过压、短路、热关断等电路保护机制，并由嵌入式控制器进行实时协调，状态监测模块完成关键参数的实时采集与上传，为系统运行监视和智能化维护提供基础支持。图 1 展示了通信电源系统的结构组成。

2.2 接口机制构建

通信模块多协议并存，供电需求差异明显，电源系统需构建具备自适应能力的统一接口机制，输出端设置多路独立接口，每路具备电压隔离、过载保护和电平识别能力，系统可根据通信模块类型自动分配合适的输出电压，支持 3.3V、5V、12V 等电平范围，满足 RS485、LoRa、NB-IoT 等负载供电要求。接口前端设计成插拔式结构，便于快速安装与模块更换。负载识别机制与电源控制单元协同，识别通信模块的启动特性并匹配合适的限流参数来提升上电可靠性[2]。输入端配置双路径接入能力，具备电源识别与切换功能，适应现场电源中断、跌落等异常状态，统一接口机制提升电源系统对通信模块的兼容能力来简化工程部署流程。

2.3 冗余能力配置

通信电源系统需在无人值守和连续供电条件下长期运行，结构中配置冗余机制以增强系统可靠性。主变换模块设置双通道热备份结构，两通道通过均流控制分担负载，在任一模块故障时自动切换输出路径，避免通信中断。输入端具备多电源接入识别机制，具备断路判断与通道切换能力。输出端设置旁路通道，在主输出电路异常情况下维持负载运行。系统控制由嵌入式单元完成状态监测与动作协调，各模块之间信息交互支持动态冗余控制策略。冗余配置保证通信供电系统在突发故障条件下维持持续供电能力，提升 GIS 局放监测系统的整体运行可靠性与稳定水平。

3 电源系统的运行控制技术

3.1 稳压策略实现

通信电源系统在运行过程中需维持输出电压稳定，避免因负载波动或输入扰动引发电压跌落或过冲，从而影响通信模块的持续在线能力，系统构建闭环电压控制结构，实时采集输出电压与参考值间的偏差，并经控制器输出修正信号调节主变换模块的占空比来稳定输出。频域建模中输出电压响应可表达为标准的闭环传递函数形式：

其中， V_ref 为目标设定值， G（s） 表示主功率回路的开环增益函数， 为反馈通道的增益函数。该传递函数描述了输出电压相对于参考值的控制动态行为[3]。系统设计中调节 与 的参数特性，使电源在低频段具备高增益以抑制稳态误差，在高频段具有限幅能力抑制噪声干扰，提升整个环路的响应速度与稳定裕度。控制器内部集成比例—积分—微分（PID）调节器，参数设定依据负载瞬态特性与带宽需求匹配，提升对突发启动电流和负载切换的适应能力。闭环控制策略保持输出电压的设定精度，在系统输入波动、电网跌落或负载扰动作用下维持通信电源的稳态运行，增强监测装置的长期在线能力。

3.2 干扰抑制手段

配电站现场存在大量电力电子设备，产生电磁辐射、浪涌冲击和工频谐波等干扰源，对通信电源系统构成持续冲击。干扰抑制设计从输入滤波、电气隔离、信号接地与结构布线等多方面进行联合控制。输入级设置两级滤波结构，前级为共模与差模混合滤波网络，用于抑制来自电源线的导电性干扰；后级以 LC 低通滤波器为主，用于抑制高频干扰信号穿透输入通道。LC 网络的截止频率计算公式如下：

其中， L 为滤波电感值， C 为滤波电容值。合理选择 L 与 C 的组合可使系统在有效频率范围内对噪声信号形成衰减屏障。主功率回路使用变压器隔离结构，在输入与输出间提供电气隔断，避免高压瞬态传导至通信模块[4]。控制信号线引出与功率线分离布设，结合金属屏蔽与分段接地技术降低系统内部感应干扰。对通信口引入气体放电管、TVS 管等保护器件，形成输入端瞬态电压箝位能力，提升电源系统对雷击、电网谐振等脉冲事件的承受能力。信号地与电源地分区设计构建多点接地结构，增强电路对回流干扰的抗扰性，提升整体系统的电磁兼容性能。

3.3 故障恢复机制

通信电源系统长期运行在电压波动频繁、电磁干扰显著的环境中，需具备完善的故障识别与恢复能力。系统通过嵌入式控制器对关键电气参数进行实时监测，判断输出电压、电流、温度等指标的运行状态。监测数据经逻辑判断模块处理，结合故障模型触发相应的保护动作。控制逻辑支持故障闭锁、自恢复与冗余切换功能，构建面向多类故障场景的分级响应体系。

