通信電源系統結構的發展趨勢

2019-11-03 09:58:30

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供稿：網友

劉希禹
中訊郵電咨詢設計院

　　摘要：由于數據通信設備和電信網絡設備的融合，要求有一個能為數據通信設備和電信設備供電的新的可靠的電源系統，傳統的通信電源系統結構面臨著變化和挑戰。本文分析現代通信電源系統結構的發展趨勢，介紹幾種可能的系統結構。

　　關鍵詞：通信電源電源系統電源系統結構發展趨勢

1 引言

　　隨著信息技術的發展和數據業務的迅速擴大，電信網絡正處于不斷的變革之中；電信網絡這種變革主要表現為數據通信設備逐漸集成到電信設備中，和電信網絡設備融合在一起。電信網絡的變革必然會影響到電源系統。數據通信設備要求交流電源，與電信設備傳統的-48V直流電源不兼容，因而對電源設備提出了新的嚴格要求。首先，電源設備應能同時提供直流電源和交流電源，或者說，應能提供同時滿足電信網絡設備和數據通信設備要求的電源。此外，還應達到高可靠性、高可用度和高效率的要求。如何構成這種新的電源系統？這是通信電源系統設計有待解決的一個新問題。上個世紀90年代后期以來，國內外已開始注意和研究適應電信和數據通信設備融合的電源系統結構，提出了一些設想和實施方案。本文介紹幾種可能的電源系統結構，討論這些電源系統結構的基本原理、優缺點、實現的可能性等。

2 傳統的通信電源系統結構

2.1 -48V直流電源系統結構

　　眾所周知，傳統的電信設備一般要求-48V直流輸入電源。如圖1所示，傳統的-48V直流電源系統是由多個并聯冗余整流器和蓄電池組成的。在正常情況下，整流器將市電交流電源變換為-48V直流電源，供給電信設備，同時給蓄電池充電。電信設備需要的其它電壓等級的直流電源，采用DC/DC變換器由-48V直流電源變換得到。市電停電時，由蓄電池放電為電信設備供電；長時間市電停電時，由備用發電機組替代市電，提供交流輸入電源。傳統的-48V直流電源系統的蓄電池備用時間為1～24h，典型的蓄電池備用時間為1～3h。-48V直流電源系統分為集中供電和分散供電兩種方式。

2.1.1 集中供電

　　集中供電是指通信局(站)中所有的通信設備由一個集中的直流電源供電，如圖1（A）所示。這種供電方式的優點是電源設備比較集中，維護比較方便。但是，由于集中的直流電源遠離通信設備，配電損耗很大，系統效率很低；配電電纜及安裝費用也很大。而且可靠性較低，如果集中的直流電源發生故障，將會影響全部通信設備的供電。集中供電方式適用于規模較小的通信局（站）。

圖1. 傳統的電信-48V直流電源系統

2.1.2 分散供電

　　20世紀80年代末至90年代初，我國開始研究采用分散供電方式，即在通信局(站)中采用多個直流電源系統，各個電源系統分別為一部分通信設備供電，從而可以克服集中供電方式的缺點。

　　由于高頻開關電源和閥控鉛酸蓄電池技術的發展，性能優良的高頻開關電源和閥控鉛酸蓄電池在電信系統得到了廣泛采用，過去采用相控電源和排氣式蓄電池時的嚴重噪聲和酸霧污染問題已不存在，因此已完全可能將380V/220V交流電源送至通信機房，如圖1（B）所示。將通信系統的直流電源設備安裝在交換機房內，從而可以避免長距離的低電壓直流配電，減少了損耗，大大改善了供電系統性能，提高了供電系統的可靠性。

2.2 220V交流UPS電源系統結構

　　傳統的數據通信設備要求交流輸入電源，一般是與市電電源的電壓和頻率相同的電源，即220V，50Hz的單相交流電源。傳統的數據通信設備的電源系統是交流UPS系統。交流UPS系統一般由整流器、逆變器、蓄電池和靜態開關等組成。市電正常時，市電交流電源經整流器變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池充電，逆變器將直流電變換為交流電供給負載。蓄電池的備用時間一般設計為計算機有序關機或備用發電機組啟動投入供電所需要的時間（一般為10～30min）。UPS本身故障時負載可經靜態開關轉換到旁路電源（市電）。市電長時間停電時，由備用發電機組替代市電，提供交流輸入電源。圖2示出了傳統的數據通信設備用UPS電源系統結構。

