浅谈通信电源在通信网络基础设施中的重要作用

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、基站通信电源的发展过程与发展趋势

(一)基站通信电源的发展过程

目前我国通信电源普遍采用高频开关电源，相控电源已逐渐被淘汰。我国电源技术的发展是从1963年研制可控整流器开始的，1965年开始研制逆变器和晶体管直流一直流变换器，上世纪80年代引进的开关电源技术在高等院校和一些科研院所进行试验开发，到上世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用，但在通信领域所占比重还比较低。当时开关电源是采用20KHZ脉宽调制(PWM)技术，效率可达65—70%。由于开关电源和相控电源相比具有显著优势，自上世纪80年代末期开始在通信领域大规模推广应用。1994年原邮电部作出重大决策，要求在通信领域推广应用开关电源以取代相控电源。目前国内生产的开关电源采用PWM技术的开关整流器，工作频率大部分在40kHz至100kHz之间。新型磁性材料、变压器等元器件的发展使开关电源进一步小型化。开关电源和相控电源相比，在技术上是一次质的飞跃，不仅可以方便地得到不同大小的直流电压，而且甩掉了体大笨重的工频变压器。由于采用高频功率变换，电源体积重量明显减少，而且技术性能大大提高。由于变换功率的提高，减少了能耗，提高了对能源的利用率。

(二)基站通信电源的发展趋势

由于通信的高速发展，通信基站的数量也在不断增加，新增基站不断向边远农村发展。基站的数量不断增加、分布面不断扩大、电网质量不断下降，这些因素为基站通信电源的运行维护增加了不少困难。同时对基站通信电源的可靠性、故障诊断、系统容错等方面提出了新的更高要求。

1、提高电源的可靠性

由于基站分布不断向偏远地区发展，电源的维修时间在加长。与有人值守的通信局站的通信电源相比，基站通信电源应有更高的可靠性。

2、拓宽电源设备的输入电压适应范围

国家标准规定通信电源的输入电压范围为-15%～+10%，目前从使用情况看，这个电压范围显然不能适应现场应用，输入电压范围即使拓宽到±30%，仍有部分现场不能满足要求，因此基站通信电源的输入电压范围应向更宽的方向发展。

3、采用集中监控系统来提高工作效率

一个城市的基站数量在100至1000之间，如果每站巡检一次需要2个小时，则人工全部巡检一次需要的时间为25至250个工作日。因此，基站通信电源应具有较完善的故障诊断能力和集中监控系统，这样，一方面可以通过集中监控系统完成正常的电源巡检任务;另一方面集中监控系统可以准确诊断电源系统的故障情况，为基站通信电源的维修提供第一手资料，可减少基站通信电源系统的故障维修时间。

4、采取措施提高基站通信电源的过电压保护和防潮、防尘能力

由于大部分基站地处偏远地区，经常受到雷电侵害。并且机房由于无人值守，所以温湿度、整洁度难以保证。于是基站通信电源的过电压保护设计、防潮设计、防尘设计显得日趋重要。基站通信电源的过电压保护设计是保证基站通信电源系统可靠运行的必不可少的环节，雷电对通信设备产生危害的根源在于雷电电磁脉冲，这种电磁脉冲包括雷电流和雷电电磁场。雷电流是产生直击雷过电压的根源，而雷电电磁场则是产生感应雷过电压的根源。对于基站通信设备而言，雷电过电压来源主要包括感应过电压、雷电侵入和反击过电压。实践表明，对基站通信电源的过电压保护设计，要考虑保护元件的可更换性。采用多级过电压保护，具有保护指示与诊断功能的过电压保护装置，是基站通信电源过电压保护发展的趋势。防潮、防烟雾和防霉菌设计称为三防设计。工程上通常选用耐蚀材料，通过镀、涂或化学方法对电子设备的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，使之与周围介质隔离，从而达到防护的目的;在结构上采用密封或半密封形式隔绝外部环境;对印制板及组件表面涂覆专用三防漆，避免导线之间的短路，提高电源的可靠性。变压器必须进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路。

