浅谈通信局(站)电源系统节能减排措施

牛 威,李俭兵,2

(1.重庆邮电大学通信新技术应用研究所,重庆400065;2.重庆信科设计有限公司,重庆400065)

根据能耗模型,电源系统占局站能耗的8%。对通信基站的节能减排工作最核心的部分虽然是通信主设备和机房空调的节电工作,但通信电源的节电同样会进一步降低前级交流配电和机房空调的能耗,因此通信电源本身的节电也是基站降耗不可忽略的一个部分。下面将从几个方面论述通信局(站)中电源系统节能减排的措施。碎、水淹、门磁开关、智能门禁、手动报警开关、空调以及各个局站的现场视频等。

1 动力环境监控系统

动力环境监控系统针对各种通信局站(包括通信机房、基站、支局、模块局等)的设备特点和工作环境,对局站内的通信电源、蓄电池组、UPS、发电机、空调等智能、非智能设备以及温湿度、烟雾、地水、门禁等环境量实现“遥测、遥信、遥控、遥调”等功能。利用动力环境监控系统能有效地提高网络的运行维护效率,减少维护成本。

动力监控的对象主要有两种:

(1)动力设备 如高低压配电、通信机房的电源、整流器、稳压器、油机、逆变器、蓄电池组、UPS以及太阳能供电设备、风力发电设备等,如图1所示。

(2)环境参量 如温度、湿度、烟感、红外、玻璃破

图1 动力设备监控对象

通信局(站)采用动力环境集中监控,具有很多的优势:应用监控系统的自动化管理手段,可大大减少设备维护人员;可实现动力各类告警信息的实时传递,正确的定位设备故障点,确定故障解决方案;可实现数据采集的连续性、真实性、可存储性,改变了传统的维护模式;可充分利用动力监控实时综合信息的监控和分析,减少了动力工程投资规模;除动力安全保障手段外,还可实现基站节能的自动化突破。

2 通信电源的休眠节能技术

对开关电源的节能措施,除了通过技术改进提高不同负载率时整流模块的整体效率特性、降低模块自身功耗等措施,还可通过对开关电源的能效管理来实现节能。通过对电源模块的休眠管理,提高运行模块的负载率,可以更加合理地利用开关电源的功率曲线,实现很好的节能效果。

开关电源整流模块智能休眠功能,是一种通信电源中通过整流模块的冗余控制的节能技术。在通信电源系统多模块并联工作时,根据系统实际负载动态调整工作模块数量,使其它并联模块进入休眠状态,从而使系统总电能损耗减小到最小值。

休眠状态的整流模块数量可根据负载的变化而动态调整,当负载增大到一定值时,可自动唤醒休眠模块,保证整体输出容量。同时还可以通过软件设置整流模块的休眠时间和休眠次序,使各整流模块轮换休眠,维持各整流模块工作时长的平均,提高各模块的使用寿命。

图2 不同负载率时效率表

从图2所示效率曲线可以看出,通信电源设备的效率随着负载率的增加整体呈上升趋势。整流模块的负载率(模块的输出工作电流/模块的额定电流)越高、其工作效率越高,能耗损失越小。同时,监控单元可对工作整流器、休眠整流器实行定期的开关转换,保证各模块的工作时间和待机时间基本一致,以保证所有模块均匀老化,具有相同的工作寿命。

表1为在网运行的某型通信电源系统通过节能改造后,实际配置210 A系统,在不同负载率条件下节能前后的效率比较和节能效果测试数据。从测试结果可看出,采用休眠节能技术后,电源系统效率得到明显提升,且在不同负载率下保持较平稳的状态。因此休眠节能技术达到了控制系统在不同负载条件下工作在最佳效率点,实现能耗降低的目的。

表1 电源系统休眠节能测试结果

由图3可见,模块负载率越低在休眠节能模式工作时节能越明显。10%负载率时节能后电源系统功耗可降低一半以上。休眠节能技术已经得到实际站点的运行验证,通过比较站点的平均日耗电量,日均节电5.4～6.7 kWh,因此实际节能效果非常明显。开关电源系统的节能会降低交流配电和空调耗电,从而带来整个机房更大的节能。电源休眠节能对降低机房能耗是非常有效的。

