基于整流模塊效率曲線的電源節(jié)能方案探討

常 榮，鄧成蘭

（1．云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南 玉溪653100；2．云南電網(wǎng)公司昆明供電局，云南 昆明650011）

1 概 述

《中國南方電網(wǎng)公司中長期發(fā)展戰(zhàn)略》中提出了電網(wǎng)發(fā)展要向更加智能、高效、可靠、綠色方向轉(zhuǎn)變。要深化“綠色行動”，提高節(jié)能減排成效，節(jié)能減排應(yīng)落實于電網(wǎng)生產(chǎn)中的每個環(huán)節(jié)中。電力通信網(wǎng)作為現(xiàn)代電網(wǎng)的“第二張網(wǎng)”，擔(dān)負(fù)著為電網(wǎng)提供語音、實時控制數(shù)據(jù)、非實時管理數(shù)據(jù)和圖像等重要通信業(yè)務(wù)的任務(wù)，是電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的重要支持手段。通信電源作為電力系統(tǒng)的“心臟”，其安全性和可靠性對電力通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，通信電源能耗占機房總能耗的8%左右。雖然在整個通信系統(tǒng)中，通信電源能耗所占比例很小，但節(jié)能無“小處”。目前，很多文獻已在通信電源的節(jié)能降耗上進行了較深入的研究［3，4］。但對于電力通信系統(tǒng)而言，通信電源在輸入交流特性、輸出負(fù)荷特點上都有其獨特之處。現(xiàn)階段對電力通信電源的設(shè)計，往往還是只考慮了容量是否滿足設(shè)備運行的要求，而忽略了節(jié)能問題。

2 電力通信電源的組成

電力通信電源系統(tǒng)一般采用一路或兩路交流380 V AC電源，送至高頻開關(guān)電源，經(jīng)過整流濾波輸出－48 V的直流電，在對通信設(shè)備供電的同時對蓄電池組進行浮充（見圖1）。

圖1 電力通信電源系統(tǒng)組成

目前常見的高頻開關(guān)電源模塊容量主要有20 A、25 A、30 A、50 A和100 A等，電力通信系統(tǒng)高頻開關(guān)電源一般采用20 A、25 A、30 A和50 A 模塊構(gòu)成直流供電系統(tǒng)。

3 目前云南電力通信電源的設(shè)計思路

南方電網(wǎng)在電力通信網(wǎng)的建設(shè)過程中，不斷積累經(jīng)驗，改進設(shè)計，對于主網(wǎng)通信電源的設(shè)計、建設(shè)逐漸形成了一套比較統(tǒng)一的方案，并于2012年1月19日頒布了《南方電網(wǎng)通信電源技術(shù)規(guī)范》，對通信電源的設(shè)計作了如下要求：

（1）高頻開關(guān)電源應(yīng)具有智能化、人工可控的均衡充電、浮充電、均浮充轉(zhuǎn)換和溫度補償?shù)裙δ?，適應(yīng)蓄電池充電性能的要求。

（2）根據(jù)站內(nèi)各種通信設(shè)備供電需求，配置直流供電系統(tǒng)容量（含蓄電池、整流模塊）和配電端口數(shù)量，并滿足站內(nèi)通信設(shè)備5年規(guī)劃的發(fā)展需要。

（3）高頻開關(guān)電源整流模塊應(yīng)滿足N＋M冗余配置，其中N只主用，N≤10時，1只備用；N＞10時，每10只備用1只。整流模塊數(shù)量應(yīng)不少于3只。

根據(jù)《南方電網(wǎng)通信電源技術(shù)規(guī)范》，目前云南電網(wǎng)新建220 kV變電站的配套通信電源均采用雙重化配置，整流容量一般配置6×30 A模塊。對于新建110 kV變電站，根據(jù)通信設(shè)備種類、數(shù)量相對較少，需要的容量也不是很大的二級網(wǎng)通信特點，一般配置1套通信電源系統(tǒng)，配置兩套100 Ah的蓄電池組，高頻開關(guān)電源容量均按3×30 A配置。整流模塊的配置均包含了電池充電的容量。正常情況下，由于電池充電相對于整個系統(tǒng)工作時間來講只有很短的時間，因此，大部分時間內(nèi)電源系統(tǒng)工作在50%以下的負(fù)載效率較低的區(qū)間，因此電源系統(tǒng)大部分時間未工作在最佳的效率區(qū)間。

