基于電壓波動分析的基站發(fā)電時(shí)長稽核算法研究

肖平

【摘 要】通信基站發(fā)電時(shí)長的稽核是通信運(yùn)營商節(jié)約運(yùn)維成本的重要手段。針對當(dāng)前通信基站的交流供電特點(diǎn)，提出一種基于通信基站交流輸入電壓波動特性判定基站發(fā)電時(shí)長的算法。在分析通信基站三種電力供應(yīng)方式的基礎(chǔ)上，介紹了動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對交流輸入電壓的采集及記錄，將基站油機(jī)發(fā)電時(shí)段的定位問題轉(zhuǎn)化為交流輸入電壓的波動頻度判定。最后用MATLAB仿真軟件驗(yàn)證了算法的有效性，且實(shí)測數(shù)據(jù)與實(shí)際記錄數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度良好，驗(yàn)證了算法的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】降本增效 發(fā)電時(shí)長 電壓波動 波動頻度 動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

在“市場飽和”和“GDP增速下降”的雙重考驗(yàn)下，通信行業(yè)的收入側(cè)將進(jìn)入飽和市場新常態(tài)，降本增效是一條通信運(yùn)營商的必走之路。推進(jìn)管理方式由粗放型向集約化、精細(xì)化轉(zhuǎn)變，能提升資源使用效率，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，是達(dá)到降本增效的方法之一。通信基站的應(yīng)急發(fā)電費(fèi)用包括油料費(fèi)與發(fā)電服務(wù)費(fèi)，前者是運(yùn)營商的動力水電費(fèi)的構(gòu)成部分，后者是網(wǎng)絡(luò)代維費(fèi)的構(gòu)成部分。代維單位及其員工為獲取利益，可能會虛報(bào)發(fā)電，或進(jìn)行“人工拉閘-合閘”模擬發(fā)電，以套取油料費(fèi)與發(fā)電服務(wù)費(fèi)。為了避免虛假發(fā)電情況的發(fā)生，節(jié)約油料費(fèi)與發(fā)電服務(wù)費(fèi)，控制代維發(fā)電成本，需對基站發(fā)電真實(shí)性及時(shí)長進(jìn)行有效稽核。目前基站發(fā)電時(shí)長的分析方法或相關(guān)技術(shù)研究文獻(xiàn)主要基于人工或外置記錄模塊，存在主觀性、需增加投資、后期需維護(hù)等缺點(diǎn)。針對該問題，本文嘗試通過對基站電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究出一套客觀性強(qiáng)、有效的基站發(fā)電時(shí)長自動稽核算法。

2 基站設(shè)備供電方式

基站設(shè)備不同的供電方式會產(chǎn)生不同的電壓值記錄，是電壓波動分析的前提。余翼等人[1]介紹了一種采用光伏、風(fēng)力、燃料電池進(jìn)行能量自供給的通信基站[1]，但因新能源在我國通信基站建設(shè)中未被普遍使用，不具典型性，故本文的研究未涉及新能源通信基站供電，而主要集中在公網(wǎng)主供電與發(fā)電機(jī)備用供電切換這一場景下開展相關(guān)研究。普通通信基站由于其覆蓋的目標(biāo)性，絕大多數(shù)無法采取獨(dú)立變壓器進(jìn)行輸變電，一般就近接入公共電網(wǎng)電源進(jìn)行主供電，停電時(shí)采用后備電池供電，應(yīng)急油機(jī)到位后使用油機(jī)發(fā)電[2]，且不同的供電狀態(tài)下基站機(jī)房輸入電壓值特性不同。

