4G時(shí)代末梢網(wǎng)元供電解決方案之探討

王 燁，何 俊

（1.中國(guó)電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州310001；2.杭州信控科技有限公司，浙江 杭州310030）

0 引 言

隨著運(yùn)營(yíng)商4G牌照的發(fā)放，帶來(lái)了新一輪的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)高峰，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)格局正發(fā)生著巨變。末梢網(wǎng)元是指處于通信網(wǎng)絡(luò)末梢，安裝于通信機(jī)房以外：如樓道、商務(wù)用房、樓頂、路邊、桿上、野外等場(chǎng)景的各類通信網(wǎng)元設(shè)備，包括無(wú)線類的室外基站、射頻拉遠(yuǎn)、室內(nèi)分布、直放站，數(shù)據(jù)類的一體化DSLAM、樓道交換機(jī)，以及交換接入類的EPON／GPON、室外AG等。分布式基站的建設(shè)模式及EPON／GPON技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得末梢網(wǎng)元數(shù)量迅速增加，造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的分散。尤其是4G基站的密集分布，基站間隔縮短至500 m左右，如何有效解決通信網(wǎng)絡(luò)的供電保障和維護(hù)問(wèn)題，是確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要課題。

本文從傳統(tǒng)供電模式存在的缺點(diǎn)出發(fā)，提出了集中式直流遠(yuǎn)供電源、基于高溫電池和鐵鋰電池的室外UPS一體化電源等供電模式，為構(gòu)建4G時(shí)代末梢網(wǎng)元設(shè)備提供可靠的供電模式。

1 幾種傳統(tǒng)供電模式和特點(diǎn)

1.1 供電方式一：市電直接供電

現(xiàn)在最常見(jiàn)的方式是直接從市電網(wǎng)取電，這種供電方式也是最簡(jiǎn)便的一種，其直接投資成本低。但缺點(diǎn)也較多：

（1）電源質(zhì)量差，容易造成故障；

（2）拉閘停電以及電力維修、電網(wǎng)故障會(huì)造成服務(wù)中斷；

（3）電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、畸變嚴(yán)重，容易引入浪涌和雷擊，影響設(shè)備功效，甚至損壞設(shè)備；

（4）若采用專線供電，專用電表、商用電價(jià)等造成高額的運(yùn)營(yíng)成本；

（5）安裝維護(hù)需供電局、外單位或市民協(xié)助，管理成本高。

1.2 供電方式二：市電＋UPS

針對(duì)供電方式一存在的問(wèn)題，最直接的改進(jìn)是考慮采用一種市電＋UPS的供電方式，即在各終端設(shè)備旁配備小型UPS不間斷電源或直流通信電源。

本地加裝UPS或通信電源解決方案的優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)成熟、價(jià)格相對(duì)合理、已有大規(guī)模應(yīng)用。但由于引入電池設(shè)備并安裝于弱電井、室外等環(huán)境，因此也存在許多不足：

（1）可部分緩解停電影響，但后備時(shí)間受所配電池容量影響，難以同宏站的工作時(shí)間同步；

（2）無(wú)電力供應(yīng)處難于實(shí)現(xiàn)供電；

（3）UPS主機(jī)因環(huán)境因素容易損壞（弱電井或室外安裝，環(huán)境非常差，灰塵多，高低溫：－40～50℃）；

（4）需找地方安裝體積龐大的且笨重的UPS電源；

（5）公共電網(wǎng)引入的雷擊損壞依然存在；

（6）需要協(xié)調(diào)安裝地單位或市民等，接受取電單位的協(xié)調(diào)電價(jià)；

（7）體積大，沉重，占用安裝面積大，安裝地選址麻煩；

（8）核心部件——蓄電池受環(huán)境溫度影響，壽命非常短。一般1～2年需要整體更換，維護(hù)工作量大，費(fèi)用高，需要不斷投入電池更新費(fèi)用；

（9）UPS設(shè)備和蓄電池易被盜。

根據(jù)上述供電方式一、二存在的問(wèn)題，提出以下幾種適合末梢網(wǎng)元設(shè)備的供電解決方案。

2 集中式直流遠(yuǎn)供電源供電模式

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

集中式直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)利用機(jī)房穩(wěn)定、可靠的供電保障系統(tǒng)，在機(jī)房?jī)?nèi)放置局端升壓設(shè)備，將－48 V直流電升壓至DC280 V～400 V，通過(guò)銅、鋁介質(zhì)經(jīng)分路分配單元，傳送至遠(yuǎn)處的末梢網(wǎng)元處，通過(guò)遠(yuǎn)端設(shè)備將電壓轉(zhuǎn)換成末梢網(wǎng)元所需電壓，進(jìn)行供電及提供后備電源保障。將原有分散供電進(jìn)行集中供電，集中管理。

