通信機(jī)樓電源系統(tǒng)蓄電池優(yōu)化應(yīng)用研究

邢 鋒，陳月琴，鄒節(jié)凱

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210019）

0 引 言

通信機(jī)樓及數(shù)據(jù)中心在通信和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中起著中樞神經(jīng)的作用，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、4G技術(shù)的發(fā)展，機(jī)樓資源成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸。如何高效的利用機(jī)樓資源、盤活存在瓶頸的機(jī)樓成為各家運(yùn)營商的重要課題。

1 通信機(jī)樓存在的問題

運(yùn)營商通信機(jī)樓存在電源系統(tǒng)利用率低、蓄電池充電功耗占用大量的市電、油機(jī)電資源的問題。某地現(xiàn)有通信機(jī)樓主設(shè)備功耗小于蓄電池充電功耗，造成大量的市電、油機(jī)和蓄電池組資源浪費(fèi)，如圖1所示。

圖1 某省直流電源系統(tǒng)設(shè)備和蓄電池充電功耗對(duì)比

2 －48 V直流電源系統(tǒng)

2．1 －48 V直流電源系統(tǒng)原理

－48 V開關(guān)電源系統(tǒng)由交流配電屏、整流機(jī)架內(nèi)含高頻整流模塊、監(jiān)控模塊、直流配電屏和閥控式鉛酸蓄電池組（鐵鋰電池）組成。

直流電源系統(tǒng)核心元件高頻整流模塊主要由輸入電網(wǎng)濾波器、輸出整流濾波器，主電路、控制電路，保護(hù)電路，輔助電源等幾部分組成，如圖2所示。它的主電路主要由交流輸入濾波器、整流濾波電路、DC／DC變換電路、次級(jí)濾波電路組成，完成功率變換。

圖2 高頻整流模塊典型原理框圖

2．2 －48 V直流電源系統(tǒng)蓄電池管理策略

直流電源系統(tǒng)監(jiān)控模塊對(duì)蓄電池組采用二級(jí)監(jiān)控模式，能對(duì)蓄電池組的端電壓、充放電電流、電力電池室機(jī)房溫度做實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)控單元根據(jù)電池的充放電情況估算電池容量的變化，按事先設(shè)置的條件自動(dòng)轉(zhuǎn)入限流均充狀態(tài)，通過控制母線電壓來完成電池的正常均充過程，并可自動(dòng)完成電池的定時(shí)均充維護(hù)，均／浮充電壓溫度補(bǔ)償?shù)裙ぷ鳌?/p>

（1）電池管理的基本思想是：以電池組保有容量、電池充電電流為依據(jù)，控制電池由浮充轉(zhuǎn)入均充。以充電電流、充電時(shí)間為依據(jù)，控制電池由均充轉(zhuǎn)入浮充。

（2）保證負(fù)載電流基本不變，以電池電流和總負(fù)載電流作為主要參考依據(jù)（主要輸入基準(zhǔn)），通過調(diào)節(jié)輸出電壓及限流點(diǎn)，穩(wěn)定負(fù)載電流，控制電池電流及電壓，防止電池充電過流。

2．2．1 正常充電狀態(tài)

（1）監(jiān)控模塊自動(dòng)記錄均充和浮充的開始時(shí)刻，在上電初始如果監(jiān)控模塊發(fā)現(xiàn)均充過程尚未結(jié)束，則會(huì)繼續(xù)進(jìn)行均充。

（2）如果上電前是處于限流均充狀態(tài)，則繼續(xù)進(jìn)行限流均充，如果是處于恒壓均充狀態(tài)，則繼續(xù)進(jìn)行恒壓均充。在限流均充時(shí)，當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓均充電壓值的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓均充。

（3）在浮充情況下，若浮充電流大于設(shè)定值（轉(zhuǎn)均充參考電流），或電池組剩余容量小于設(shè)定值（轉(zhuǎn)均充容量比），則監(jiān)控模塊會(huì)自動(dòng)控制模塊進(jìn)行均充。

（4）對(duì)電池進(jìn)行均充時(shí)，充電電流應(yīng)該是監(jiān)控模塊設(shè)置的限流值，此階段為電池恒流充電階段，電池的電壓是隨著時(shí)間增加而增大的。

（5）當(dāng)電池電壓增大到一定值時(shí)，充電進(jìn)入恒壓階段，在恒壓階段，充電電流不斷減小，以充電電流減小到0．01C10A為開始計(jì)時(shí)點(diǎn)，3 h后恒壓充電階段結(jié)束，充電電壓降低，投入浮充狀態(tài)，至此充電過程完成。

2．2．2 定時(shí)均充狀態(tài)

直流電源系統(tǒng)電池管理程序自動(dòng)計(jì)算電池定時(shí)均充的時(shí)間，確定在何時(shí)啟動(dòng)定時(shí)均充，何時(shí)停止定時(shí)均充，一般電池每隔30天均充一次。

2．2．3 放電后均充狀態(tài)

交流停電后，電池組放電，給設(shè)備供電。再次恢復(fù)交流供電時(shí)，若電池電流大于設(shè)定值（轉(zhuǎn)均充參考電流）或電池組剩余容量小于設(shè)定值（轉(zhuǎn)均充容量比），則監(jiān)控模塊會(huì)自動(dòng)控制模塊進(jìn)行均充。在監(jiān)控模塊的軟件設(shè)置中，電池放電后轉(zhuǎn)均充條件有兩個(gè)：電池現(xiàn)有容量、電池電流。兩個(gè)條件中的任意一個(gè)達(dá)到即進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 不間斷交流電源系統(tǒng)

