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移动通信基站直流电源系统设计方法的探讨

[ 来源:'d' | 类别:技术 | 时间:2010-7-22 8:52:14 ] [字体: ]

 

  摘要:针对目前基站通信电源设计中使用传统设计方法造成电源直流系统容量配置偏大的问题,本文提出了按实际负荷作为设计依据、同时减少备用整流模块的设备配置原则,并对两种设计方法进行了比较。


  关键词:移动通信;直流负荷;动力监控系统;整流模块


  前言
  通信电源稳定可靠的运行是整个通信系统正常运行的基础,因此,通信电源的配置必须科学、合理、规范。通信设备直流负荷的容量直接影响到通信电源直流系统的设计,是最重要的设计依据,它的准确程度,将直接影响到电源系统的可靠性与经济。由于移动基站的数量众多,这种影响在电源系统的设计中则更加显著。
  移动基站具有数量众多、站址分散的特点,同时,许多基站的交流供电不稳定,如存在季节性的停电、电压波动大等因素,使用权基站电源的维护任务十分繁重。因此,要求基站电源的设计必须考虑到这些因素。在直流系统的设计中,既要使电源设备保证一定的冗余量,在基站停电时能够为基站内通信设备维持一定的供电时间,又要充分考虑到建设的经济性,而不是一味地增大电源设备的容量配置。
  1、传统基站电源直流系统的容量计算
  一般而言,在基站的电源设计中,通信设备的负荷一般由相关通信设备制造商提供,并将此数据作为设计的依据。同时,根据通信电源设计的相关规范要求,开关电源的整流模块在满足通信设备负荷与蓄电池均充电流的基础上一般还要额外配置备用模块。下面是按照这些设计原则,对基站设备进行电源设计的实例。
  根据某站设备制造商提供的数据,该设备采用—48V直流电源供电,12载频的功耗为4000W(约83.3A),光传输设备功耗为300W(约6.25A),所采用开关电源整流模块的容量为48V/50A。根据相关规范,按市电停电后基站设备维持时间3h传输设备维持时间20h来配置直流系统。该系统的电源设计如下:
  1)确定蓄电池的容量
  Q=C3I基站+C20I传输=5.95×83.3+28.4×6.25=673式中:
  C3——5℃时畜电池3h放电容量系数
  C20——5℃时畜电池20h放电容量系数
  经计算,蓄电池容量为673Ah,考虑到发展需要,设计蓄电池为2组400Ah。
  2)计算均充时总电流
  I总=I负荷+I均=(4000+300)/56.5+80=76+
  80=156
  3)确定整流模块数量
  根据计算,为满足通信设备与蓄电池均充电流的负荷,应配置4个50A整流模块。考虑到N+1备用,应配置5个50A整流模块。
  由上例可见,根据一般的设计原则,蓄电池与整流模块的容量较大。
  在移动通信发展的初期,由于基站载频较少,通信设备的功耗不大,电源设备的容量问题并不突出。目前许多基站的载频达到20多个,甚至更多。按照此类设计方法,蓄电池与整流模块的容量将是惊人的,甚至在工程中无法实施。例如对于一个24载频的基站,蓄电池至少需要2组600 Ah,50A整流模块达到7个。
  那么,基站设备对电源容量的需求是不是真的如此大呢?

