無線基站通信電源的選型與配置

2019-11-03 10:01:52

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供稿：網友

王志勇

　　一、概述

　　北京無線信息網是數字北京重要的組成部分。其骨干網架構采用了SDH微波＋ATM交換機的方式，承擔著數字、圖像、語音的綜合信息傳送業務。其骨干網通信基站均采用了無人值守方式，因此在系統設計時對基站的通信電源系統的設計將直接關系到全網的長期穩定運行，每一秒鐘的鏈路中斷在寬帶多媒體業務平臺上所造成的用戶業務的損失將是無法估量的。因此在北京無線信息網建設之初我們就首先對通信電源系統進行了充分的分析論證及設備的選型，同時盡量在成本得以接受的條件下獲得較高的性能價格比。

　　通信基站的通信電源系統基本上按照國家通信行業標準《通信電源設備安裝設備規范》及《通信工程電源系統防雷技術規定》來進行設計，并參照了相關通信設備電源系統供電指標及《電信電源技術維護規程》。在貫徹國家技術政策的同時，我們遵照執行國家防空、防震、消防、和環境保護有關規定并充分考慮自然災害，如雷擊等特殊條件下的安全保障。此外根據無人值守的特點，在設備選型時，我們配置采用了遠程集中監控即三遙功能。在設計的總體方案中我們以近期建設規模為主，兼顧建設和網絡的發展情況、設備壽命、擴建、擴容等可能因素達到降低工程總體造價和維護成本的目的。同時，我們在設計時也考慮了設備的技術先進型，將國內國外多家設備進行比較力求達到先進、實用、經濟。

　　在系統設計及選型配置中主要分為三步進行：基站供電需求分析、設備指標分析與比較、設備測試。

　　二、北京無線信息網微波基站供電需求分析

　　通信基站供電，一般給以下兩類負荷供電。一類是通信設備，一類是站內建筑用電。

　　北京無線信息網基站設備主要由三部分構成：骨干網交換機、SDH微波/PDH微波、邊緣路由設備及空調、照明、19英吋機柜等外圍設備。

　　因此在基站通信電源供電系統中分為以下幾部分進行考慮：

　　＊交直流負荷的電壓電流和功率；

　　＊直流電源；

　　＊交流電源；

　　＊自備獨立電源；

　　＊交直流電力線；

　　＊避雷、接地系統；

　　＊監控系統。

　　由于北京無線信息網骨干網交換機和SDH微波采用直流基礎電源－48V供電，空調、路由器、機柜風扇等其它設備工作于交流220V市電狀態。總的所需－48V直流功率為48V/20A，即約1k伏安。交流峰值功率為220V/10A即約為2k伏安。根據通信設備供電指標，－48V基礎電源的電壓變動范圍和雜音電壓要求如表1。

　　在保證安全效率及技術先進性前提下，直流電源全部選用高頻開關型電源，并按n+1冗余方式配置電源整流模塊，n只主用1只備用。外加一只主控模塊，容量按負荷電流和電池均充電流之和確定。

　　通信基站一般采用市電，由當地供電局的發電廠或變電站引出以10kV高壓配電線引入局內，經專用變壓器降壓變成380/220V低壓后供電給基站所在建筑經過基站配電系統提供經通信電源。當市電信停電或故障不能正常供電時，需由自備的柴油（或）汽油發電機組提供交流電。由于北京無線信息網選址均位于北京市大型商用辦公大廈上，基本上每幢大廈都可以提供兩路到三路供電。并根據常年統計結果，選擇在年市電中斷時間累計小于4小時，一次停電小于20分鐘的大廈建筑上。基本上所選大廈可提供一類市電即從兩個穩定可靠的獨立電源各自引入一路供電線。兩路電源不同時出現檢修停電，平均每月停電次數不大于1次，平將每次故障時間不大于0.5小時的要求。并且兩路供電線配置，有備用市電電源自動投入裝置。這樣雖然站址租金成本較高但安全可靠，可以僅用UPS逆變器和蓄電池組供電來提供不間斷供電，UPS總容量按最大負荷功率確定，即可滿足基站用電需求，而不必采購大量油機發電機組，以減少基站占地面積，同時也可以大大降低維護人員成本的支出。直流供電系統應采用在線充電方式以全浮充制運行。電池電壓、電池再充電或均衡充電電壓、初充電電壓等均應根據蓄電池種類和通信設備端子電壓計算確定。蓄電池是保證直流不間斷供電的最后一道防線，是技術維護工作中的重中之重。閥控式密封鉛酸蓄電池的預期壽命是在環境溫度為25度，浮充電壓不超過2.25Ｖ／只，且處于長期浮充狀態下的壽命，這是一個設計的理論值。要選擇品質好的閥控式密封鉛酸蓄電池，從生產電池的角度來看，由于其使用場所及放電方式不同，因此對電池的要求也是不一樣的。對常用的閥控式密封鉛配蓄電池電壓要求為下表所示范圍如表2。

