摘 要：通信電源是通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，由于基站分布在城市、郊區(qū)、農(nóng)村的不同位置，各基站無值班人員，多數(shù)農(nóng)村的電網(wǎng)質(zhì)量較差，服務(wù)維修交通不便。所以，基站通信電源與有人值守機房電源相比，應(yīng)具有更高的可靠性和可維性。

關(guān)鍵詞：通信電源;通信網(wǎng)絡(luò);可靠性;發(fā)展

Abstract: The communications power supply is an important part of the communications network infrastructure, because the base stations located in urban, suburban, and rural location, there is no person on duty, the majority of rural power grid have poor quality, service and repair inaccessible. Therefore, the communication power should have higher reliability and maintainability.

Key words: communication power; communications network; reliability; development

一、基站通信電源的發(fā)展過程與發(fā)展趨勢

(一)基站通信電源的發(fā)展過程

目前我國通信電源普遍采用高頻開關(guān)電源，相控電源已逐漸被淘汰。我國電源技術(shù)的發(fā)展是從1963年研制可控整流器開始的，1965年開始研制逆變器和晶體管直流一直流變換器，上世紀80年代引進的開關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研院所進行試驗開發(fā)，到上世紀80年代中期開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用，但在通信領(lǐng)域所占比重還比較低。當(dāng)時開關(guān)電源是采用20KHZ脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，效率可達65—70%。由于開關(guān)電源和相控電源相比具有顯著優(yōu)勢，自上世紀80年代末期開始在通信領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。1994年原郵電部作出重大決策，要求在通信領(lǐng)域推廣應(yīng)用開關(guān)電源以取代相控電源。目前國內(nèi)生產(chǎn)的開關(guān)電源采用PWM技術(shù)的開關(guān)整流器，工作頻率大部分在40kHz至100kHz之間。新型磁性材料、變壓器等元器件的發(fā)展使開關(guān)電源進一步小型化。開關(guān)電源和相控電源相比，在技術(shù)上是一次質(zhì)的飛躍，不僅可以方便地得到不同大小的直流電壓，而且甩掉了體大笨重的工頻變壓器。由于采用高頻功率變換，電源體積重量明顯減少，而且技術(shù)性能大大提高。由于變換功率的提高，減少了能耗，提高了對能源的利用率。

(二)基站通信電源的發(fā)展趨勢

由于通信的高速發(fā)展，通信基站的數(shù)量也在不斷增加，新增基站不斷向邊遠農(nóng)村發(fā)展。基站的數(shù)量不斷增加、分布面不斷擴大、電網(wǎng)質(zhì)量不斷下降，這些因素為基站通信電源的運行維護增加了不少困難。同時對基站通信電源的可靠性、故障診斷、系統(tǒng)容錯等方面提出了新的更高要求。

1、提高電源的可靠性

由于基站分布不斷向偏遠地區(qū)發(fā)展，電源的維修時間在加長。與有人值守的通信局站的通信電源相比，基站通信電源應(yīng)有更高的可靠性。

2、拓寬電源設(shè)備的輸入電壓適應(yīng)范圍

國家標(biāo)準規(guī)定通信電源的輸入電壓范圍為-15%～+10%，目前從使用情況看，這個電壓范圍顯然不能適應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用，輸入電壓范圍即使拓寬到±30%，仍有部分現(xiàn)場不能滿足要求，因此基站通信電源的輸入電壓范圍應(yīng)向更寬的方向發(fā)展。

3、采用集中監(jiān)控系統(tǒng)來提高工作效率

一個城市的基站數(shù)量在100至1000之間，如果每站巡檢一次需要2個小時，則人工全部巡檢一次需要的時間為25至250個工作日。因此，基站通信電源應(yīng)具有較完善的故障診斷能力和集中監(jiān)控系統(tǒng)，這樣，一方面可以通過集中監(jiān)控系統(tǒng)完成正常的電源巡檢任務(wù);另一方面集中監(jiān)控系統(tǒng)可以準確診斷電源系統(tǒng)的故障情況，為基站通信電源的維修提供第一手資料，可減少基站通信電源系統(tǒng)的故障維修時間。