图3 不同负载率时系统功耗降低率

3 蓄电池修复技术

蓄电池修复技术只能够修复部分蓄电池:

(1)并非所有落后蓄电池均可修复;

(2)极板膨胀、极板腐蚀、极板钝化、有效物质脱落(不可修复)、电解液干涸、极板短路、极板硫化(可修复);

(3)对于容量为额定容量40%～80%的落后电池修复成功率比较高。经试验表明,可修复率高达95%;

(4)对于容量为额定容量40%以下的落后电池基本无法修复;

(5)对严重极板硫化、电解液干涸或极间短路、开路的电池(内阻严重偏大、电压很高或为零)应立即更换。

蓄电池活化修复并不能节省电能,但可以产生很可观的经济效益。

4 高压直流供电技术

通信行业中仍以使用直流电源为主,约占97%,交流(UPS)供电系统只占3%,但是交流(UPS)供电系统的安全性,令人十分担忧。

高压直流供电技术是目前IDC和大型数据机房供电方式的研究热点。该技术与传统48 V供电系统类似,是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成。在正常情况下,整流器将市电交流电源变换为大约240 V、336 V或420 V的直流电源(标准还待进一步统一),供给服务器等电信设备,同时给蓄电池充电;停电时,由蓄电池放电为电信设备供电。与传统UPS相比,由于省掉了逆变部分,且电池直接并在输出端,电源效率和系统可靠性大大提高。

对于高压直流可能带来的建设、维护等安全问题,可以通过采用中性点不接地、配置直流开关等技术,以及编制行业标准、建设运维管理制度等措施加以预防和解决。

图4是传统 UPS与直流IDC供电的比较,可以看到采用高压直供电方式取代传统的UPS供电方式,能改善系统安全性能、减少电能消耗、节约建设成本。

目前国内高压直流供电尚处于小范围试验应用阶段,尚未出现安全问题,需要进一步实验后推广。和传统的UPS供电技术相比,高压直流技术具有很多的优势:

图4 传统UPS与直流IDC供电的比较

(1)供电可靠性大大提高

蓄电池可以作为电源直接并联负载端,确保供电的不间断。直流供电只有电压振幅一个参数,不存在的相位、相序、频率需同步的问题。

不存在并机板的单点故障问题。即使脱离控制模块,也能并联输出电能。

(2)工作效率提高

省掉了逆变环节(逆变环节的损耗在5%左右)。

不存在功率因数及谐波的问题,降低了线损。

可以通过多模块并联使模块使用率达到70%～80%。

根据江苏等地实测情况,相比传统 UPS,高压直流供电的工作效率可提高30%。

(3)系统可维护性增强、扩容便捷

直流供电系统由模块组成,与-48 V系统类似,维护人员可以自己进行维护、更换。由于采用模块化结构,扩容时非常方便。

(4)技术比较成熟,基本原理与传统-48 V相同。

目前在使用的高压直流电压有两种标准:中国电信主要采用直流240 V,已在江苏试验了近2年,正在全省推广。全国多省开始试点。中国移动主要采用直流336 V,正在广东移动试点。根据试行的情况来看两中电压的优缺点如下:240 V电压标准:服务器及各类IT配套设备不需做任何改动;与交流220 V电压接近,绝缘标准等一致;其不足之处是节能效果较336 V稍低、增加了电缆的消耗。

336 V电压标准:电压高、损耗小、更节能、电缆线径可更小,节约铜材;但是部分IT设备需要改造、IT设备能否长期运行是个未知数。

所以目前对于高压直流供电技术来说电压究竟采用多少还在试行阶段,还需要进一步的研究以找到一种合适的电压。

5 小 结

从目前的情况来看“节能减排”是势在必行的,在通信基站的节能减排中对通信电源系统的节电也是不容忽略,前面谈到的一些措施如果能够很好地推行,那么通信电源系统的节能减排工作将有很大的成效。

[1]宋福峰.通信电源系统节能方案研究[D].北京:邮电大学,2009.

[2]杜旭升.通信电源节能探讨[J].通信电源技术,2009,26(3):20-21.

[3]朱雄世.国外数据通信设备高压直流供电新系统[J].邮电设计技术,2009,(5):66-70.