通信电源高效节能控制技术探讨

杨宝义

（青岛亿斯欧管理咨询有限公司，山东 青岛 266400）

0 引 言

5G时代通信呈现出超大带宽、无限连接、海量信息以及超低时延的特征，越来越多的频谱投入，通信能源消耗急速增长。电源系统作为主要耗能部分，决定了通信电源的整体节能效果[1]。通信电源系统的能源消耗是新时期通信能源系统设计的关键[2]。但当前通信电源效率仍停留在整流模块阶段，效率一般在90%以上，最高效率为99%，但即使达到了99%的极限控制水平，也不能改变能源消耗更多发生在整站层面的现状。因此要更加关注站点级能源高效节能控制技术的应用，加大对整站通信电源高效节能关键技术的研究[3]。

1 通信设备高效节能控制技术

1.1 降低变压器能耗

变压器能耗是主要的设备能耗，其节能技术首先是减少空载损耗，变压器空载和负载损耗为：

式中，PT代表负载损耗，P0为空载下的有功损耗，Pk为满载下的有功损耗，Sr为额定容量，β为负载率。从公式可见，负载损耗和负载量β的平方呈正比。因此在运行中，当负荷低于减少一台最大负荷和负载率，即可轮流关掉一台变压器，实现节能降耗的目的。当变压器负载率长期在30%以下，即可以减少一台变压器。其次是合理分配负载，在所有变压器型号和规格相同的状况下，负载相同，其损耗最小。因此在设备选型过程中要选择一致性的变压器，同时确保变压器运行能耗和电压器相匹配。

1.2 电源转换装置节能技术

电源转换装置的效率决定了其能耗利用效率，低效的转换装置发热过高，还会增大空调系统的压力[4]。目前不同厂家的转换装置效率在80%～95%，如果设备和电源转换器存在不匹配，那么电路电阻就会上升，从而导致设备无效能耗增加。为了降低通信设备能耗，就要降低信息转化芯片的能耗水平，其对应的能耗装置也会相应实现节能。

1.3 电池节能技术

尽管阀控铅酸电池具有良好的防酸防爆特性，但是环境适应性较差、维护难度高且节能性较差，因此目前铅蓄电池正在逐渐向锂电池转化。锂电池因为工作温度更宽，可以实现将制冷启动温度阈值上调，减少空调耗能。使用梯级利用动力锂电池可以延长电池寿命，提高单次充放电利用率。梯级电池应用的关键因素是电池智能管理和控制系统的应用，既对电池组状态进行检测，提高其安全性能，又能够实现最佳充放电控制[5]。本系统采用隔离电源供电，能够对第i（1≤i≤n）个电池单体进行独立检测。

2 通信电源谐波治理技术

2.1 电源系统谐波的危害

一是谐波电流使发电机组严重发热，进而出现非线性负载产生的电压畸变，严重时会导致油机无法正常运行[6]。二是对变压器产生集肤效应和邻近效应，铜耗铁耗增加，会引起过度温升。三是对电缆产生集肤效应，增加谐波电阻和线路损耗，影响其载流量，降低其传输能力，其使用寿命最大可降低60%[7]。四是谐波电流会降低热元件的发热动作电流，会导致电路器误操作。五是电力电容器的阻抗特性使其吸收谐波电流，导致过载发热，甚至谐波谐振。六是干扰通信线路，引起电磁干扰，甚至会造成故障。七是谐波严重还会导致电容柜和相关器件烧毁，影响设备安全。八是谐波产生无效能耗，降低节能效率。

2.2 通信电影谐波电源节能技术的应用

一是对整流设备进行治理，校正有源功率因数，提升整流设备功率因数，或增加设备脉冲数和频率，降低谐波含量。要进一步降低谐波，还应该提升谐波输入指标，或是对谐波标准设备进行配置。二是安装滤波装置，减少无源滤波器和系统之间的阻抗造成的并联谐振现象。可以采用有源滤波器对电信号进行实时采集，将谐波分离出来，并且借助IGRT逆变出补偿电流。三是采用开关电源节能技术，使用智能开关调节整流模块，使负载外的整流模块处于休眠状态。开关电源应在浮冲状态下进行，采用热插拔方式，同时靠近系统负荷中心，尽管缩短电缆长度，引入高效整流模块，降低系统运行能耗损失。四是采用高频变化模式，减少通信电源的体积，增强其供电能力。未来，在通信电源中应该增加高频变化技术的应用，不断改进开关技术，提升通信电源的集成性，在进一步简化结构的基础上加强模块化设计，如应用软开关技术降低损耗，实现开关零电压，提升变换频率。使用电感或电容等储能元件，转移电压、电流，全桥移相变换器的效率高达93%。五是采用低电流处理技术，降低谐波对设备和系统造成的干扰，减少输入电流的脉冲形成，降低电网负荷。还可采用高压直流电源代替UPS电源，提高系统运行效率。