圖2. 傳統的220V UPS交流電源系統

　　為了提高UPS系統的可靠性，通常可采用冗余UPS系統，圖3示出N+1（N=1）并聯冗余UPS系統。

圖3. N+1（N=1）并聯冗余UPS系統

2.3 -48V直流電源系統和220V交流UPS系統的比較

　　-48V直流電源系統和220V交流UPS系統分別在不同負載上采用，是由于歷史原因形成的。或者說，是由于直流和交流電源設計者的設計觀點和設計方法的差異所致。總的來說，交流電源設計者認為：電源變換設備、備用發電機組和交流電源是比較可靠的；蓄電池是比較不可靠的。而直流電源設計者認為：電源變換設備、備用發電機組和交流電源是比較不可靠的；蓄電池是比較可靠的。這與兩種電源系統在蓄電池的應用條件和電源變換設備的配置等方面的差別有關。

2.3.1 蓄電池應用的差別

（1）220V交流UPS：

每組蓄電池組的串聯單體電池數：180～196個；

浮充電壓：405～432V；

放電時間：一般為10～30min；

放電終止電壓：深放電至（1.65～1.6）V/只。

（2） -48V直流電源：

每組蓄電池組的串聯單體電池數：24個；

放電時間：最少1h；

放電終止電壓：1.80V/只。

2.3.2 電源變換設備配置的差別

（1） 220V交流UPS：

　　采用N+1個容量較大的UPS逆變器并聯，其中N個逆變器即可以滿足100%負載要求，另加一個冗余逆變器。N一般小于6，最常見的是N=1（即兩臺UPS并聯）。

逆變器故障時，可以由旁路電源為負載供電。

（2） -48V直流電源：

　　采用N+1個容量較小的整流模塊并聯，例如1000A的電源系統采用（10+1）個100A的整流模塊并聯；其中N個整流器模塊即可以滿足100%負載要求，另加一個冗余整流器模塊。N一般可以為幾個到幾十個。

整流器模塊故障時，沒有旁路電源可用。

　　由于-48V直流電源系統和220V交流UPS系統存在以上的差別，使得組成各自電源系統的一些部件的工作條件不同，因此可靠性也有一些差別。

　　例如UPS系統中，交流輸入端一般無輸入隔離變壓器，采用交流輸入電源380V/220V直接整流，故直流環節電壓高，這對逆變器的工作是有利的，因為在同樣的功率下，逆變電流較小，可靠性較高。但是蓄電池組的單體電池數較多，由于UPS的蓄電池容量的設計原則是：蓄電池的備用時間為計算機有序關機或備用發電機組啟動投入供電所需要的時間（一般10～30min）。故蓄電池組容量較小，蓄電池的工作方式是大電流放電，且為深放電。這與-48V直流電源系統中的蓄電池組情況（單體電池少、蓄電池容量大、小電流放電、淺放電）截然不同。所以，直流電源設計者認為：-48V直流電源系統中的蓄電池比較可靠。而交流電源設計者認為：UPS系統中的蓄電池比較不可靠。

　　又如在UPS系統中，因為并聯的UPS逆變器模塊較少，其系統的MTBF較大，又采用了旁路電路，備用發電機組的也較完善。這與-48V直流電源系統中的整流模塊配置情況（并聯整流模塊較多、無旁路電源可用）也是截然不同。所以，交流電源設計者認為：UPS系統中的電源變換設備、備用發電機組和交流電源比較可靠。而直流電源設計者認為：-48V直流系統中電源變換設備、備用發電機組和交流電源比較不可靠。

　　然而，按照可靠性計算的結果，-48V直流電源系統和220V交流UPS系統的可用度基本上是相同的。這兩種電源系統都可以做到非常可靠。不過，-48V直流電源系統中蓄電池的容量對系統的可用度影響較大；而220V交流UPS系統的可用度與蓄電池的容量關系不大，但與旁路電路的可靠性關系較大。但兩者都可以很好地滿足傳統的負載設備的要求。傳統的電信設備和數據通信設備分別采用-48V直流電源和220V交流UPS電源是沒有任何問題的。