4、采取措施提高基站通信電源的過電壓保護和防潮、防塵能力

由于大部分基站地處偏遠地區(qū)，經(jīng)常受到雷電侵害。并且機房由于無人值守，所以溫濕度、整潔度難以保證。于是基站通信電源的過電壓保護設(shè)計、防潮設(shè)計、防塵設(shè)計顯得日趨重要。基站通信電源的過電壓保護設(shè)計是保證基站通信電源系統(tǒng)可靠運行的必不可少的環(huán)節(jié)，雷電對通信設(shè)備產(chǎn)生危害的根源在于雷電電磁脈沖，這種電磁脈沖包括雷電流和雷電電磁場。雷電流是產(chǎn)生直擊雷過電壓的根源，而雷電電磁場則是產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓的根源。對于基站通信設(shè)備而言，雷電過電壓來源主要包括感應(yīng)過電壓、雷電侵入和反擊過電壓。實踐表明，對基站通信電源的過電壓保護設(shè)計，要考慮保護元件的可更換性。采用多級過電壓保護，具有保護指示與診斷功能的過電壓保護裝置，是基站通信電源過電壓保護發(fā)展的趨勢。防潮、防煙霧和防霉菌設(shè)計稱為三防設(shè)計。工程上通常選用耐蝕材料，通過鍍、涂或化學(xué)方法對電子設(shè)備的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的;在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式隔絕外部環(huán)境;對印制板及組件表面涂覆專用三防漆，避免導(dǎo)線之間的短路，提高電源的可靠性。變壓器必須進行浸漆、端封，以防潮氣進入引發(fā)短路。

5、提高基站通信電源及其監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度

現(xiàn)代通信電源系統(tǒng)基本上都采用集中管理分散式監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)的各種狀態(tài)量和控制量進行監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將信息送入監(jiān)控模塊。同時，監(jiān)控模塊還可對電池進行全自動管理，包括電池在線管理、均浮充轉(zhuǎn)換、停電后的來電預(yù)限流控制和電池放電測試等。監(jiān)控模塊還可對整流模塊電壓進行調(diào)節(jié)和無極限流控制，檢測整流模塊狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)運行的異常情況進行保護和告警。通過監(jiān)控模塊上網(wǎng)，可以在監(jiān)控網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)，維護人員可進行數(shù)據(jù)查詢等維護工作。

二、避錯設(shè)計及容錯設(shè)計方法介紹

(一)避錯設(shè)計指通過加大功率器件參數(shù)的設(shè)計余量，提高電子元器件的可靠性、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等措施來提高系統(tǒng)的性能的設(shè)計方法。

1、提高元器件的可靠性

通信電源系統(tǒng)是由眾多的電子元器件組成的�？刂葡到y(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于組成系統(tǒng)的電子元器件的可靠性。采用高可靠的元器件并進行嚴格的老化篩選、加大功率器件參數(shù)的設(shè)計余量可以提高通信電源系統(tǒng)性能。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

(1)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越簡單，系統(tǒng)的元器件越少，系統(tǒng)的可靠性也就越高。因此在不影響系統(tǒng)性能的前提下，應(yīng)盡量簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(2)采用固定結(jié)構(gòu)備份。對某些重要的子系統(tǒng)，如電源模塊可以采用雙重備份的辦法來提高通信電源系統(tǒng)的性能。通過備份方式可以減少系統(tǒng)的停機時間，提高系統(tǒng)的可用度。

(3)采用帶有自動切換裝置的待機結(jié)構(gòu)備份。這種結(jié)構(gòu)在某一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由自動切換裝置自動切換到所備份的子系統(tǒng)上去。其缺點是要增加一套輔助裝置。