　　由于通信電源的供電經過外部高低壓線路和其它民用輸電線路進入室內，而且由于一般用于無線傳輸，基站站址一般選擇較高。因此需要也充分考慮到防雷接地和其它共線的其它容性或感性的電器設備對通信設備的影響。基站所有通信電氣設備外殼接地電阻應≤4歐。

　　交流供電系統在滿足用電負荷前提下，均采用三相五線制供電。通信電源系統在低壓方式（220V/380V）工作時應充分合理計算分配負荷組成，對100kVA(kW)以上的通信電源系統還應對無功電力就地平衡，即在提高用電自然功率因數的基礎上，設計和裝置無功補償設備，并做到隨其電流和電壓變動及時投入或切除，防止無功電力倒送。

　　由于北京無線信息網所有基站均為SDH的微波無人值守站因此對電源設備要求更高，不僅要保證在無人值守狀態下的安全可靠性而且要能自動報警及受網絡中心遠程管理和控制并充分納入到智能管理的網絡中去。通常通信電源在主控模塊中應提供遙信、遙測、遙控的三遙功能，可實現自動投入、自動切除、自動補給等所需功能。

　　二、設備選擇與系統配置

　　根據我們對電源市場的調研，由于巨大的通信電源的市場需求和中國通信系統的快速發展，孕育了大批的通信電源生產企業，成規模的有十幾家，分為三種類型。第一類是自主研制開發，已生產出具有先進水平的系列電源產品，有僅可以滿足各種通信設備的需要，而且在航空、鐵路、電力等方面廣泛應用，較為典型的有華為、中興、洲際、珠江、動力源、通力環等公司。第二類是中外合資企業，如中達斯米克、亞澳、上海西門子、上海新電元等公司，他們采用國外較為先進的技術，在國內用戶中有較高的信譽度。第三類是進口部件國內組裝，或者直接銷售國外產品，如朗訊、愛立信、挪威易達等。他們的產品質量好，但成本也高，對國內市場的適應能力較差。我們通過對北京動力源、北京中子、中達斯米克、華為電源、武漢洲際、河北亞澳、首信億能、北京恒電等電源生產廠商進行了實地考察，并對設備進行了充分比較。一般每一個被考察的設備廠商都首先會出示其《質量體系認證證書（ISO9001）》，其次通信電源設備提供商還應提供由信息產業部電信設備審批的《電信設備進網許可證》。這樣可以初步保證所用設備的質量和可靠性。我們主要考察項目有：生產質量控制情況，廠商售后維護情況，廠商供貨期保證，及其已有用戶的反映。其中已有用戶的反映很關鍵，通過已有用戶的反映，我們可以全面了解廠商從售前用戶需求分析技術設計，供貨安裝及保修等一系列問題。

　　以下對所考察的通信電源設備的部分關鍵性能指標進一步進行闡述。

　　一般現在的開關電源均采用PWM（脈寬調制技術），通過調整工作于100kHz-150kHz的矩形脈沖波的占空比來保持電壓的穩定可靠。通信電源在交流輸入時選用電壓應較寬，即當輸入電源電壓變化范圍較大時開關電源能夠自動保持輸出電壓不變，一般要求輸入為單相：150~275V，三相：317~456V。配電電流單相應保證每路16A，三相32A。在用戶選項方面有許多廠商提供了兩路三相輸入時人工倒換和自動倒換兩種，一般工程設計員應在與建筑配電部門協商后進行選擇，因為人工倒換雖不如自動倒換方便，但為保證電力網絡安全，避免倒換過程中出現電力倒送，不少配電部門不允許采用自動倒換方式。另外采用機電互鎖機制的自動倒換柜要比人工倒換方式配置貴許多。所以通信電源在輸入雙路倒換過程中應注意其適用性及性價比。

　　直流模塊數目的選擇常根據所加總負荷功率確定，并作n+1冗余方式配置。同時還應兼顧通信機柜的規格尺寸，常用機柜為19英吋標準機柜，選擇的電源不另配電源柜而直接置于機柜內時應注意其尺寸要一致。此外選配的蓄電池組常由于體積龐大且較為沉重而于機柜外另外安裝。

　　直流輸出可根據負載需要分為若干路，一般廠商可根據用戶需求在提供標準配置的同時提供一定的用戶定制。輸出應保證與蓄電池并聯以浮充或均充方式工作，并具備手動或系統軟件調節功能。

　　其它系統配置要求還應考慮以下方面。

　　輸入端配置防雷保護器，低壓電力電纜在額定電壓為220/380V時模擬雷電沖擊電壓波電壓峰值為6（kV）(1.2/50us)，電力線宜采用具有金屬護套或絕緣護套電纜穿鋼管埋地引入基站，護套和鋼管兩端應進行可靠接地。