5、提高基站通信电源及其监控系统的智能化程度

现代通信电源系统基本上都采用集中管理分散式监控系统，对系统的各种状态量和控制量进行监控，通过网络技术将信息送入监控模块。同时，监控模块还可对电池进行全自动管理，包括电池在线管理、均浮充转换、停电后的来电预限流控制和电池放电测试等。监控模块还可对整流模块电压进行调节和无极限流控制，检测整流模块状态，并根据系统运行的异常情况进行保护和告警。通过监控模块上网，可以在监控网上传输数据，维护人员可进行数据查询等维护工作。

二、避错设计及容错设计方法介绍

(一)避错设计指通过加大功率器件参数的设计余量，提高电子元器件的可靠性、优化系统结构等措施来提高系统的性能的设计方法。

1、提高元器件的可靠性

通信电源系统是由众多的电子元器件组成的。控制系统的可靠性在很大程度上取决于组成系统的电子元器件的可靠性。采用高可靠的元器件并进行严格的老化筛选、加大功率器件参数的设计余量可以提高通信电源系统性能。

2、系统结构的优化设计

(1)简化系统结构。系统结构越简单，系统的元器件越少，系统的可靠性也就越高。因此在不影响系统性能的前提下，应尽量简化系统结构。

(2)采用固定结构备份。对某些重要的子系统，如电源模块可以采用双重备份的办法来提高通信电源系统的性能。通过备份方式可以减少系统的停机时间，提高系统的可用度。

(3)采用带有自动切换装置的待机结构备份。这种结构在某一子系统出现故障时，由自动切换装置自动切换到所备份的子系统上去。其缺点是要增加一套辅助装置。

(二)容错设计是指在通信电源系统中故障发生时，使故障的影响借助冗余技术而自动抵消，从而使在系统存在故障的条件下，仍能维持为负载提供正确的输出的能力。容错设计主要通过系统的模块冗余、硬件冗余、软件冗余、信息冗余及时间冗余来实现。

三、提高基站通信电源可靠性的有效途径

提高基站通信电源可靠性的途径很多，归纳起来大体上可以分为三类。

(一)通过避错设计技术来提高通信电源的可靠性。但是任何一个系统很难做到绝对不发生故障，对元器件的挑选严格程度又不能无限地高，因此，避错设计对可靠性的提高将会受到很大的限制，有其局限性。

(二)在避错设计的基础上，对系统内部出现的故障，通过容错设计技术消除故障影响，使系统最终给出正确结果。实践表明，容错设计对提高基站通信电源系统的可靠性是十分有效的。对基站通信电源系统来讲，影响其可靠性的主要因素是高频开关电源模块、电源监控、交直流配电等。通过按最坏情况设计和采用高可靠元件及严格控制生产质量等方法，可以提高电源系统的可靠性，但会大大增加系统成本。因此提出了解析冗余容错技术。解析冗余容错技术是利用系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些部件失效时，用其余完好的部件承担起故障部件所失去的作用，以维持系统的性能在允许的范围之内。例如在基站通信电源系统中，我们需要检测每一个模块的输出电流和电源系统总的输出电流，当电源系统某一模块的电流检测元件出现故障，而模块本身工作正常时，我们可以通过电源系统总的输出电流减去其余电源模块输出电流之和来计算发生电流检测元件故障模块的输出电流。基于解析冗余容错不需要增加硬件设备，具有成本低和易于工程实现等特点，在容错控制中得到了广泛的应用。

(三)基于故障检测与诊断技术的容错设计

不论采取什么方法来提高通信电源系统的可靠性，系统最终还是会发生故障的，这样故障诊断技术成为提高通信电源系统可靠性的最后一道防线。故障检测与诊断可以在线监控整个系统的运行状态。当通信电源系统发生某些局部故障时，可以迅速报警，并分离出发生故障的单元，以帮助维修人员进行故障排除，防止故障的传播与扩大。基于故障检测与诊断技术还可以构造一种新的容错控制系统。根据故障检测与诊断的信息，可自动排除系统的故障单元，并以通信电源系统现有的完好硬件进行结构重构，以确保系统的稳定运行和安全。

