通信電源關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展探究

徐 晗，姜秀紅，楊寶龍

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春 130000；2.中國移動通信集團吉林有限公司網(wǎng)絡(luò)部網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心，吉林 長春 130000）

0 引 言

通信設(shè)施建設(shè)范圍不斷擴大的背景下，通信電源發(fā)揮著重要作用，其不僅可以提供通信設(shè)備運行所需的電能，而且可以保證整個通信系統(tǒng)正常運行。通信電源具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、供電種類多、供電對象多的特點，涉及多種支撐技術(shù)。只有相關(guān)技術(shù)協(xié)同發(fā)揮作用，才可以保證通信電源正?？煽窟\行。因此，探究通信電源關(guān)鍵技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 通信電源

通信電源是整個通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，也是通信系統(tǒng)的核心，穩(wěn)定可靠的通信電源是通信系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵。根據(jù)供電形式的不同，通信電源可以劃分為直流供電通信電源和交流供電通信電源。其中，直流供電通信電源包括-48 V 和+24 V；交流供電通信電源包括220 V 單相交流電和380 V 三相交流電等[1]。

根據(jù)通信電源的運行過程，通信電源具有小型、可靠、穩(wěn)定以及高效等特點。其中小型主要指體積小和重量輕；可靠主要指通信電源在多環(huán)節(jié)多重備份，保證電源系統(tǒng)與通信設(shè)備的可靠性；穩(wěn)定主要指電源電壓、雜音、瞬變電壓穩(wěn)定且處于運行變化范圍內(nèi)；高效主要指通信電源供電效率較高。

2 通信電源關(guān)鍵技術(shù)

2.1 APFC 技術(shù)

有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，APFC）技術(shù)是通信電源的關(guān)鍵技術(shù)，具有重量輕、體積小、輸入電壓范圍寬、效率高以及功率因數(shù)高的優(yōu)良特點。有源功率因數(shù)校正技術(shù)又稱為有源開關(guān)型補償法，是直流/直流（Direct-current/Direct-current，DC/DC）變換型電流的變形，主體為高頻DC/DC 變換器，全波整流后的輸入交流電壓可以經(jīng)DC/DC 進行變換。同時，輸入電流平均值可以自動跟蹤全波直流電壓基準(zhǔn)，確保輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，在有效控制單位功率因數(shù)的同時，實現(xiàn)恒壓輸出。

根據(jù)主電路形式，有源功率因數(shù)校正可以劃分為單相軟開關(guān)校正、單相硬開關(guān)校正等。其中，單相軟開關(guān)校正包括零電流開關(guān)變換和零電壓轉(zhuǎn)變換等，借助諧振電感作用導(dǎo)通開關(guān)管，開關(guān)管電流應(yīng)力較低；單相硬開關(guān)校正是非隔離型校正，包括升壓型、降壓型、升降壓型3 種，以電感電流為輸出，經(jīng)開關(guān)管門極驅(qū)動信號，對輸入電流變化的適應(yīng)能力較強。

2.2 熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 電源技術(shù)

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）技術(shù)又稱為高頻機技術(shù)，本質(zhì)上是電壓控制型逆變器和電流控制型逆變器的混合并聯(lián)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電池變換器、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）高頻整流器、旁路以及逆變器等幾個部分組成，具有重量小、功耗小、體積小的特點[2]。UPS 電源多用于變電站故障數(shù)據(jù)設(shè)備、控制系統(tǒng)、應(yīng)急電源以及數(shù)據(jù)通信等重要負載的不間斷供電，熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 技術(shù)則基于UPS 電源和模塊化思維，進一步控制系統(tǒng)體積，提高電源靈活性、通用性以及動態(tài)響應(yīng)速度，為系統(tǒng)便捷組合、安裝、設(shè)計以及互換提供支持。

2.3 防雷技術(shù)

防雷技術(shù)是通信電源的關(guān)鍵技術(shù)，也是通信電源系統(tǒng)長期穩(wěn)定發(fā)揮效益的保障。常用的防雷技術(shù)主要是安裝防雷元器件，如消雷器、接閃器、避雷器等，抑制直擊雷浪涌電流與電網(wǎng)電壓波動干擾[3]。根據(jù)通信電源負荷性質(zhì)對應(yīng)類別，在應(yīng)用防雷技術(shù)時，需要采取以下措施：首先，需要配套選擇分級衰減雷擊殘壓法（或分級衰減雷擊能量法），在通信電源前端架空線放入標(biāo)稱泄放電流路，經(jīng)電流路釋放高壓脈沖，從而緩解累積電流，實現(xiàn)通信電源設(shè)備的首級防護；其次，安裝交流屏防雷保護設(shè)施，吸收雷電磁脈沖、感應(yīng)瞬時高壓脈沖以及配電前端高壓脈沖；最后，全面安裝防雷器裝置，吸收通信電源內(nèi)部過電壓，將其控制在安全電壓范圍內(nèi)。