4 模塊效率與負(fù)載的關(guān)系

通信電源的工作效率是指其輸出功率與輸入功率的比率（公式1），它是電源設(shè)備制造商提供的重要參數(shù)，直接取決于整流模塊的效率。

通信電源正常工作時效率的直接影響因素是單個整流模塊的效率，間接影響因素是通信電源的負(fù)載率。設(shè)備制造商提供的電源系統(tǒng)的效率數(shù)據(jù)是模塊處于最佳工作狀態(tài)時的效率。對于普通的整流模塊而言，這一最高效率點出現(xiàn)在70%負(fù)載率之后，目前云南電網(wǎng)使用的艾默生整流模塊最佳工作狀態(tài)時的效率為80%負(fù)載率。但是從目前110 kV變電站的配置來看，系統(tǒng)的負(fù)載率基本上都在10%以下，最低的僅為3%左右。因此可以說，提升整流模塊單體的效率，改進其最高效率點與負(fù)載率的聯(lián)系，是提高通信電源效率的一種有效的手段。

圖2為典型的整流模塊在不同負(fù)載率下的效率曲線［6］。對于不同廠商、不同型號的整流模塊，效率曲線略有不同，但絕大多數(shù)整流模塊都具備如圖2所示的特點和規(guī)律，即通信電源設(shè)備效率在從低負(fù)率載到高負(fù)載率呈增加趨勢。由圖2中可以看出整流模塊的工作效率具有如下的規(guī)律：

圖2 整流模塊負(fù)載效率曲線

（1）負(fù)載率在50%～80%時，整流模塊具有一個較高的效率值，且效率曲線也比較平穩(wěn)。但是工作效率的最大值不是在100%負(fù)載率時。

（2）負(fù)載率在40%以下時，效率明顯低于50%～80%負(fù)載率，特別是在低負(fù)載率（10%～20%負(fù)載率）工作時，效率會急劇下降。

因此，為了讓整流模塊工作效率最大化，最好讓整流模塊在50%～80%負(fù)載率區(qū)間下工作?！锻ㄐ啪郑ㄕ荆╇娫聪到y(tǒng)維護技術(shù)要求 第3部分：直流系統(tǒng)》（YD／T1970．3－2010）中規(guī)定：整流模塊不宜長期工作在20%額定負(fù)載以下。整流模塊長期在低負(fù)載率下工作不僅浪費大量的能源，而且也不符合相關(guān)的技術(shù)要求規(guī)范。

5 電力通信電源系統(tǒng)運行維護中的節(jié)能方案

目前云南電網(wǎng)中使用的艾默生的整流模塊最佳工作效率一般設(shè)置為80%負(fù)載率。表1統(tǒng)計了玉溪電網(wǎng)6個110 kV變電站通信電源負(fù)載電流，從表中可以看出負(fù)載電流最大為7．3 A，最小為3 A。110 kV變電站高頻開關(guān)電源容量均按3×30 A考慮配置。根據(jù)表1的統(tǒng)計，110 kV變電站通信電源的負(fù)載電流一般只有3 A～8 A之間，而且目前所使用的整流模塊一般采用均流技術(shù)，使電流均勻地從各個模塊上輸出。均流技術(shù)提高了電源并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是導(dǎo)致每個模塊的輸出電流相當(dāng)小，從而使整流模塊長期在10%以下的效率區(qū)間運行，浪費了大量的電能。