(二)容錯設(shè)計是指在通信電源系統(tǒng)中故障發(fā)生時，使故障的影響借助冗余技術(shù)而自動抵消，從而使在系統(tǒng)存在故障的條件下，仍能維持為負載提供正確的輸出的能力。容錯設(shè)計主要通過系統(tǒng)的模塊冗余、硬件冗余、軟件冗余、信息冗余及時間冗余來實現(xiàn)。

三、提高基站通信電源可靠性的有效途徑

提高基站通信電源可靠性的途徑很多，歸納起來大體上可以分為三類。

(一)通過避錯設(shè)計技術(shù)來提高通信電源的可靠性。但是任何一個系統(tǒng)很難做到絕對不發(fā)生故障，對元器件的挑選嚴格程度又不能無限地高，因此，避錯設(shè)計對可靠性的提高將會受到很大的限制，有其局限性。

(二)在避錯設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的故障，通過容錯設(shè)計技術(shù)消除故障影響，使系統(tǒng)最終給出正確結(jié)果。實踐表明，容錯設(shè)計對提高基站通信電源系統(tǒng)的可靠性是十分有效的。對基站通信電源系統(tǒng)來講，影響其可靠性的主要因素是高頻開關(guān)電源模塊、電源監(jiān)控、交直流配電等。通過按最壞情況設(shè)計和采用高可靠元件及嚴格控制生產(chǎn)質(zhì)量等方法，可以提高電源系統(tǒng)的可靠性，但會大大增加系統(tǒng)成本。因此提出了解析冗余容錯技術(shù)。解析冗余容錯技術(shù)是利用系統(tǒng)不同部件之間的內(nèi)在聯(lián)系和功能上的冗余性，當(dāng)系統(tǒng)的某些部件失效時，用其余完好的部件承擔(dān)起故障部件所失去的作用，以維持系統(tǒng)的性能在允許的范圍之內(nèi)。例如在基站通信電源系統(tǒng)中，我們需要檢測每一個模塊的輸出電流和電源系統(tǒng)總的輸出電流，當(dāng)電源系統(tǒng)某一模塊的電流檢測元件出現(xiàn)故障，而模塊本身工作正常時，我們可以通過電源系統(tǒng)總的輸出電流減去其余電源模塊輸出電流之和來計算發(fā)生電流檢測元件故障模塊的輸出電流�；�于解析冗余容錯不需要增加硬件設(shè)備，具有成本低和易于工程實現(xiàn)等特點，在容錯控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

(三)基于故障檢測與診斷技術(shù)的容錯設(shè)計

不論采取什么方法來提高通信電源系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)最終還是會發(fā)生故障的，這樣故障診斷技術(shù)成為提高通信電源系統(tǒng)可靠性的最后一道防線。故障檢測與診斷可以在線監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。當(dāng)通信電源系統(tǒng)發(fā)生某些局部故障時，可以迅速報警，并分離出發(fā)生故障的單元，以幫助維修人員進行故障排除，防止故障的傳播與擴大。基于故障檢測與診斷技術(shù)還可以構(gòu)造一種新的容錯控制系統(tǒng)。根據(jù)故障檢測與診斷的信息，可自動排除系統(tǒng)的故障單元，并以通信電源系統(tǒng)現(xiàn)有的完好硬件進行結(jié)構(gòu)重構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和安全。

四、通信電源系統(tǒng)的可靠性、可維性與可用性設(shè)計方案

通信的高速發(fā)展，基站的數(shù)量在不斷增加，并由城市逐步向偏僻的鄉(xiāng)村發(fā)展。散落在人們生活的每一個角落的基站，與一般通信機房相比形成了特殊的工作條件，這些特殊的工作條件對用于基站的通信電源設(shè)備提出了更高的要求。

(一)基站通信電源的可靠性設(shè)計

基站電源系統(tǒng)的可靠性設(shè)計主要用于解決基站特殊環(huán)境對通信電源系統(tǒng)提出的過高要求。可靠性解決方案如下：

1、將電源模塊的交流輸入電壓范圍提高至±30%，這樣可提高電源系統(tǒng)對電網(wǎng)的適應(yīng)性。

2、電源模塊采用自然冷卻方式，自然冷卻(與風(fēng)冷相比)可從根本上避免由于風(fēng)機損壞對電源系統(tǒng)可靠性的影響和電源運行若干年后大面積更換風(fēng)機的危險。