3 通信電源關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 APFC 技術(shù)的應(yīng)用

在通信電源系統(tǒng)交流輸入側(cè)，應(yīng)用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，可以抑制諧波，避免傳輸損耗或線路過載，為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運行提供保障。有源功率因數(shù)校正技術(shù)通常可以將通信電源總諧波含量抑制在5%以內(nèi)，使通信電源功率因數(shù)不低于0.9。

以單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用為例，其運行模式包括應(yīng)用射隨器的電流非連續(xù)工作方式和應(yīng)用乘法器的電流連續(xù)工作方式，根據(jù)通信電源輸出功率差異可以選擇不同的運行方式。

對于輸出功率低于700 W 的通信電源，選擇應(yīng)用射隨器的電流非連續(xù)工作方式。射隨器本質(zhì)上是共集電極放大器，其電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點。在電壓增益接近1，并且輸入信號與輸出信號同相的情況下，輸入信號和輸出信號大小相差較小，可以隔離阻抗變換。根據(jù)射隨器的特點，可以將其放入通信電源輸出電路，從而彌補器件輸出電流小與負載攜帶能力不足的問題，控制后級電路對前級電路的不利影響，匹配電路負載攜帶能力與前級阻抗、后級阻抗[4]。

對于輸出功率超出700 W 的通信電源，選擇應(yīng)用乘法器的電流連續(xù)工作方式，應(yīng)用乘法器的電流連續(xù)工作流程如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用乘法器的電流連續(xù)工作流程

3.2 熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 電源技術(shù)應(yīng)用

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 電源技術(shù)的電壓控制逆變單元負責(zé)提供輸入所需的電壓，電流控制型逆變單元根據(jù)電壓控制型逆變單元的輸出電壓波形輸出負載所需的交流電流。交流電流輸出期間，全部逆變器自動均流，并且并聯(lián)逆變器不干擾整個并聯(lián)系統(tǒng)的諧振頻率和輸出電壓波形，確保諧波環(huán)流處于較低水平[5]。熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 電源技術(shù)的核心部件是高頻開關(guān)整流器，其直接關(guān)乎電源穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)電力通信電源系統(tǒng)模塊相比，高頻UPS 電源技術(shù)利用高頻開關(guān)整流器代替可控硅相控整流器，兼具高功率和高頻化特征，可以在提高電力通信電源運行效率的同時降低后期電力供給故障率。

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 電源技術(shù)的應(yīng)用過程中，為規(guī)避因多臺逆變器開關(guān)管開關(guān)模式存在差異而引發(fā)直流電源短路問題，在并聯(lián)狀態(tài)且逆變器直流電壓保持一致的情況下，將各逆變模塊單元的1 個濾波電抗器劃分為2 個濾波電抗器，以對稱方式連接。在對稱連接情況下，根據(jù)熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源各模塊輸出功率無差向電壓無差發(fā)展的要求，以平均功率為參考值，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)電壓的頻率和幅值，實現(xiàn)2 個功率控制環(huán)在原有電壓瞬時值內(nèi)環(huán)和有效值外環(huán)的疊加。此外，自動檢測逆變器工作臺數(shù)的同時，快速計算平均功率，以便在系統(tǒng)突增（或減少）通信設(shè)備時實現(xiàn)熱插拔。對于突然卸除負載擾動逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的情況，依據(jù)電壓電流雙閉環(huán)控制下的瞬時均流控制思維，將系統(tǒng)工作狀態(tài)切換至滑?？刂?，實現(xiàn)2 臺逆變器均分負載，促使逆變器環(huán)流快速下降，再將并聯(lián)系統(tǒng)的工作模式轉(zhuǎn)換至比例、積分、微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制，將環(huán)流控制到0，期間輸出公共母線的輸出電壓保持不變，從而獲得良好穩(wěn)態(tài)精度。

