1   问题提出

根据国家构建“两型社会”的精神,以及从中国联通能耗特点和通信运营企业推进信息化对全社会节能减排做贡献的出发点,以持续创建“资源节约型企业”和“环境友好型企业”的目标要求,各通信电源设备供应商纷纷推出了结合自身特点的节能减排功能,虽然这些功能的具体实现策略各有不同,但基本方式却是一样的,即根据电源系统中工作的整流模块负载率的情况,调整实际投入工作的整流模块数量,而使其余的整流模块处于休眠状态,通过这种方式,使处于工作状态的整流模块可以工作在效率曲线比较高的负载率区间,从而实现节能的目的。

同时为了保证基站通信畅通,在基站通信电源设备进行容量配置时,往往在保证负载最大功耗的供电前提下,还需满足电池充电时的最大电流,同时还需考虑“N+1”冗余备份。但日常工作中,电源系统并不需要经常对蓄电池进行充电,而且多数情况下电源系统的实际负载电流低于容量配置设计时的最大电流。因此电源系统在日常工作时,普遍带载率较低,无法达到标称的系统效率,提高电源系统效率降低设备轻载损耗的需求就显得日益迫切。

2   模块节能实现方式

电源节能模式是通过完善的控制逻辑,在不影响电源系统正常运行的同时,根据当前的负载电流大小来控制实际工作的整流模块数量,使其他冗余整流模块进入休眠状态,这样既可以节省冗余整流模块的空耗，同时又提高工作状态的整流模块带载率，从而提高了工作整流模块的效率，达到节能目的。

为使工作的整流模块不至于因长期工作而老化,提高电源系统工作的稳定性,节能技术采用呼吸式管理,其示意图如图1所示。

图1  节能技术采用呼吸式管理示意图

呼吸式管理采用以下措施保证电源系统稳定供电:

(1)工作与休眠的整流模块定期切换,避免少数整流模块长期工作而另一部分整流模块长期休眠。

(2)“先开先关”的控制机制,确保每个整流模块的工作时间基本保持一致。“先开先关”系指在整流模块轮换时,优先启动休眠工作时间最长的整流模块。

(3)切换期间采用“先开后关”方式,保证整流模块的不间断供电,确保负载的可靠运行。“先开后关”系指在整流模块切换时,先打开一个休眠的整流模块,待该整流模块工作正常后,再控制另一个整流模块进入休眠状态。

(4)交流市电停电、整流模块及监控单元故障的条件下,有针对性的控制机制,按照优先确保可靠性,再考虑节能的思路确保电源系统的稳定运行。

3   节能原理

节能模式主要通过以下几个方面来实现。

(1)提高整流模块效率:监控单元通过跟踪负载电流的变化,控制整流模块的开启和休眠,使电源系统工作于最佳效率区域,实现效率的最优化和节能的最大化。开关电源的最佳工作效率区间在50%～80%的负载段,跟踪负载电流的情况可使整流模块尽量工作在最佳效率区间(见图2)。

图2  开关电源最佳效率图

(2)降低整流模块休眠状态下的功耗:通过在整流模块内部增设辅助电路完全关闭功率电路(包括AC/DC及DC/DC)进一步降低整流模块的休眠功耗。传统软关机模式下,软关机的整流模块功耗约为15～20W,3～4个整流模块软关机的功耗仍可达到45～80W。而优化改造后的整流模块休眠功耗可降低到5W以下,从而进一步强化节能效果。

4   开关电源模块效率情况分析

(1) 根据整流器的自身特性,即整流器在其输出电流与额定电流比值不同时,其输出效率不一样,不同电源厂家的开关电源模块效率情况差距不大,节能原理基本相同,显示不同型号的开关电源模块的效率曲线略有差别,但可以根据不同的效率曲线改变模块的工作方式,使开关电源模块工作在最佳节能状态,来达到节约电能的目的。例如:武汉普天公司目前各种整流模块的效率曲线如图3及图4所示。