2.4 傳統通信電源系統結構面臨著變化和挑戰

　　然而，當今計算機等數據通信設備已經開始集成到電信設備，數據通信設備與電信設備融合到一起，傳統的-48V直流電源系統和傳統的220V交流電源系統都已不是最合適的供電系統了，也不可能再采用兩種獨立的傳統電源為新的電信設施供電，為什么由直流供電的負載的蓄電池備用時間為3h，而由交流供電的負載的蓄電池的備用時間只有15min，這顯然是不合理的，而且采用兩套獨立的傳統電源也是不經濟的。因此，在1998年國際電信能源會議上提出了要尋求數據通信和電信設備公用一個新的電源系統的問題。

　　可能適用于當今的電信/數據設備融合的電源系統結構有：混合結構的電源系統（包括混合分布冗余UPS電源系統和交直流負載公用-48V母線的系統）、整流型（rAC）交流電源系統、高壓直流電源系統等。

3 混合結構的電源系統

　　數據通信設備與電信設備融合的局（站），要求交流和直流電源的負載的比例，取決于具體局（站）設備的配置，在因特網主機和基于服務器的局（站），需要交流供電的負載較多，一般可采用以UPS為基礎的混合分布冗余UPS電源系統。在交流負載較少的局（站），可采用交流和直流負載公用-48V母線的混合系統。

3.1 混合分布冗余UPS電源系統

　　圖4是一種適用于數據通信設備和電信設備融合的高可用度的電源系統，稱為“混合分布冗余UPS電源系統”。這個系統包括兩個完全相同的獨立的UPS系統，每個UPS系統都是N+1并聯冗余UPS系統，蓄電池備用時間為15min，交流輸入電源都是由市電和備用發電機組組成。假設交流負載和直流負載設備都是雙電源輸入負載設備，每個交流負載設備由兩個分別接在兩個UPS系統上的配電單元供電。每個直流負載設備由兩個分別由兩個UPS系統供電的分散的整流器系統（無蓄電池）供電，其整流器系統輸出保護由兩個UPS系統和冗余的備用發電機組完成，因此可省去一般直流系統中所必需的蓄電池。當負載設備為單電源輸入時，由兩個交流配電單元引出的兩路電源經轉換開關轉換后供給交流負載；由兩個無蓄電池的整流器引出的兩路電源經轉換開關轉換后供給直流負載。

　　這種電源系統配置的設備較多，但可靠性很高，即使在電源設備進行維護時，也不會中斷負載供電。而且安裝費用較低，占地面積較小。

圖4. 混合分布冗余電源系統

3.2 交流和直流負載公用-48V母線的混合系統

　　這個電源系統結構特點是直流負載和交流負載的電源系統都采用-48V母線作為輸入電源。-48V母線由傳統-48V直流電源產生如前所述，在市電故障或整流器故障時，-48V母線電源是不會停電的。要求直流電源的負載由-48V母線直接供電或經DC/DC變換器供電；要求交流電源的負載經逆變器供電，即用由-48V直流電源供電的逆變器代替了UPS。交流負載得到逆變器輸出的交流電源后，還要通過AC/DC變換器產生電子電路需要的各種低壓直流電源，因此在交流負載的電源鏈中增加了電源變換的次數，增加了損耗，降低了系統效率。所以這種電源系統結構僅適用于交流負載為小功率，或中等功率的情況。

　　比較理想的方法是將現在需要交流供電的負載改造為由-48V母線供電，即將現在要求交流電源的設備內部的開關電源改換成DC/DC變換器，這個DC/DC變換器由-48V直流電源供電，產生電子電路所需的各種低壓直流電源。然而，這對于數據通信設備而言，改為-48V供電無論在廠家或和用戶都有一定的阻力。

