4G基站用直流UPS后備電源瞬斷故障測試分析及對策研究

［慕家驍　藍(lán)郁峰　賴世能　羅森文］

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4G基站用直流UPS后備電源瞬斷故障測試分析及對策研究

［慕家驍藍(lán)郁峰賴世能羅森文］

摘要針對4G 無線基站一體化直流UPS后備電源設(shè)備頻繁發(fā)生瞬斷、閃斷故障的問題，通過現(xiàn)場反復(fù)測試以及實驗室試驗與驗證，深入分析了故障因素，確定故障原因，并對UPS后備電源控制電路板提出了改進(jìn)方案，排除了相關(guān)故障和潛在問題，最后現(xiàn)場改造了數(shù)百個此類在網(wǎng)運行的一體化直流UPS后備電源設(shè)備，現(xiàn)場實踐證明改造后的設(shè)備運行正常，該方案切實可行。

關(guān)鍵詞：4G基站 直流UPS 后備電源 鋰電池 閃斷故障

高級工程師，中國電信股份有限公司廣州研究院，長期從事通信設(shè)備、IDC數(shù)據(jù)中心電源和環(huán)境的安全可靠性運行運行，國內(nèi)主要刊物發(fā)表論文20余篇，正式出版發(fā)行專業(yè)著作4部。

藍(lán)郁峰

高級工程師，中國電信股份有限公司廣東分公司，長期從事通信設(shè)備、IDC數(shù)據(jù)中心電源和環(huán)境的安全可靠性運行管理和維護(hù)工作。

賴世能

碩士，高級工程師，中國電信股份有限公司廣州研究院，長期從事通信電源可靠性、可維護(hù)性，數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵基礎(chǔ)物理設(shè)施配置，通信用高壓直流技術(shù)發(fā)展演進(jìn)研究及通信系統(tǒng)供電安全技術(shù)支撐。正式出版發(fā)行專業(yè)著作4部。

羅森文

碩士，高級工程師，中國電信股份有限公司廣州研究院，長期從事通信設(shè)備、IDC數(shù)據(jù)中心電源和環(huán)境的安全可靠性運行運行，主持制定多項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，發(fā)表論文數(shù)十篇。正式出版發(fā)行專業(yè)著作4部。

引言

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，4G無線基站大規(guī)模建設(shè)，一體化直流后備電源UPS設(shè)備在4G基站中大規(guī)模應(yīng)用，截止2014年底，僅中國電信某一個省會城市4G基站一體化直流后備電源UPS設(shè)備應(yīng)用656套，一體化直流后備電源對無線網(wǎng)絡(luò)安全運行舉足輕重。2014 年7月，某省剛剛啟動的大規(guī)模無線基站4G網(wǎng)絡(luò)部分一體化直流后備電源UPS設(shè)備頻繁發(fā)生瞬斷、閃斷故障，給剛建成的數(shù)百個此類4G無線網(wǎng)絡(luò)造成了巨大的影響和安全隱患。

在CC單板上，如果是因為PM沒有被下電（供電正常）的情況下發(fā)生基站重啟復(fù)位（即軟復(fù)位），那么基站會記錄復(fù)位日志為Software Reboot，比如7月13日做過重大操作，當(dāng)時基站遠(yuǎn)程復(fù)位重啟的記錄就是Software Reboot，另外基站與OMMB網(wǎng)管和MME同時斷鏈超過2h后，基站自動復(fù)位的日志也會是Software Reboot。

而華為公司廠家自己提供的4G無線網(wǎng)絡(luò)配套電源卻無此故障，我們分析認(rèn)為這可能就是4G無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與4G配套電源控制結(jié)構(gòu)設(shè)置及在安裝上存在一定的問題。

經(jīng)過我們與直流UPS電源設(shè)備廠家的技術(shù)人員一起探討和分析，在出現(xiàn)閃斷的站點中，一體化直流UPS設(shè)備“直流輸入”端口未接線纜，無直流輸入，導(dǎo)致負(fù)載設(shè)備沒有正常的直流供應(yīng)。在這種存在交流輸入而沒有直流輸入的情況下，直流UPS會啟動內(nèi)部交轉(zhuǎn)直模塊+電池聯(lián)合供電模式，該交轉(zhuǎn)直模塊主要為鋰電池充電用（功率為300W）。當(dāng)電池電量消耗完畢后，交轉(zhuǎn)直模塊會轉(zhuǎn)而給電池充電，從而導(dǎo)致負(fù)載供電中斷。當(dāng)充電超過電池門限值后，電池恢復(fù)供電，即整機(jī)為交轉(zhuǎn)直模塊+電池聯(lián)合供電模式，負(fù)載恢復(fù)供電。等到電池電量消耗完畢，負(fù)載則又中斷供電。于是在這種無直流輸入UPS的情況下，會出現(xiàn)反復(fù)閃斷的情況。抽查到的站點中IPRAN與FDD都是由該交轉(zhuǎn)直模塊經(jīng)過DCPD進(jìn)行供電，即IPRAN側(cè)也存在與FDD側(cè)類似的閃斷情況，但在總功率不高于300W的情況下未必同時中斷，聯(lián)合排障小組也未發(fā)現(xiàn)大量的IPRAN閃斷問題，初步分析IPRAN側(cè)中斷與成環(huán)率、破環(huán)操作和統(tǒng)一交轉(zhuǎn)直模塊過載等關(guān)系比較密切。此外室分站的斷站重啟情況高于室外站。