3.3 防雷技術(shù)應(yīng)用

防雷技術(shù)應(yīng)用過程中，根據(jù)國家規(guī)定的通信電源防雷保護3 級保護制度，可以選擇不同額定同流容量的避雷器。

對于通信電源的1 級防雷保護，需要依據(jù)泄放電流25 kA 的標(biāo)準(zhǔn)，選擇適宜避雷器，避免雷電流進入架空線路對通信設(shè)備造成損壞。

對于通信電源的2 級防雷保護，需要依據(jù)泄放電流20 kA 的標(biāo)準(zhǔn)，將三相電源防雷器安裝到通信電源柜，吸收配電前端的高壓脈沖，避免雷擊對通信電源造成損壞。同時，定期檢測電源防雷器的工作狀態(tài)，并立即更換元件損壞的防雷器，確保防雷技術(shù)正常應(yīng)用。

對于通信電源的3 級防雷保護，需要依據(jù)泄放電流10 kA 的標(biāo)準(zhǔn)，將直流防雷器安裝到直流通信電源配電柜，吸收通信電源過電壓與電磁脈沖，將傳導(dǎo)雷電流控制在允許范圍內(nèi)。

此外，在通信電源連接電子設(shè)備情況下，選擇截面積超出25 mm2且長度盡可能短的線路進行設(shè)備接地，盡快釋放電路因雷擊感應(yīng)而產(chǎn)生的大量脈沖能量，避免設(shè)備端口電位差過高對設(shè)備安全造成影響。

4 通信電源關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 高度可靠性

在信息化時代，要求通信電源供電的電力設(shè)備數(shù)量不斷攀升，對電力資源供應(yīng)的要求更加多樣，通信電源故障的不確定性停電會直接危害電力設(shè)備，傳統(tǒng)通信電源故障所采取的全面停電、高頻率、長周期等檢修方式不利于通信電源的推廣運用[6]。未來，通信電源關(guān)鍵技術(shù)的可靠性將進一步提高，且具備快速診斷、分析、報告事故原因以及恢復(fù)電力資源供應(yīng)的能力。例如，當(dāng)前單機模式的通信電源平均無故障時間為100 000 h，現(xiàn)場平均維護時間在2 h 左右，而未來通信電源現(xiàn)場維護時間接近0 h，滿足電源可靠性要求。

4.2 智能化

現(xiàn)有的通信電源關(guān)鍵技術(shù)采用半自動化應(yīng)用模式，關(guān)鍵技術(shù)支撐的交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)采用人工維護方式，不利于長期維護管理，且技術(shù)應(yīng)用成本較高。未來，通信電源關(guān)鍵技術(shù)將朝著智能化方向發(fā)展，引入智能監(jiān)控器，全面實時監(jiān)控通信電源，并自動將監(jiān)控信息上傳到信息共享平臺上，全程支持IEC 61850通信規(guī)約。同時，建立專家智能管理系統(tǒng)，將專家智能管理與固定數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫融合，在線輸出通信供電方案，降低供電成本。

4.3 集中化

目前，通信電源在電力系統(tǒng)中受到高度關(guān)注，通信電源設(shè)備控制水平得到了一定的提升。但是，針對通信電源關(guān)鍵技術(shù)的研究相對滯后，傳統(tǒng)通信電源關(guān)鍵技術(shù)分散設(shè)計問題突出，通信電源對應(yīng)的直流電源系統(tǒng)、交流電源系統(tǒng)、UPS 系統(tǒng)采取分散設(shè)計，獨立組屏，無法實現(xiàn)系統(tǒng)管理，也無法適應(yīng)新型通信發(fā)展需要，甚至威脅電源系統(tǒng)可靠性。未來，通信電源關(guān)鍵技術(shù)將朝著集中化和系統(tǒng)化方向發(fā)展，依托通信用電源統(tǒng)一平臺，整合交流電源和直流電源，統(tǒng)一監(jiān)控、設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試以及服務(wù)，實現(xiàn)通信電源一體化。

5 結(jié) 論

高速發(fā)展的數(shù)字化時代背景下，人們對通信電源供電電力設(shè)備的需求不斷增加，對電力資源供應(yīng)穩(wěn)定性提出了更高的要求。在熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS 技術(shù)、防雷技術(shù)、有源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)可靠性和智能化發(fā)展要求，持續(xù)引入現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備，對通信電源進行可靠擴容，為提高通信電源應(yīng)用效率提供保障。