2.1 公共電網(wǎng)主供電

一個理想供電系統(tǒng)的三相交流電源對稱、電壓均方根值恒定，并且負(fù)荷特性與系統(tǒng)電壓水平無關(guān)。這就要求電力用戶的負(fù)荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取電能，同時(shí)也要求PCC（Point of Common Coupling，公共連接點(diǎn)）的短路容量無窮大，系統(tǒng)的等值電抗為零[3]。而實(shí)際上，這些條件在公共電網(wǎng)主供電下是不可能滿足的。由于沖擊性功率負(fù)荷（如電弧爐、軋鋼機(jī)、電力機(jī)車、電焊機(jī)以及高功率脈沖輸出的電力電子設(shè)備等）的接入、分布式發(fā)電能源的并入，公網(wǎng)電壓將受到影響，產(chǎn)生電壓波動[4]。電壓波動是最為常見的一種電能質(zhì)量問題，電力系統(tǒng)電壓波動的基本定義是電壓均方根值一系列的相對快速變動或連續(xù)的改變現(xiàn)象。對三相交流電的一相進(jìn)行分析，可以在波動的一個工作周期或者規(guī)定的一段檢測時(shí)間內(nèi)，沿時(shí)間軸對被檢測電壓每半個周期求一個均方根值，并按照時(shí)間軸順序進(jìn)行排序，則可以看到連續(xù)的電壓包絡(luò)線圖形，稱這圖形為電壓均方根值曲線。國際電工委員會IEC規(guī)定，低壓電力網(wǎng)中，電壓波動最大值相對額定電壓不應(yīng)超過4%，電壓均方根值曲線可近似為[5]：

Ut=UN+Msin（Ωt+φ） （1）

公式（1）中，UN為額定電壓均方根值，國內(nèi)的低壓電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為220 V；M為調(diào)制率，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)調(diào)制率為4.4；Ω為低頻正弦調(diào)制信號角頻率；t為電壓信號持續(xù)的時(shí)間；φ為低頻正弦調(diào)制信號初相角。由公式（1）生成的電壓曲線圖如圖1所示。

對湘潭地區(qū)的電壓變動進(jìn)行測量跟蹤，實(shí)際電壓波動一般為10 V以下，即調(diào)制率M≤5 V。

2.2 備用供電

（1）蓄電池組供電

目前通信基站主要采用閥控式密封鉛酸蓄電池作為后備電源，額定電壓2 V/只，24只為一組，通常配置2組。蓄電池組通過化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，當(dāng)市電斷開時(shí)，在開關(guān)電源的控制下為設(shè)備提供-48 V的電力供應(yīng)[6-7]。蓄電池組容量根據(jù)基站直流負(fù)荷和基站所需蓄電池的后備時(shí)間確定，其中直流負(fù)荷按基站近中期（3～5年）負(fù)荷考慮，蓄電池組的后備時(shí)間優(yōu)先綜合考慮通信基站的重要性、市電的可靠性、運(yùn)維部門到達(dá)現(xiàn)場的時(shí)間等因素。

通信基站采用機(jī)房內(nèi)蓄電池組供電時(shí)，基站由內(nèi)部能源提供能量，無任何外界電源接入，基站機(jī)房的輸入電壓、功率均為0。

（2）發(fā)電機(jī)供電

當(dāng)蓄電池放電到一定程度而市電仍未恢復(fù)時(shí)，必須采用柴油或汽油發(fā)電機(jī)為通信基站供電。發(fā)電時(shí)，柴油機(jī)、汽輪機(jī)將燃料燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機(jī)有電壓調(diào)節(jié)器，可以對輸出電壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，減小磁場電流，以減弱磁通，使磁通變化率基本保持不變，從而維持端電壓不變；且由于此時(shí)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載僅為通信基站內(nèi)功率恒定的設(shè)備，無公網(wǎng)沖擊性功率負(fù)荷接入，電壓相對穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)供電時(shí)，相電壓曲線如圖2所示，電壓整體為一直線，有極少的由于發(fā)電機(jī)本身原因?qū)е碌牟▌印?/p>

3 發(fā)電時(shí)長稽核算法

3.1 電壓數(shù)據(jù)的采集

（1）基站動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中華人民共和國工業(yè)和信息部《通信局（站）電源、空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控管理系統(tǒng)》[8]及中國移動通信集團(tuán)有限公司《中國移動通信動力及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，在一個本地網(wǎng)內(nèi)，基站動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)按CSC（Central Supervision Center，監(jiān)控管理中心）、LSC（Local Supervision Center，區(qū)域監(jiān)控中心）、FSU（Field Supervision Center，局（站）現(xiàn)場監(jiān)控單元）、SM（Supervision Module，設(shè)備監(jiān)控模塊）劃分，如圖3所示。其中監(jiān)控模塊是數(shù)據(jù)采集級，其他三個監(jiān)控級是具有不同管理權(quán)限和功能的管理級。endprint