过压、过流或模块温升异常情况下系统立即执行主路切断与旁路激活操作，维持负载持续供电，故障状态下的模块不会重复上电，避免二次损坏，软启动机制用于恢复后重新加载负载，平滑过渡电压变化，防止突变冲击引发系统不稳定。部分可恢复故障如暂态跌落或干扰脉冲，控制器根据故障持续时间和幅度设定等待时限，再次执行自检并判断是否重启主路供电[5]。状态信息基于通信接口上报至主监控系统，用于远程维护与运行趋势分析。

4 应用案例与性能验证

4.1 系统部署方案

某城市35kV 配电站在局部放电在线监测系统建设中，配置了GIS 局放监测装置并搭载多种通信模块，覆盖RS485 总线、NB-IoT 无线和 LoRa 传输路径，运行环境包含交流配电柜、直流屏及多个非屏蔽信号回路，电磁干扰频繁，供电电压波动明显。通信模块长期运行中出现掉线、数据中断和模块异常重启等现象，对远程数据获取构成影响。现场空间有限且设备接入密度高，要求电源系统具备多路输出能力、宽电压输入特性及高稳定性运行性能。

系统部署中通信电源模块统一安装在局放监测集中器侧部金属导轨上，输入侧接入 DC110V 直流屏输出，配套熔断器组完成过流保护，输出端连接多路通信模块供电端口，每路输出电平分别配置为 5V、12V 和 3.3V。线缆分组屏蔽，电源与通信线分开布设，接地点集中引至母排端子排，避免地电位漂移干扰控制回路，接口侧设置标识及编码，与监测系统配置文件一致便于现场识别与远程参数匹配。

4.2 运行数据分析

通信电源系统投入运行后监控模块对各通道输出电压、电流、模块温度和系统异常状态进行持续采样，数据分析期间记录干扰强度、电源稳定性、电磁兼容表现和异常触发频次，结合后台系统日志进行评估。为验证干扰抑制性能，在不同滤波配置下进行对比测试，测试结果如下表1。

多段滤波结构增强了系统对高频干扰和浪涌冲击的抑制能力，共模干扰下降幅度达43 dB，浪涌残压抑制超过 70% 。系统 EMC 等级由 IV 级提升至 II 级，故障触发频次显著降低，通信模块掉线问题得到缓解。功率器件表面温度在强干扰时段无明显上升，散热结构控制良好。电源模块连续运行不间断，状态监控未触发掉电或重启事件。

4.3 优化效果评估

运行前后通信系统关键性能指标对比如表 2 所示，包括掉线率、输出稳定性、能耗水平与响应时间等，反映系统在通信电源结构优化后的运行表现变化。

优化后通信掉线率明显降低，稳定供电能力增强，输出电压偏差控制更为精准，负载状态切换期间未出现压降事件，模块运行电流变化保持在动态响应范围内。功耗下降幅度超过三成，长期运行负载热积累得到缓解，有助于提升器件寿命与系统整体可靠性。故障识别与响应速度显著提升，恢复动作从分钟级压缩至秒级，满足无人值守运行场景对自恢复能力的要求。系统上线后 GIS 局放监测装置通信功能长期保持稳定，远程数据链路连续，平台端数据分析无缺帧与时序错乱情况。

5 结论

通信电源系统面向 GIS 局放监测装置的运行需求，构建了结构完整、控制闭环、兼容性强的供电架构，涵盖输入适应性、输出调节精度与抗干扰能力的技术要点，经现场部署与数据对比分析，验证了稳压控制、滤波抑制与冗余切换机制在提升系统稳定性与可靠性方面的有效性，整体性能满足配电网复杂工况下通信供电的实际要求。

参考文献

[1] 富立志 ， 吕雄飞 . 基 于大模型辅助的 5G 通信电源技 术优化策略研究 [J]. 通信与信息技术，2025，（02）：136-138+152.

[2]桑宁娜.基于通信电源交流接地系统的智能监控与管理系统设计[J].通讯世界，2025，32（03）：100-102.

[3]王池.电力通信电源蓄电池系统远程维护技术研究[J].通讯世界，2025，32（02）：85-87.

[4]孙凯，冯秀君，孙贞.基于 AI 技术的通信电源系统智能化运维研究[J].中国宽带，2024，20（10）：112-1

[5]池上和，梁锋.基于云计算的通信电源系统远程监控与优化研究[J].中国宽带，2024，20（09）：172-174.

作者简介：王培君（1994 年—），男，汉族，福建泉州人，大学本科，助理工程师，研究方向：新能源运维管理。