　　通常電池組電流測量常采用霍爾傳感器，靈敏度及準確性較高。電池低壓后系統應具備切除功能以保護電池避免因過放電而造成電池組損壞。

　　直流分路采用熔斷器，當直流過流熔斷后系統應能及時告警。

　　通信電源設備因其工作電流大及繞組線圈電渦效應等因素影響發熱量較大，因此需在設計安裝時采用合理的通風及散熱裝置，常見的有風冷和自冷兩種。風冷即電源采用長壽命風扇視容量變化自動調節風速以使設備降溫。自冷為采用較先進的結構材料制成的散熱板進行散熱。當系統功率因數＞0.99時，可保證系統合理的發熱量。

　　對所有的采用n+1保護的系統應保證整流模塊的熱插撥‘即插即用’以保證在單一模塊故障時在線更換新模塊不影響通信鏈路的正常運行。

　　在系統加電時為避免浪涌電流對設備造成不必要的損壞，不少通信電源中還設計了0.1秒軟啟動，并按IEEE/ANSI C62.41B標準提供0－256秒延時啟動進行浪涌保護。

　　所有的電子元器件都存在溫漂，所以通信電源在溫差較大的環境中工作應保證較好的溫度系數，一般不超過直流輸出電壓整定值的±0.01%

　　具備三遙（遙控、遙信、遙測）性能的通信電源設備常用RS232或RS485接口發出告警和狀態信息、接收控制指令。在整體設計基站系統中，可以將此信號與系統中其它通信設備的報警端口相聯接經過設定后可實現遠程集中監控，或通過MOXANPORT串口服務器接入以太網或因特網中進行控制。此外目前部分通信電源通過外置SNMP適配器，使通信電源具有直接上網功能，提供即時的電源系統資料。

　　通信電源系統保護與告警功能是通信電源的必要組成部分，通過此功能可以有效的防止設備損壞和因電源故障而引發的通信鏈路中斷。常需要的功能有：（1）交流入過、欠壓整流模塊自動關機，電網電壓正常時自動恢復。（2）直流輸出過、欠壓時告警，輸出過高整流模塊關機，這時可能輸出加載過大或存在輸出短路等故障。（3）蓄電池低壓中斷保護。（4）輸出短路保護，過流自動關機。（5）限流保護：限流范圍在30－110%之間調整。（6）過熱保護：系統工作過熱時為保護電源不被損壞應能自動關機。（7）采用風冷時，在風扇故障時系統應能告警。（8）輸入開關斷路后系統采用備電（電池組或UPS）工作時系統應能及時告警。（9）高頻開關電源一般噪聲要求在距離1米處小于60dB。

　　隨著通信系統網絡化發展通信電源的集中控制與管理也呈現出多種發展趨勢，尤其在大型的組網結構中通信系統不再采用單一的上位機與下位機的集中控制方式而更多采用與其它網元設備相一致的SNMP（簡單網絡管理協議）進行控制這樣不僅減少了網絡管理員的工作量，降低了維護人員的巡站頻率而且與其它網元設備使用同一平臺進行管理，使網絡管理趨向歸一化、簡單化、扁平化。也使通信電源管理更加高效便捷。

　　三、通信電源測試

　　通信電源初步選定后還應在模擬環境中進行測試，不僅要測試其功能是否滿足通信系統要求，還要借助測試設備測量電源雜音（紋波）等指標，過高的電源雜音將使數字通信系統誤碼率加大，系統穩定性下降。此外還要進行蓄電池組容量試驗。現在市場上有許多假冒電池和翻新電池，不能保證長期恒壓連續工作。除向設備供應商索閱相關檢測報告外還應對新安裝初充電后的電池組進行一次容量試驗，以后每三年進行一次放電，放出保證容量的50%~60%，然后再進行單獨充電。根據《JB/T8451-1996固定型閥控式密封鉛酸蓄電池標準》和《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池進網質量認證檢驗實驗細則》將需進行至少負荷電量、端電壓均衡性等16項檢驗，其中容量保存率要求完全充電后電池在25±5℃環境中靜放28天后不低于95%等。我們則針對通信基站供電和負載用電狀況對候選設備進行了必要的大電流放電等項抽測。

　　四、小結

　　通信電源在選擇時要從適合實際使用的情況出發，科學制定所需產品的技術性能指標，但決不是指標越高越好，因為高指標可能會造成整體可靠性的降低，成本抬高。在功能配置選擇上也要因地適宜。因為在同一品牌的功能配置上多一項不必要的功能就會增加不必要的成本開支。在檢測產品可靠性方面還要嚴格把關，要做滿負荷和超載１０％額定負荷的輸出能力檢測。電子產品的高溫試驗、電池的低溫試驗宜提高標準。檢測的產品應采用抽樣而不能送檢，執行抽樣規定必須嚴格。尤其是電池組在正常工作中一定時期的充放電有利于延長電池的壽命。最后通信電源的合理使用維護對電源系統的正常運轉和壽命都有很大影響。在運維的過程中，要不斷總結設備在網上的運行情況，根據技術進步和運行需要適時處理。

----《通信世界》