（2）動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)對電壓的記錄

LSC中的服務(wù)器定時(shí)發(fā)送指令，通過FSU向開關(guān)電源或交流電壓采集模塊申請獲取交流電壓值，收到電壓值后，當(dāng)服務(wù)器認(rèn)為數(shù)據(jù)有價(jià)值則進(jìn)行記錄。湘潭移動LSC服務(wù)器設(shè)置的定時(shí)發(fā)送指令周期為7 s，F(xiàn)SU向開關(guān)電源直接采集交流相電壓有效值，當(dāng)電壓變動值大于5 V或1小時(shí)未發(fā)生記錄事件時(shí)，則記錄時(shí)間及相應(yīng)電壓值。一段典型的電網(wǎng)電壓記錄曲線如圖4所示。

圖4中記錄的是2017年3月16日00：03：10至2017年3月18日21：39：10茶恩寺機(jī)房的A相電壓有效值曲線。A點(diǎn)為交流電由約220 V變?yōu)? V，市電停電；B點(diǎn)為發(fā)電開始，交流電變?yōu)榧s220 V；C點(diǎn)為發(fā)電完成后，倒換到市電，低壓進(jìn)線柜或開關(guān)電源檢測到交流輸入電壓“220 V-0 V-220 V”的變化過程。AB段為市電停電由蓄電池供電時(shí)，無交流輸入的時(shí)間及電壓有效值記錄；BC段為市電停電時(shí)，油機(jī)提供交流輸入的時(shí)間及電壓有效值記錄；其余時(shí)段為正常市電供電電壓有效值記錄。

3.2 基于電壓波動分析的發(fā)電時(shí)長稽核算法

（1）電壓波動及波動頻度

一般電壓的波動特性采用相對電壓波動值和電壓波動頻度進(jìn)行描述。相對電壓波動值為相鄰的兩個電壓極值Umax和Umin間的差值與額定電壓UN的比值d，可表示為：

（2）

為準(zhǔn)確描述“波動”的概念，同方向上的兩次以上（含兩次）的變動（一段時(shí)間內(nèi)電壓值連續(xù)增加或減少）只記一次，即電壓由大到小或由小到大的變化各算一次變動，本文根據(jù)湘潭電網(wǎng)情況及動環(huán)系統(tǒng)實(shí)際設(shè)置，定義“d>2.27%”的波動為有意義波動，即對變化值大于5 V的電壓變動進(jìn)行分析。

在數(shù)學(xué)范疇，只有正弦波的頻率可以表示為周期的倒數(shù)。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常把周期為T的三角波或矩形波等波形的頻率f（單位為Hz）表示為其周期T（單位為s）的倒數(shù)。定義電壓波動的頻度r（以s?1為單位的頻度表示為rs、以min?1為單位的頻度表示為rmin（min表示分鐘）、以h?1為單位的頻度表示為rh（h表示小時(shí)））為單位時(shí)間內(nèi)電壓變動的次數(shù)W，則波動頻率為f=r/2，電壓波動的頻度可表示為公式（3），其中t為以小時(shí)h為單位的單位時(shí)間：

（3）

電壓波動的頻度r與頻率f的關(guān)系為：

（4）

動環(huán)系統(tǒng)采集到停電時(shí)市電輸入為0 V后的第一次電壓大于50 V的時(shí)間點(diǎn)，以及電壓再次下降到0 V的時(shí)間點(diǎn)。對湘潭市電網(wǎng)公網(wǎng)電壓進(jìn)行跟蹤分析，若此時(shí)間段的電壓波動頻度小于0.5次/小時(shí)（湘潭地區(qū)電壓變動跟蹤經(jīng)驗(yàn)值，其他區(qū)域可根據(jù)實(shí)際調(diào)整），則判定為油機(jī)發(fā)電時(shí)段，相應(yīng)的起始與結(jié)束時(shí)間點(diǎn)為油機(jī)發(fā)電的起始與結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。

（2）發(fā)電時(shí)長稽核算法

判定油機(jī)發(fā)電時(shí)長算法的基本原理是：分析動環(huán)采集到的交流輸入電壓，電壓波動頻度較大的時(shí)間段為公共電網(wǎng)供電，電壓波動頻度較小的時(shí)間段為油機(jī)供電。具體算法如下：