圖5. 交流和直流負載公用-48V母線的電源系統

4 整流型交流（rAC）供電系統

　　圖6示出了rAC供電系統，這是一種全新的電源系統結構，其中，傳統的48V直流電源系統中的直流母線由經過整流的市電交流母線替代，稱為rAC母線（實際上是脈動的直流母線）。整個電源系統由二極管整流橋、高電壓蓄電池組、蓄電池開關、蓄電池充電機、集中的AC/DC變換器、分散的AC/DC變換器等所組成。市電正常時，交流電源由二極管整流橋整流，得到的rAC直接供給集中的AC/DC變換器和分散的AC/DC變換器（位于通信設備內部）。當市電電源故障時，高電壓蓄電池組通過蓄電池開關連接到rAC母線上，供給集中的和分散的AC/DC變換器。這些集中的和分散的AC/DC變換器由rAC或蓄電池高壓直流電供電，產生數據通信設備和電信設備所需的各種低壓直流電。系統中還配置了一個小容量的蓄電池充電機，用于離線給蓄電池充電。

圖6. 整流型交流（rAC）供電系統

　　這種rAC供電系統要求集中的和分散的AC/DC變換器必須能在rAC供電或蓄電池高壓直流供電時正常工作。AC/DC變換器一般是由DC/DC變換器及其輸入端前面的，由市電交流電供電的整流濾波電路組成的。因此，只要蓄電池電壓選擇得合適，原有的AC/DC變換器在rAC或蓄電池高壓直流供電時均能正常工作。需要指出的是，蓄電池的最高充電電壓和放電終止電壓，必須在AC/DC變換器所允許的最大和最小輸入電壓范圍以內。DC/DC變換器的輸入直流電壓允許變動范圍和蓄電池電壓的變動范圍，應根據交流輸入電壓的變動范圍確定。如果采用單相220V交流電源，假設交流輸入電壓變動范圍為-20%～10%，其峰值變動范圍為249～342V，所以DC/DC變換器允許的輸入電壓變動范圍一般應為大于或等于249～342V。而蓄電池電壓的變動范圍應小于這個范圍，蓄電池可以采用150個單體蓄電池或25個12V的蓄電池，標稱電壓為300V。最高充電電壓為342V（2.28V/單體電池），放電終止電壓為270V（1.80V/單體電池）。

　　這種rAC供電系統的輸入諧波電流抑制和功率因數的補償，可以采取多種方法，例如在各AC/DC變換器上加功率因數校正電路、采用集中的功率因數校正電路、或在rAC母線上并聯連接諧波抑制器。這些方法各有其優缺點，但均能達到有關標準的要求。

　　這種電源系統結構的優點是：

（1）在整個供電電路中只有一個變換級，損耗小，效率高；

（2）蓄電池充電機只用于給蓄電池離線充電，因此容量較小，成本低。

這種電源系統結構的缺點是：

（1）采用的電壓較高，要求較高的安全標準；

（2）采用單體蓄電池數量較多，要求進行更嚴格蓄電池管理。否則會影響系統可靠性。

3 高電壓直流供電系統

　　圖7是高電壓直流供電系統。高電壓直流供電系統的交流輸入、整流電路和蓄電池及其充電機與圖6的rAC供電系統是相同的。所不同的是，rAC供電系統將rAC直接供到集中的DC/DC變換器或電信/數據通信設備內的分散DC/DC變換器；而在高電壓直流供電系統中，市電交流電先由不穩壓的二極管整流橋整流，再由大功率DC/DC變換器變換為穩定的高壓直流電，并將高壓直流電供到電信/數據通信設備內分散的DC/DC變換器。日本NTT公司提出了由交流200V整流變換為

圖7. 高電壓直流供電系統

　　直流270V的系統。270V的直流電壓通過配電柜供給電信/數據通信設備。如果交流輸入電源故障，由蓄電池經直流開關和大功率DC/DC變換器供給負載設備270V直流電。這種電源系統的特點是，在電池放電期間，供給負載設備的270V直流電源電壓是穩定的。電信/數據通信設備內部的DC/DC變換器再將270V變換為電子電路所需要的低壓直流電。