表1 110 kV變電站通信電源負(fù)載電流統(tǒng)計

需要指出的是，對于采用雙重化電源配置的220 kV及其以上的站點，由于整流模塊容量配置較大，提高負(fù)載率會有更大的潛力。

本文基于整流模塊的效率曲線，通過提高負(fù)載率，來提高整流模塊工作效率，達到節(jié)能降耗的目的。要提高整流模塊的輸出效率，目前一般采用如下兩種方法。

5．1 優(yōu)化模塊的配置

從上面的分析可以看出，整流模塊的工作效率與負(fù)載率之間有很大的關(guān)系。通過提高負(fù)載率，可以提高整流模塊的工作效率。

以某110 kV變電站通信電源為例，計算采用不同容量整流模塊的能耗情況。

110 kV變電站通信設(shè)備的配置一般為一臺光傳輸設(shè)備，一臺PCM設(shè)備，一臺載波機。調(diào)度網(wǎng)數(shù)據(jù)暫時還沒覆蓋到110 kV的站點，用于生產(chǎn)MIS系統(tǒng)的交換機使用交流供電。當(dāng)交流輸入正常時，假設(shè)整流模塊輸出電流約為5 A。蓄電池的容量為2×100 Ah，充電電流0．1 C10為200÷10＝20 A，最壞情況下，整流模塊最大的輸出電流為25 A。

（1）標(biāo)準(zhǔn)配置：配置額定容量為3×30 A的整流模塊

交流輸入正常時，每個整流模塊的輸出電流為5 A／3＝1．67 A，負(fù)載率約為5．6%，此時整流模塊的效率只有70%左右。電池組浮充電壓54 V。機房通信設(shè)備一年消耗的電量為54 V×5 A×24 h×365天／70%＝3378857 Wh≈3378．86 kWh。

（2）優(yōu)化后模塊配置：配置額定容量為3×20 A的整流模塊

交流輸入正常時，每個整流模塊的輸出電流為5 A／3＝1．67 A，負(fù)載率約為8．3%，此時整流模塊的效率為80%左右。電池組浮充電壓54 V。機房通信設(shè)備一年消耗的電量為54 V×5 A×24 h×365天／80%＝2956500 Wh＝2956．5 kWh。對比兩種方案可以看出，配置容量為20 A的整流模塊比配置容量為30 A的整流模塊能夠節(jié)省13%左右的電量。這樣僅高頻開關(guān)組合電源的能耗一年就會節(jié)省422．35度電。如果按全省所有的變電站來計算，其經(jīng)濟效益還是相當(dāng)可觀的。

5．2 應(yīng)用模塊休眠技術(shù)

由于電力通信要求的安全性、可靠性比較高，整流模塊的設(shè)計應(yīng)滿足N＋1的要求（N≥2）。整流模塊設(shè)計的冗余量較大，并且實際運行中，整流模塊運行在均流模式下，這樣導(dǎo)致每個整流模塊輸出的電流均較小。在滿足規(guī)范要求的情況下，選擇容量較小的整流模塊雖然可以提高整流模塊的工作效率，但是并不能使其工作在效率最高的狀態(tài)。從上面的分析來看，整流模塊還是工作在20%額定負(fù)載以下。為了進一步提高整流模塊的工作效率，可以采用模塊休眠技術(shù)。

休眠節(jié)能技術(shù)的主要思路是根據(jù)電源系統(tǒng)的負(fù)載情況和當(dāng)前整流模塊的工作情況，通過合理的邏輯判斷和控制，在保證系統(tǒng)冗余安全的條件下，有選擇地打開或休眠部分模塊，使整流模塊工作在最佳效率點，從而提高系統(tǒng)的工作效率。這里所說的休眠節(jié)能模式和模塊的冷備份模式有本質(zhì)上的不同。休眠節(jié)能模式下，模塊的主要電路完全停止工作，但控制電路仍在工作，保證系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，一旦有異常情況，休眠模塊可以立即進入工作狀態(tài)，休眠節(jié)能模式原理如圖3所示。而冷備份模式是模塊的所有電路均處于停止?fàn)顟B(tài)。