1）讀取一個時(shí)間段及對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)；

2）刪除波動小于1%的數(shù)據(jù)；

3）電壓小于50 V的采樣時(shí)間點(diǎn)為停電時(shí)間點(diǎn)，共n次；

for：n=1， 2， ...， （n-1）

4）停電時(shí)間點(diǎn)后，第一次有電壓記錄的時(shí)間點(diǎn)為疑似發(fā)電起始時(shí)間點(diǎn)A；

5）停電時(shí)間點(diǎn)后，下一次電壓小于50 V的時(shí)間點(diǎn)為疑似發(fā)電結(jié)束時(shí)間點(diǎn)B；

6）計(jì)算時(shí)間段AB內(nèi)電壓波動d>2.27%的次數(shù)kn；

end for

7）計(jì)算電壓數(shù)據(jù)起始時(shí)間點(diǎn)到第一次停電時(shí)間的電壓波動次數(shù)k0；

8）計(jì)算第n次停電時(shí)間點(diǎn)后到電壓數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)間點(diǎn)的電壓波動次數(shù)kn；

9）得到0～n共n+1個時(shí)間段的波動次數(shù)：k0， k1， ...， kn；

10）計(jì)算n+1個時(shí)間段的每小時(shí)電壓波動頻度rn，電壓波動頻度rn<0.5的時(shí)間段即為油機(jī)發(fā)電時(shí)間段。

4 現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用效果分析

4.1 算法的MATLAB實(shí)現(xiàn)效果

在MATLAB2016b平臺上對算法進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示，綠色矩形窗為發(fā)電時(shí)段，算法的檢測判定結(jié)果與3.1中的實(shí)際記錄結(jié)果一致。

4.2 算法準(zhǔn)確度分析

為評估算法的準(zhǔn)確度，將湘潭全區(qū)基站2017年3月每天發(fā)電記錄時(shí)長與算法判定的發(fā)電時(shí)長進(jìn)行比較，如表1所示。

采用擬合優(yōu)度（按：擬合優(yōu)度（Goodness of Fit）是指回歸直線對觀測值的擬合程度）對算法的有效性進(jìn)行評判，度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量是可決系數(shù)（亦稱“確定系數(shù)”）R2，R2的最大值為1。R2的值越接近1，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越好；反之，R2的值越小，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越差。以算法所得的值為回歸直線，以實(shí)際記錄值為觀測值，擬合優(yōu)度為：

（5）

公式（5）中，ESS為解釋平方和，TSS為總平方和，RSS為殘差平方和，由公式（5）計(jì)算表1中算法判定值與實(shí)測記錄值的擬合優(yōu)度為0.994 5，算法與實(shí)際記錄值的一致性較好。

4.3 與常規(guī)稽核方法的對比分析

常規(guī)基站發(fā)電時(shí)長稽核采用人工記錄的方式，或通過在油機(jī)中增加的硬件模塊實(shí)現(xiàn)，這兩種方式需要專人進(jìn)行操作或定制硬件。采用本文提出的稽核算法可直接利舊運(yùn)營商的原有動環(huán)平臺實(shí)現(xiàn)稽核功能，具體從三個維度進(jìn)行對比分析，如表2所示。

5 結(jié)束語

基于電壓波動分析的基站發(fā)電時(shí)長稽核算法在湘潭移動與湘潭鐵塔得到推廣使用，取得了良好的稽核效果。依托通信基站已有的動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，通過對不同供電狀態(tài)下的交流輸入電壓有效值波動頻度進(jìn)行分析可知，電壓有效值波動頻度高于頻度閾值的時(shí)段為市電供電時(shí)段。電壓有效值波動頻度低于頻度閾值的時(shí)段為油機(jī)供電時(shí)段。在不增加任何硬件的情況下，利用該算法可有效實(shí)現(xiàn)油機(jī)發(fā)電時(shí)長的稽核。本文提出的稽核算法的判定結(jié)果與具體發(fā)電時(shí)段現(xiàn)場記錄的一致性強(qiáng)，與大樣本數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度高，且與常規(guī)稽核方法相比，在投資、維護(hù)成本較低的情況下能進(jìn)行快速部署，實(shí)現(xiàn)較好的稽核效果。

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