　　270V和-48V直流電源系統基于市電、備用發電機、轉換開關和蓄電池的近似可靠性模型是相同的，因此兩個系統具有相同的可靠性。

　　影響電源系統的效率的重要因素主要包括電信/數據通信設備內部的DC/DC變換器的內部功率損耗和配電電纜的功率損耗。DC/DC變換器一般采用MOSFET作為主開關元件，DC/DC變換器工作時，MOSFET的功率損耗包括MOSFET導通電阻（Ron）壓降損耗和輸出電容（Cout）充放電的損耗，導通電阻上的損耗正比于MOSFET管的導通電流，電容上的損耗正比于電源電壓和開關頻率。雖然270V和-48V直流電源系統的供電回路是相同的，但270V系統的DC/DC變換器的電源電壓高，MOSFET管的輸出電容的充放電損耗較大。另一方面，對于相同的負載，48V系統的電流比270V系統的電流大，因此，48V系統的DC/DC變換器中MOSFET 管上的導通電阻和配電電纜的損耗較大。

　　因此，負載設備機架功率較小時，270V系統的效率比48V系統低，主要是因為270V系統DC/DC 變換器MOSFET 管輸出電容充放電損耗大。負載設備機架功率較大時，48V系統的效率比270V系統低，主要是因為48V系統的DC/DC 變換器中MOSFET導通電阻上的損耗和配電電纜上的損耗較大。所以，270V直流供電系統用于負載功率較大的場合比較有利。

　　如上所述，高壓直流供電系統的可靠性高、效率高，這些優點在負載設備的功率較大時更為突出。但是要實際采用這個供電系統，負載設備的濾波器、熔絲、連接器和通信設備內部的板上DC/DC變換器都需要相應地改變，故實現起來比較困難。這種電源系統結構能否實際采用，主要取決于未來負載機柜的功率要求是否較大。從目前的電信和數據通信的發展情況看，這些負載設備的功耗正在不斷增加。因此，高壓直流供電系統還是一個有發展前途的電源系統結構。

6 結論

　　數據通信設備和電信設備的融合要求能同時提供220V交流和-48V直流電源的電源系統，這是對通信電源系統設計的一個新的挑戰。由于電信設備的發展趨向于負載功率密度高、交直流設備互相依存，傳統的220V交流UPS和-48V直流電源系統已不是現代電信設備最合適的供電方案。　　混合分布冗余電源系統可以滿意地解決同時提供高可用度的交流和直流電源的問題。交流電源經交流配電單元直接供給交流負載；直流電源是由交流UPS的交流輸出通過一個不帶蓄電池的整流器系統產生的。交流負載和直流負載都有兩路電源供電，非常可靠。對于交流負載較大的應用場合，這個電源系統特別適用，而且很容易實現，因為整個電源系統結構不影響負載設備內部的任何電源部件。

　　交流和直流負載公用-48V母線的混合系統，是在傳統的-48V直流電源系統的基礎上，增加逆變器，由-48V直流電逆變為220V交流電供給交流負載。實際上在許多通信局（站）已經采用。但是，這種系統不適用于交流負載很大的應用場合，因為在交流負載的電源鏈路中增加了一級電源變換，增加了損耗降低了系統效率。另外，逆變器的直流輸入電壓較低，做成大功率的設備比較困難。

　　rAC供電系統是一個全新的電源系統結構概念。可以替代傳統的電源系統結構，滿足電信和數據通信設備融合的需要。但有些實際問題尚需進一步研究，例如備用蓄電池最佳低壓的選擇、電源系統輸入諧波的抑制以及三相交流供電的可能性等。

　　高電壓直流供電系統是一個有發展前途的新的供電系統結構，因為其可靠性高，效率高。特別適用于負載設備功率較大的場合。然而，要采用這個供電系統，負載設備的濾波器、熔絲、連接器和板上DC/DC變換器都需要相應地改變，故實現起來比較困難。有待與相關設備廠家協調，并應有相應的標準。

　　劉希禹：中訊郵電咨詢設計院電源處教授級高工，全國電力電子學標準化委員會委員。長期從事通信電源研究和設計工作。曾獲全國科技大會獎和多項部級科技進步獎，發表論文30余篇，出版專著1冊。享受國務院頒發的政府津貼。

----《電信工程技術與標準化》