图3  DMA-48V/30A负载率与效率关系曲线

图4  DMA-48V/100A负载率与效率关系曲线

通过模块效率曲线分析可知,廊坊通信基站电源供电系统中,电源供电系统的配置有蓄电池、开关电源,开关电源的配置是考虑系统的最大负载和蓄电池允许的最大充电电流及“N+1”备份等因素。但在实际应用中,开关电源对蓄电池的充电电流在绝大部分时间里等于零,所以实际中开关电源模块的输出负载率并不大。根据上述效率曲线分析,开关模块长期工作在轻负载的状态中,其工作效率都比较低。对于廊坊基站的这种情况,通信电源供电系统采用电源模块休眠技术,可以有效地提高基站电源供电系统的工作效率,节约很大部分的电能。

5   固网、移动通信基站电源系统开关整流模块热备份式休眠解决方案

(1)在监控模块中更换一个电源控制芯片,在主菜单的最后一个菜单前加入“整流模块额定电流值”设置菜单,范围0～125A。当设置为0A时,取消按整流模块的输出平均电流与其额定电流之比值,自动控制整流模块关机或开机的功能(即节能运行功能);当设置为额定电流值时,启用节能运行功能。

(2)在节能功能启用的情况下,当该比值<40%时,系统控制1台整流模块关机,1min后若该比值仍<40%,则系统控制另1台整流模块关机,依此类推。当该比值>85%时,系统控制1台整流模块开机,1min后若该比值仍>85%,则系统控制另1台整流模块开机,依此类推。直至40%≤该比值≤85%或只剩下2台(在菜单中可设置最低保证工作的模块数量)整流模块运行。

(3)增加了节能运行功能启用时使整流模块轮换工作的控制功能:每月的1日和16日9:00开启所有整流模块,使之开始新的轮换。

6   通信电源模块休眠试验报告

(1)试验地点

廊坊联通分公司综合楼一楼。

(2)试验时间

2010年9月8～10日。

(3)试验目的

比较电源休眠节能功能打开前后,模块休眠实现的结果以及具体用电的数据。

(4)试验对象

数据基础电源1套:设备型号:DUM14电源系统;监控器型号:DK04II;模块型号:DMA10-48/100 11个。

(5)试验所用仪表

电度表:DTS791-3×220/380V 3×15(60)A

(6)试验过程

①将监控器软件更换为具有节能功能的软件;

②在整流器架的交流输入端串接电度表;

③休眠节能功能打开,记录24h电源的耗电量;

④休眠节能功能关闭,记录24h电源的耗电量;

⑤电源设备恢复原来工作状态;

⑥试验数据分析。

(7)试验记录

①原电源工作状态:

负载电流:442A,电池电流:16A,输出电压:53.5V,输入交流电压:384V,输入交流电流:41A;

②休眠节能功能打开后,依次关闭2个模块;

③整架停电再来电后,模块全部工作,各模块平均电流下降至48A后又依次关闭了3个模块;

④9月8日AM 9:01休眠节能功能打开,电度表读数:1547,3个模块进入休眠;

⑤9月9日AM 9:01电度表读数:2158,

休眠节能功能关闭,AM 9:06电度表读数:2160,休眠的3个模块开始工作;

⑥9月10日AM 9:06电度表读数:2784。

(8)试验数据分析

休眠节能关闭运行24h,耗电量为:2784-2160=624kWh;

休眠节能开启运行24h,耗电量为:2158-1547=611kWh;

24h节约电量:624-611=13kWh。

(9)结论

每天节约用电13kWh,一年(365天计算)节约4745kWh,每kWh按0.7元计算,每年可节约3321.5元(每个基站节能改造需要费用928.00元,三个月多即可收回改造成本)。对于大系统改造需要费用1680.00元,6个月多可收回改造成本。

作者简介

武亚波,男。中国联通廊坊市分公司网络维护中心电源主管，本刊编委。（御风）