3、基站通信電源系統(tǒng)增加綜合過電壓保護電路。將基站通信電源的雷電過電壓保護、非雷電過電壓的保護一體化。保證基站通信電源在出現(xiàn)雷電過電壓、非雷電過電壓時，通信電源可以得到有效的保護。

4、基站通信電源的故障隔離設(shè)計是提高電源系統(tǒng)可靠性的重要方法。該設(shè)計將電源監(jiān)控故障與電源模塊故障隔離開來;將故障電源模塊與正常電源模塊隔離開來。使電源系統(tǒng)在電源監(jiān)控故障、部分電源模塊故障時可以繼續(xù)供電。

(二)基站通信電源系統(tǒng)的可維性設(shè)計

基站通信電源可維性設(shè)計的目的是使通信電源系統(tǒng)的故障維修盡量簡單。主要表現(xiàn)在電源模塊更換的方便性、系統(tǒng)故障的診斷性等。可維性解決方案如下：

1、電源模塊的安裝方式采用帶電插拔式，電源模塊在任何狀態(tài)下可任意插入和拔出。對此，我們設(shè)計了電源模塊動態(tài)識別電路，該電路可以保證在電源

模塊插拔過程中不影響系統(tǒng)均流電路的工作。電源模塊的帶電插拔可使電源系統(tǒng)基于故障診斷與容錯技術(shù)的的維修時間最短、維修難度最低。

2、基站通信電源系統(tǒng)監(jiān)控的故障診斷功能為電源系統(tǒng)的維護提供方便。故障診斷軟件可對電源模塊的內(nèi)部故障，電源系統(tǒng)的輸入、輸出故障提供準確的故障診斷及故障定位，并將電源系統(tǒng)的故障信息遠傳至監(jiān)控中心的值班室，為電源系統(tǒng)的維修提供準確的信息服務(wù)。

(三)基站通信電源系統(tǒng)的可用性設(shè)計

基站通信電源系統(tǒng)的可用性設(shè)計的目的是使通信電源系統(tǒng)適應(yīng)基站特殊工況的要求。對基站通信電源系統(tǒng)的可用性，解決方案主要有以下幾個方面：

1、電源模塊的帶載特性�；�站的特殊工況是電源系統(tǒng)安裝調(diào)試時經(jīng)常處于空載狀態(tài)，電源設(shè)備正常運行時處于輕載狀態(tài)。對此，為提高通信電源系統(tǒng)的可用性，我們對電源模塊的電路拓撲及控制電路進行了改進，使電源系統(tǒng)可以在空載狀態(tài)下長期運行，48w50A電源模塊的空載損耗小于20W，輕載時的效率得到提高。

2、電源模塊的缺相運行特性�；�站的供電質(zhì)量無法保證，有時輸入電源會缺相，對三相輸入的高頻開關(guān)電源模塊而言，正常應(yīng)該立即保護，關(guān)閉模塊。但這樣對電源維護時間提出了較高的要求。為此，我們在電源模塊設(shè)計時增加了缺相運行功能。當(dāng)出現(xiàn)電源輸入缺一相時，電源模塊在提供缺相故障告警的同時，應(yīng)可繼續(xù)運行，并可帶50%以下的負載。缺相不停機為基站的通信暢通提供了可靠保證。

3、電源系統(tǒng)的蓄電池實現(xiàn)智能管理。電源監(jiān)控單元與蓄電池配合，將蓄電池的均衡充電分為恒流、恒壓兩個階段。蓄電池的均浮充電壓按蓄電池的具體參數(shù)設(shè)置。蓄電池的均浮充電壓根據(jù)蓄電池的環(huán)境溫度由監(jiān)控自動進行補償調(diào)整，使蓄電池在各種溫度環(huán)境下都能保持滿容狀態(tài)。

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