集中式直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)主要由局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備、分配（防雷）單元及傳輸介質(zhì)組成：

（1）局端設(shè)備：將－48 V直流電隔離升壓到連續(xù)可調(diào)的280～400 Vdc，具備完整的監(jiān)控、保護(hù)均流及冗余功能。

（2）遠(yuǎn)端設(shè)備：將輸入的高壓直流變換成符合通信設(shè)備的適用電壓－48 V dc。

（3）分配（防雷）單元：分路配電及保護(hù)，隔離故障支路，分簡(jiǎn)易型及智能型兩種，智能型具有更多的保護(hù)功能和相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)置功能及支路故障隔離功能。

（4）輸電線纜：實(shí)現(xiàn)直流電壓的傳輸。集中式直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)注意事項(xiàng)

集中式直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)需注意如下幾點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)安全分級(jí)保護(hù)

在室內(nèi)分布或其他容易被非電氣專業(yè)人員碰觸的場(chǎng)合，采用直流140 V及以下遠(yuǎn)供電壓；在高于140V以上等級(jí)電壓饋電時(shí)，所采用線纜和施工、維護(hù)措施，要求按照有關(guān)電力電纜施工維護(hù)規(guī)程要求，做好人身安全防護(hù)工作。

（2）對(duì)電纜的安全保護(hù)

在日常傳輸中，存在電纜破損或被盜剪的可能，為此，采用供電浮地傳輸——碰觸一極不會(huì)觸電，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置漏電、開(kāi)路、短路、強(qiáng)電入侵、過(guò)載、過(guò)壓等完整的系統(tǒng)保護(hù)功能。

（3）針對(duì)一對(duì)多星型組網(wǎng)系統(tǒng)的安全保護(hù)

針對(duì)一對(duì)多的星型結(jié)構(gòu)供電系統(tǒng)，宜采有電子型分配器，對(duì)每個(gè)分路完成開(kāi)路、短路、過(guò)載等監(jiān)測(cè)保護(hù)，保護(hù)速度在50 ms以內(nèi)，能確保傳輸線路被人為破壞，引起傳輸鏈路二極短路或開(kāi)路時(shí)，及時(shí)關(guān)閉供電。

2.3 直流遠(yuǎn)程供電的優(yōu)點(diǎn)

（1）降低管理成本

采用遠(yuǎn)程供電的整個(gè)流程，在運(yùn)營(yíng)商安裝部門內(nèi)部就能完成，無(wú)需“供電局、外單位或市民”的協(xié)助，大大降低了管理成本。

（2）降低新裝網(wǎng)點(diǎn)的工程成本

采用遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)，供電部分可以同通信終端設(shè)備一起安裝，不需向供電局申請(qǐng)專用線路，或向外單位接用市電，更不需找地方安裝體積龐大且笨重的UPS電源，大大地節(jié)省工程成本，加快了工程進(jìn)度。

（3）降低運(yùn)維成本

當(dāng)供電設(shè)備點(diǎn)多面廣時(shí)，市電加UPS的供電方式涉及大量的運(yùn)行維護(hù)成本；遠(yuǎn)供電源是一種免維護(hù)產(chǎn)品，大大地降低維護(hù)成本，解決了因市電的波動(dòng)、雷電干擾、停電時(shí)間長(zhǎng)所帶來(lái)的種種問(wèn)題，節(jié)省了大量的維護(hù)工作量，同時(shí)也避免了需要外單位人員協(xié)助才能維護(hù)的局面。

遠(yuǎn)程供電模式在電力引入費(fèi)用、停電影響、施工周期方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特種光纜或電纜材料費(fèi)需要額外負(fù)擔(dān)一部分費(fèi)用，在施工方面需要鋪設(shè)線纜，但一般也大大低于電力引入的投資。而4G的網(wǎng)絡(luò)密集分布，線纜費(fèi)用大大降低，和光纜同步鋪設(shè)或者直接采用光電復(fù)合纜，可以使得施工便利，從而使網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)具有更大的靈活性，節(jié)省整體投資運(yùn)行費(fèi)用。

2.4 環(huán)保和節(jié)能減排效果

此外，遠(yuǎn)程直流系統(tǒng)供電由于采用的是在宏站等具有機(jī)房空調(diào)等環(huán)境要求較好的機(jī)房?jī)?nèi)蓄電池組集中供電形式，一方面，降低了維護(hù)的人工工時(shí)，有效地提高供電的可靠性，從而提高通信質(zhì)量；另一方面，由于采用集中直流供電形式，可以省卻末梢網(wǎng)元所需的大量UPS或通信電源。由于戶外環(huán)境溫度影響，蓄電池使用壽命普遍只有1－2年，而遠(yuǎn)供系統(tǒng)使用的是通信電源組電池，使用壽命普遍達(dá)10年左右，從而可大幅度降低蓄電池的更新，減少鉛污染。