3 整站通信电源高效节能技术

目前，基站耗电占通信能耗的90%左右，而基站数量又是决定通信网络的关键因素。因此要高度重视整站节能技术，采用新能源、新技术等实现通信电源的高效节能。

3.1 电池地埋技术的应用

机房规划综合考虑各个设备的位置，缩短导线，使用高性能隔热材料制作节能墙体和门窗。电池安装位置要方便维护，预留足够空间，与墙体保持800 mm以上的距离。为了进一步提高节能效果，本研究建议采用电池地埋技术，降低蓄电池的温度，避免在高温下损坏蓄电池。在地埋装置中安装换气风扇和湿度传感器，避免潮湿环境带来的损害。选用防潮的塑料材质，使用焊接方法降低成本，对于硬度不高的塑料要浇筑水泥平台或者放置水泥板。尤其重要的是做好电池箱的防水和通风散热，安装防水胶条，做好密封，合理布置进气管和排气管，排气管末端安装独立风扇，彻底排出箱体内酸气和潮气。也要做好防虫设计，在管口安装防虫网等设施。在此基础上，采用蓄电池恒温技术，给蓄电池配备独立的系统，保持其温度在15～25 ℃。

3.2 构建风电互补发电系统

根据工信部的文件，大力应用新能源技术，针对当前太阳能供电不足和风能不稳定的现象，就要增加其额定容量，同时建立新能源与市电互补供电系统。在实际应用中，优先使用清洁能源，当受到气象条件影响供电不足的时候，使用市电进行补充。清洁能源发电量高于负载量时，向电网输电，提高电能利用率。例如，采用光储联合发电系统，系统使用光伏装置连接电网，用于向电网输电[8]。储能装置处于充电模式时电网向系统输送电能，处于放电模式时向电网输电。考虑到移动通信基站的负荷波动小，因此要采用控制系统进行需量电费管理。本设计采用风光互补供电系统，结构如图1所示。风机大叶片带动齿轮转动，快速切割磁力线，获得交流电能。使用太阳能电池板稳定获得直流电，由逆变器将直流电转换为交流电。为实现智能调节，控制系统需实时反馈并且调节日照、风力以及负载耗电等指标。

图1 风电互补发电系统图

3.3 构建智能通风系统

基站内部温度调节也对节能效果有着巨大的影响，过高过低的温度都会造成能耗增加，甚至产生“掉站”现象。目前多数机房都是通过空调降温，其能耗能占到基站的50%左右。因此要推广智能通风等新技术，采用空气循环、过滤和冷却控制，利用室内外温差，不需制冷直接引入冷空气，排除热空气，如LTE节能技术[9]。系统平时采用自动化模式，设定好温度阈值，室温小于最小值时关闭空调和风机，当室温处于阈值之间，室外湿度在阈值80%之内时，打开风机，当室温高于阈值时打开空调关闭风机。

引入新风能技术，在通信机房内建立新风系统，充分利用自然冷源。当室外温度较高时直接引入冷风进行冷却，当室外温度较高时启动空调系统。为了提高节能效率，还可以使用双循环节能空调设备，如采用完全节能泵模式还可以实现55%以上的节能。此外，可采用非电空调制冷技术将溴化锂溶液加热，水先于溴化锂蒸发冷凝之后再次和溴化锂相融，实现降低目的，其节能效果能够达到30%以上。采用风扇智能调速，系统中安装温度传感器，通过改变风扇电压等方式调节转速，其节能效果可高达70%。同时也要适当减小机房面积，并且加装分布式热管空调和冷却设备，提高节能效果。

3.4 实现数字化智能控制

为了及时了解通信电源的能耗状态，使用数字技术和传感器技术提升电气自动化控制水平，实现精准核算。例如太阳能发电将削峰填谷技术和数字化控制相结合，对基站实施峰值削波，在峰电阶段，控制空调系统不工作直到阈值再开启，其原理如图2所示。多余太阳能发电可以利用蓄电池进行存储，以应对特殊天气。考虑到通信工程的复杂环境，要实现其高效节能，就要充分利用电气自动化和智能化技术，对通信电源实现全面的数字化控制。通过引入新型的微处理器和电源管理系统对通信电源进行节能自动化控制，发挥自我诊断和修复功能，提升节能效率，如采用ARM最优控制算法来提高开关电源的效率[10]。通信电源可以采用分布式监控方式和模块化设计，实现电池的均浮充转换、电量管理、节能运行、电池测试以及停电后的来电预限流控制等，维护人员可以直接在操作界面上完成电池维护的工作。

图2 太阳能发电功率配置

4 结 论

我国是通信大国，每年通信电源系统电能消耗巨大，高效节能技术的研发应用迫在眉睫。因此在未来的研究中，要加大对电池管理技术、智能控制技术、计算机算法以及站点级节能技术的研发，从而推动通信行业的健康稳定发展。