圖3 休眠節(jié)能模式原理圖（虛線內(nèi)為休眠部分）

根據(jù)整流模塊的效率曲線，可以設(shè)置冗余模塊關(guān)斷點或開啟點，提高整流模塊工作效率。從前面的分析知道，整流模塊工作在50%～80%負(fù)載率時效率接近最大值。因此，可以設(shè)置負(fù)載率為50%的點為冗余模塊的軟關(guān)斷點，負(fù)載率為80%的點為軟開啟點，這樣可以實現(xiàn)效率的最大化。但從圖2可以看出，在40%～80%負(fù)載率下，整流模塊的工作效率都可以維持在一個較高的值；與最大效率值相比較，40%負(fù)載率時效率下降幅度在0．5%范圍內(nèi)，100%負(fù)載率時效率下降幅度在1%范同內(nèi)，而40%以下的負(fù)載率時效率下降非常明顯，最大下降幅度約10%。事實上，整流模塊最低效率區(qū)間出現(xiàn)在低負(fù)載率的情況下。所以，冗余模塊的軟關(guān)斷點可以設(shè)置在40%～50%負(fù)載率之間，軟開啟點設(shè)置在80%～100%負(fù)載率之間。各站可以根據(jù)實際情況設(shè)置軟關(guān)斷點和軟開啟點。

5．3 風(fēng)險分析

電力通信系統(tǒng)要求有很高的可靠性?！赌戏诫娋W(wǎng)通信電源技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，直流開關(guān)電源的整流模塊配置采用“N＋1”模式：其中“N”為滿足在最不利條件下負(fù)載工作和電池充電所需要的模塊數(shù)（N≥3），“＋1”表示冗余模塊，N＞10時，每10只還備用1只。在最不利條件下，整流模塊向負(fù)載供電的同時對蓄電池均充，輸出總電流為負(fù)載電流最大值與均充電流值之和。因此，在選擇較小容量的整流模塊時，若不限制均充電流的大小，整流模塊處于過負(fù)荷狀態(tài)，影響電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。但《南方電網(wǎng)通信電源技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定指出：蓄電池均充方式采用恒壓限流方式，均充限流設(shè)置為0．1C10。因此，在對通信電源的運行維護中應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，確保電源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

采用模塊休眠技術(shù)時，由于工作模塊長期大電流輸出可能導(dǎo)致該模塊生命周期短于休眠模塊，因此需要周期性地輪換工作模塊，使所有模塊同步老化，這種功能稱為循環(huán)開關(guān)機。通過對模塊進行循環(huán)開關(guān)機，延長模塊和系統(tǒng)壽命。循環(huán)開關(guān)機的周期可以在監(jiān)控單元上進行設(shè)置。出廠默認(rèn)提供了一個根據(jù)整流模塊內(nèi)部主功率器件特性決定的一個循環(huán)周期，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)所在地特性進行靈活設(shè)置。通過以上的分析，采取相應(yīng)的管理手段和技術(shù)手段可以使存在的風(fēng)險達到可以容忍的范圍之內(nèi)，實現(xiàn)節(jié)能與可靠的統(tǒng)一。

6 結(jié)束語

節(jié)能無“小處”，雖然在電力通信機房中，通信電源能耗所占比例很小，但是在龐大的電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通信電源的總耗電量卻是一個不小的數(shù)字。在對電力通信電源容量設(shè)計時，不僅要考慮容量是否滿足設(shè)備運行的要求，而且也應(yīng)該要考慮通信電源的節(jié)能問題。在保證安全性和可靠性的前提下，通過優(yōu)化整流模塊的配置和模塊休眠技術(shù)，提高整流模塊工作效率，達到節(jié)能降耗的目的。從目前云南電力通信網(wǎng)的運行特點，以及實現(xiàn)的難易程度，該方案具有一定的可行性。

［1］ 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司．中國南方電網(wǎng)公司中長期發(fā)展戰(zhàn)略［Z］．2011．

［2］ 徐小濤．現(xiàn)代通信電源技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［3］ 宋福峰．通信電源系統(tǒng)設(shè)計及運行維護中節(jié)能方案探討［J］．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，23（3）：69－71．

［4］ 項 磊．高壓直流供電及應(yīng)用初論［J］．通信電源技術(shù)，2011，28（2）：44－49．

［5］ Q／CSG110021－2011，南方電網(wǎng)通信電源技術(shù)規(guī)范［S］．中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，2012．

［6］ Miftakhutdinov R．Power saving solutions in DC／DC converter for data and telecommunication power system［C］．IEEE，2009．

［7］ YD／T1970．3－2010，通信局（站）電源系統(tǒng)維護技術(shù)要求第3部分：直流系統(tǒng)［S］．中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2010．