四、通信电源系统的可靠性、可维性与可用性设计方案

通信的高速发展，基站的数量在不断增加，并由城市逐步向偏僻的乡村发展。散落在人们生活的每一个角落的基站，与一般通信机房相比形成了特殊的工作条件，这些特殊的工作条件对用于基站的通信电源设备提出了更高的要求。

(一)基站通信电源的可靠性设计

基站电源系统的可靠性设计主要用于解决基站特殊环境对通信电源系统提出的过高要求。可靠性解决方案如下：

1、将电源模块的交流输入电压范围提高至±30%，这样可提高电源系统对电网的适应性。

2、电源模块采用自然冷却方式，自然冷却(与风冷相比)可从根本上避免由于风机损坏对电源系统可靠性的影响和电源运行若干年后大面积更换风机的危险。

3、基站通信电源系统增加综合过电压保护电路。将基站通信电源的雷电过电压保护、非雷电过电压的保护一体化。保证基站通信电源在出现雷电过电压、非雷电过电压时，通信电源可以得到有效的保护。

4、基站通信电源的故障隔离设计是提高电源系统可靠性的重要方法。该设计将电源监控故障与电源模块故障隔离开来;将故障电源模块与正常电源模块隔离开来。使电源系统在电源监控故障、部分电源模块故障时可以继续供电。

(二)基站通信电源系统的可维性设计

基站通信电源可维性设计的目的是使通信电源系统的故障维修尽量简单。主要表现在电源模块更换的方便性、系统故障的诊断性等。可维性解决方案如下：

1、电源模块的安装方式采用带电插拔式，电源模块在任何状态下可任意插入和拔出。对此，我们设计了电源模块动态识别电路，该电路可以保证在电源

模块插拔过程中不影响系统均流电路的工作。电源模块的带电插拔可使电源系统基于故障诊断与容错技术的的维修时间最短、维修难度最低。

2、基站通信电源系统监控的故障诊断功能为电源系统的维护提供方便。故障诊断软件可对电源模块的内部故障，电源系统的输入、输出故障提供准确的故障诊断及故障定位，并将电源系统的故障信息远传至监控中心的值班室，为电源系统的维修提供准确的信息服务。

(三)基站通信电源系统的可用性设计

基站通信电源系统的可用性设计的目的是使通信电源系统适应基站特殊工况的要求。对基站通信电源系统的可用性，解决方案主要有以下几个方面：

1、电源模块的带载特性。基站的特殊工况是电源系统安装调试时经常处于空载状态，电源设备正常运行时处于轻载状态。对此，为提高通信电源系统的可用性，我们对电源模块的电路拓扑及控制电路进行了改进，使电源系统可以在空载状态下长期运行，48w50A电源模块的空载损耗小于20W，轻载时的效率得到提高。

2、电源模块的缺相运行特性。基站的供电质量无法保证，有时输入电源会缺相，对三相输入的高频开关电源模块而言，正常应该立即保护，关闭模块。但这样对电源维护时间提出了较高的要求。为此，我们在电源模块设计时增加了缺相运行功能。当出现电源输入缺一相时，电源模块在提供缺相故障告警的同时，应可继续运行，并可带50%以下的负载。缺相不停机为基站的通信畅通提供了可靠保证。

3、电源系统的蓄电池实现智能管理。电源监控单元与蓄电池配合，将蓄电池的均衡充电分为恒流、恒压两个阶段。蓄电池的均浮充电压按蓄电池的具体参数设置。蓄电池的均浮充电压根据蓄电池的环境温度由监控自动进行补偿调整，使蓄电池在各种温度环境下都能保持满容状态。