  2、实际电源系统的设备配置原则
  根据基站运行的实际情况可知,基站内通信设备的日常功耗小于设备生产商提供的数据,有的甚至存在较大的出入。通过对上例中12载频基站的计算发现,其忙时功耗一般处于20~30A之间,远小于83A。经过对大量基站实际运行情况的调查,笔者认为在进行基站电源设计时,如果以基站通信设备日常工作的负荷作为设计的依据,并考虑一定的安全系数,将会使设计更加符合实际情况,同时使电源配置更趋合理。
  另外,在基站设备日常工作中,开关电源仅为通信设备和蓄电池浮充提供电能,其工作负荷很轻,都在20%甚至10%以下,整流模块大部分时间处于热备用状态,利用率很低。针对这种情况,笔者认为在保障通信系统供电安全的前提下,取消备用模块,将使电源整流模块的利用率提高,系统的配置更加合理。当然,取消备用模块并不是无条件的,而是考虑到以下因素,使取消备用模块成为可能。
  a)目前大部分基站都实施了动力环境监控系统,可以实现对基站开关电源系统的实时监控。在整流模块发生故障后,可以立即发现并由维护人员上站更换。
  b)随着电力电子技术的发展,目前整流模块的电压输入范围很宽,可以达到±25%以上,甚至超出了一些稳压器的工作范围。
  c)随着开关电源设备在国内通信行业的广泛使用,其稳定性也在不断地提高。
  d)目前各运营商在工程中使用的开关电源都是通过产品的选型入围产生、也是网内长期运营的、质量相对稳定的产品,具有较高的可靠性和较好的售后服务。
  这些因素保证了开关电源整流模块可以长期稳定运行。对于损坏的模块做到及时发现并更换,从而满足了通信设备负荷和蓄电池均充电流容量的需求,使取消整流器备用模块后对整个电源系统的稳定运行没有大的影响。
  下面以基站内通信设备的实际功耗为依据,采用以上提出的电源配置原则,对上例的电源系统重新进行设计。
  根据实际网内运行的基站设备负荷,并考虑一定的安全系数,首先确定上例中基站设备12载频的耗电量为30A,光传输设备仍以6.25A计算。
  1)确定蓄电池的容量
  Q=C3I基站+C20I传输=5.95×30+28.4×6.25=356
  经计算,蓄电池容量为356 Ah,2组200 Ah的电池可以满足工程的需求。考虑到发展需要,设计蓄电池为2组300 Ah。
  2)计算均充时总电流
  I总=I负荷+I均=30+300/56.5+60=36+60=96
  3)确定整流模块数量
  根据计算,为满足通信设备与蓄电池均充电流,应配置2个50A整流模块。
  3、两种设计方案的对比及应注意的问题
  从以上两种方案可以看出,对于同样的基站设备,由于采取了不同的电源配置原则,设计结果存在着很大的差别。第一种方案中配置250A的整流模块,而日常基站通信设备的实际功耗不到36A,整流模块的负荷率很低,设计明显存在不合理之处。
  从投资角度来看,按新建一套直流系统考虑,以上两种方案1个基站的投资相差约2万元以上,以一个地区有500个基站计算,其初期投资将相差1000万元以上,其浪费是惊人的。
  按照本文提出的方案进行设计时,应注意以下问题:
  a)应对目前网内运行的同型号的基站设备进行一次详细的调查,选择有代表性的基站(例如火车站、汽车站、繁华商业区、商务区等),按不同载频数量进行归类,记录下来忙时的负荷,总结其中的规律,从而制定出通信设备工作时的实际功耗作为设计的依据。
  b)动力环境监控系统工程的实施为及时发现问题、排除故障提供了有力的工具,使取消备用模块成为可能。但需要指出的是,目前一部分地区的基站采用的是干节点方式的动力监控系统,这种监控系统仅能监控有无市电、电压高低等少数简单的开关告警量,而不能监测到整流模块的故障。这时,整流模块故障将无法实时发现,为保障电源系统的安全运行,这种监控系统暂时不应取消备用模块。
  c)对于自然条件恶劣、维护不便、交流电长期不稳定的基站,蓄电池容量应根据工程情况适当配置大一些,同时保留备用整流模块。
  毋庸质疑,采用方案一配置的电源具有较大的容量,在基站停电后可以保持基站设备长时间维持工作,但这种配置是在牺牲了大量投资的基础上取得的,且蓄电池的寿命也不是一劳永逸的,有些蓄电池甚至5~6年后就需要更换,而目前交流电网的质量在不断提高。因此,只要将基站电源直流系统保持在一个合理的配置水平即可。
  4、结束语
  按照通信设备厂商提供的数据进行基站电源直流系统的设计,计算出的容量往往大于实际系统的需求。极端情况下设计出的电池和开关电源的容量甚至在工程中无法顺利实施。因此,有必要根据设备的运行情况对这些数据进行修正,使其更符合实际。同时,在安装了电源监控系统的基站,取消电源备用模块,同样可以保障电源系统安全稳定的运行。需要指出的是,根据实际负荷进行设计,对基站交流系统电力引入的容量及投资同样是十分重要的。
  因此,根据工程的具体情况,从实际出发,在满足通信系统可靠要求的前提下,合理地设计电源系统,对保障通信系统安全运行、降低工程投资具有重要的意义。

 

作者:郑君和 

 


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