另外，由于采用遠(yuǎn)程供電，遠(yuǎn)端設(shè)備可以省卻小機(jī)房或帶空調(diào)的戶外機(jī)柜，可以大大降低運(yùn)行電能，節(jié)能率可達(dá)40%以上。

3 以高溫電池為基礎(chǔ)的適合室外使用的一體化集成后備電源供電模式

戶外基站等通信設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境相當(dāng)惡劣，對(duì)后備用的鉛酸蓄電池組提出了更高的要求，而且普通商用型UPS或逆變器針對(duì)戶內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)，存在系統(tǒng)效率低、高溫特性差、防護(hù)等級(jí)低等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足戶外使用要求。

采用以高溫電池為基礎(chǔ)，結(jié)合脈沖充電模塊、室外高效UPS的一體化集成型后備電源作為此類網(wǎng)元設(shè)備的電源保障系統(tǒng)，是提供穩(wěn)定、可靠電源保障，提升網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)、降低維護(hù)工作量和運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用的另一種解決方案。

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由室外高效UPS／逆變器、高溫電池、脈沖充電模塊、防雷配電單元及機(jī)箱組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成示意

3.2 系統(tǒng)主要組件介紹和性能簡(jiǎn)介

3.2.1 高能聚合物高溫蓄電池

高能聚合物高溫蓄電池具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用高能聚合物新材料作為電解質(zhì)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)的失水問(wèn)題。

（2）采用創(chuàng)新型高錫鉛鈣含銀耐腐蝕合金板柵，有效提高蓄電池的耐高溫特性。

采用特殊的活性物質(zhì)及加工工藝，有效提高耐溫特性及深循環(huán)放電壽命，耐溫范圍可達(dá)－20℃～＋60℃。戶外使用壽命可達(dá)4～5年以上。

3.2.2 脈沖充電模塊

采用特有的專利脈沖充電技術(shù)，有很好的修復(fù)激活作用，可以消除“極板硫化”，能有效地防止電池組間的不均衡現(xiàn)象發(fā)生?？梢詼p少析氣量，最終減少失水?？梢苑乐剐铍姵卦缙谒p，大大延長(zhǎng)電池的循環(huán)使用壽命。

圖3為該脈沖充電模塊給4節(jié)12 V電池組充電運(yùn)行3年后的放電曲線，可以看出4節(jié)電池的放電特性基本趨于一致；而圖4為同期對(duì)比試驗(yàn)組，采用傳統(tǒng)通信電源均浮充限流充電模式的電池組放電曲線，4節(jié)電池的放電特性一致性較差。

圖3 脈沖充電模式電池組的放電曲線

圖4 傳統(tǒng)充電模式電池組的放電曲線

3.2.3 智能化高效室外UPS

采用智能化高效室外UPS的優(yōu)點(diǎn)：

采用智能化微電腦DSP控制技術(shù)，先進(jìn)的控制理論和成熟穩(wěn)定的高頻UPS模式，能快速響應(yīng)外部環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)提供不間斷的完全高品質(zhì)的交流輸出。

采用先進(jìn)的PWM＋SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出為穩(wěn)頻穩(wěn)壓、濾除雜訊、失真度低的純凈正弦波，逆變效率＞90%。

采用獨(dú)特的專利風(fēng)道處理技術(shù)并結(jié)合全數(shù)字化DSP控制技術(shù)，具備出色的隔熱、防塵、防潮功能，并保障系統(tǒng)能在－40℃ ～60℃的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

4 以鐵鋰電池為基礎(chǔ)的一體化集成后備電源供電模式

本系統(tǒng)采用鐵鋰電池組，并結(jié)合充電模塊、UPS（或逆變器）結(jié)合組成，此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)，但鐵鋰電池價(jià)格相對(duì)比較高昂，同時(shí)，對(duì)鐵鋰電池的BMS保護(hù)技術(shù)方面有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化，使得鐵鋰電池的長(zhǎng)壽命特點(diǎn)能發(fā)揮出來(lái)，并提高系統(tǒng)可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

由以上討論可以看出，4G時(shí)代末梢網(wǎng)元設(shè)備的供電方式多種多樣，每種方式均有自己的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍。本文提供了直流遠(yuǎn)供電源及基于高溫電池和鐵鋰電池的室外UPS一體化電源作為主要供電參考方式，旨在全方位保障網(wǎng)元設(shè)備的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，進(jìn)而提高通信網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)。在實(shí)際的工程中，建設(shè)單位應(yīng)以實(shí)際的市電情況及環(huán)境條件，采用最合適的供電方式。