在通信機(jī)樓中一般采用在線雙變化式UPS電源系統(tǒng)（圖3）向負(fù)載供電，只有當(dāng)UPS主機(jī)發(fā)生故障、過載或過熱時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)為由旁路輸出給負(fù)載。

不間斷電源系統(tǒng)充電器分為3個(gè)主要部分，即三相橋式全控整流器，由V1～V6和濾波電感L1、L2組成；采樣電路，其功能是對(duì)三相橋輸出的充電電壓和電流進(jìn)行采樣，然后將采樣的結(jié)果送到控制電路；控制電路，其功能是根據(jù)采樣電路送來的電壓和電流信號(hào)去控制三相橋式全控整流器，以調(diào)整其輸出電壓和充電電流。

圖3 雙變換在線式不間斷電源系統(tǒng)原理圖

圖4 UPS充電曲線

如圖4所示，不間斷電源系統(tǒng)充電分為3個(gè)階段：初期恒流充電階段，電流保持不變，充電電壓隨著充電時(shí)間逐步升高；當(dāng)電壓到達(dá)設(shè)計(jì)值（一般為提前設(shè)定電壓，每個(gè)電池單元為2．25 V）時(shí)就轉(zhuǎn)為恒壓充電，蓄電池經(jīng)過一段時(shí)間的恒壓充電，端電壓上升到某一值時(shí)就轉(zhuǎn)為浮充充電。

4 通信機(jī)樓中蓄電池錯(cuò)峰充電應(yīng)用策略

伴隨著大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和云計(jì)算的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)樓耗電量不斷增大，電力資源成為制約大數(shù)據(jù)和云計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵因素。通過合理制定電源系統(tǒng)蓄電池錯(cuò)峰充電策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的優(yōu)化控制，可以最大限度將市電和油機(jī)資源用于主設(shè)備供電。

4．1 等級(jí)劃分策略

按照IT設(shè)備重要性、電源系統(tǒng)負(fù)載率和電池組容量可以將電源系統(tǒng)的重要性從低到高分為D1～D3三個(gè)等級(jí)，如圖5。

圖5 等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

（1）若電源系統(tǒng)主設(shè)備重要性和電源負(fù)載率有任意一項(xiàng)為關(guān)鍵指標(biāo)，則該套電源系統(tǒng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為D3標(biāo)準(zhǔn)。

（2）若電源系統(tǒng)主設(shè)備重要性和電源負(fù)載率有任意一項(xiàng)為重要指標(biāo)，另一項(xiàng)為重要指標(biāo)或一般指標(biāo)，則該套電源系統(tǒng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為D2標(biāo)準(zhǔn)。

（3）若電源系統(tǒng)主設(shè)備重要性和電源負(fù)載率均為一般指標(biāo)，則該套直流電源系統(tǒng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為D1標(biāo)準(zhǔn)。

4．2 電源系統(tǒng)錯(cuò)峰充電實(shí)施策略分析

根據(jù)通信設(shè)備重要性，將電源系統(tǒng)初步劃分為D1到D3三個(gè)等級(jí)（圖6）。

圖6 錯(cuò)峰充電策略分析

（1）根據(jù)電源系統(tǒng)負(fù)載情況，初步將電源系統(tǒng)劃分為D1～D3三個(gè)等級(jí)。

（2）初定為D1等級(jí)的電源系統(tǒng)，如果負(fù)載率在40%～80%區(qū)間，則等級(jí)變更為D3等級(jí)，如果負(fù)載率超過80%，則等級(jí)變更為D2等級(jí)。

（3）初定為D2等級(jí)的電源系統(tǒng)，如果負(fù)載率超過80%，則等級(jí)變更為D3等級(jí)。

（4）T1：電源系統(tǒng)錯(cuò)峰充電管理單元采集D3等級(jí)1～N套電源系統(tǒng)蓄電池充電電壓，當(dāng)所有蓄電池充電電源均達(dá)到恒充電壓時(shí)，延時(shí)5～15分鐘，確定T1時(shí)間。

（5）T2：直流電源系統(tǒng)錯(cuò)峰充電管理單元采集D2等級(jí)1～N套電源系統(tǒng)蓄電池充電電壓，當(dāng)所有蓄電池充電電源均達(dá)到恒充電壓時(shí)，延時(shí)5～15分鐘，確定T2時(shí)間。

（6）蓄電池錯(cuò)峰充電管理單元需分別采集計(jì)算T1和T2時(shí)間蓄電池功耗，選取二者最大值做為電源系統(tǒng)蓄電池充電最大功耗。

4．3 電源系統(tǒng)錯(cuò)峰充電關(guān)鍵技術(shù)分析

電源系統(tǒng)錯(cuò)峰充電管理系統(tǒng)：收集電源系統(tǒng)監(jiān)控模塊電壓、電流、充電電壓、充電電流等數(shù)據(jù)；判定延時(shí)機(jī)制；自動(dòng)控制蓄電池脫扣接入機(jī)制。

5 小 結(jié)

結(jié)合通信電源系統(tǒng)蓄電池錯(cuò)峰充電管理平臺(tái)和通信電源設(shè)備監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)蓄電池組錯(cuò)峰均充可以有效地降低蓄電池充電功耗，提高市電、柴油發(fā)電機(jī)組利用率，顯著提高機(jī)樓的主設(shè)備裝機(jī)率，對(duì)通信機(jī)樓節(jié)能建設(shè)具有超前的指導(dǎo)意義。

［1］ 張乃國．UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

［2］ Sanjaya，Maniktala．精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］．北京：人民郵電出版社，2008．

［3］ YD／T5040－2005通信電源設(shè)備安裝設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．2005．