1　一體化UPS后備電源工作原理

后備電源一體化直流UPS設(shè)備的工作原理圖如圖1所示。

圖1　直流后備電源一體化直流UPS原理圖

在設(shè)備正常工作時，交流市電從交流輸入端經(jīng)交轉(zhuǎn)直整流后，由EMS控制，一部分直流電直接給4G網(wǎng)絡(luò)供電，同時有部分交轉(zhuǎn)直電給鋰電池組充電（功率為300W）。當(dāng)市電停電后，4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的直流電就由鋰電池組供給，以保持網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

2　測試方案

我們經(jīng)過充分地分析和討論，最終制定了兩套測試方案。

方案一：斷開市電（主電源和后備電源都斷電），其它不做任何變化，測試一體化直流UPS后備電源給通信主設(shè)備供電情況；恢復(fù)市電，測試直流UPS后備電源給通信設(shè)備供電情況。

方案二：只斷開主電源，僅給一體化直流UPS后備電源供市電，測試一體化直流UPS后備電源給通信設(shè)備供電情況。

2014年8月攻關(guān)小組選定多次出現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)一體化直流UPS后備電源設(shè)備頻繁發(fā)生瞬斷、閃斷故障的某大廈負(fù)二樓固網(wǎng)機(jī)房內(nèi)基站作為現(xiàn)場研究測試機(jī)房。

3　測試情況

3.1方案一測試情況

（1） 用數(shù)字化波形記錄儀記錄被測一體化直流UPS設(shè)備各端口電壓和電流情況，斷開市電后，直流UPS內(nèi)的后備鋰電池立即接通供電，主設(shè)備工作基本正常，此時通信主設(shè)備未立即出現(xiàn)故障。

（2） 然而當(dāng)斷開市電等待數(shù)分鐘后，把主電源市電開關(guān)合閘、恢復(fù)供電，直流UPS輸出電壓持續(xù)了約2.7秒鐘時，直流UPS后備電源輸出電壓（數(shù)字化記錄儀表第3通道（黃色）突然由52.03V跌落到30～31V左右，見圖2所示。同時第4通道（絳紫色）的UPS輸出電流突然由3.75A突變到28.188A，隨即電流恢復(fù)正常穩(wěn)定值3.75A，直流UPS后備電源的電壓和電流突變時間不到1ms，此時監(jiān)控中心記錄了基站4G主設(shè)備出現(xiàn)了瞬斷故障現(xiàn)象，說明基站4G主設(shè)備出現(xiàn)了瞬斷故障現(xiàn)象是由于一體化直流UPS后備電源供電瞬斷故障所引起。

圖中通道3（黃色線）是UPS輸出直流電壓，電壓跌落幅度很大，由53V跌落到30～31V，且跌落持續(xù)時間達(dá)5～6ms；通道4（絳紫色）是UPS直流輸出電流，突變幅度也非常大，由3.7A突變到23～28A，是正常輸出直流電流的約7倍；圖3是圖1的局部大樣圖。

該測試重復(fù)進(jìn)行了6次，當(dāng)恢復(fù)市電供電后大約2.7秒后，4G移動主設(shè)備故障就會出現(xiàn)，共出現(xiàn)了3次類似的故障。

3.2方案二測試情況

當(dāng)采用方案二測試時（即主電源不供電，只給蓄電池充電的后備電源供電），測試情況如圖4所示。同樣，在恢復(fù)供電時，同樣出現(xiàn)了主設(shè)備掉電現(xiàn)象。

4　測試分析

當(dāng)市電斷電后，直流UPS立即切換到后備鋰電池供電，供電基本正常，主設(shè)備沒有出現(xiàn)掉電現(xiàn)象。但當(dāng)恢復(fù)供電時反而很可能會引起主設(shè)備瞬斷故障（試驗7次中有4次出現(xiàn)主設(shè)備瞬斷）如圖2所示。

圖2　市電恢復(fù)2.7s后，UPS輸出電壓出現(xiàn)跌落、輸出電流出現(xiàn)突增、主設(shè)備出現(xiàn)故障

通過對該一體化直流UPS后備電源設(shè)備的邏輯控制原理分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備在市電恢復(fù)時，需要同時滿足2個判定條件才會撤銷鋰電池對主設(shè)備供電：（1）交轉(zhuǎn)直輸入端的正極線有輸入電壓；（2）交流輸入導(dǎo)線有交流輸入電壓；在滿足這二個條件2s后再切斷鋰電池輸出。而啟動鋰電池供電的判定條件是交直流輸入端正極線上沒有輸入電壓。通過認(rèn)真檢查基站電源設(shè)備安裝接地方法，并在實驗室里進(jìn)一步實驗和分析，發(fā)現(xiàn)給后備電源直流的交轉(zhuǎn)直輸入的48V正極與保護(hù)地相連，同時由后備電源供電的基站主設(shè)備也是48V正極通過機(jī)殼與保護(hù)地相連（這是通信局站電源接地的一貫標(biāo)準(zhǔn)做法和其特殊性），有二處與保護(hù)地相連，從而導(dǎo)致后備電源內(nèi)部的正極線隔離二極管短接。這種接地方法的后果是隔離二極管的隔離功能失效，鋰電池輸出電壓通過地線反饋到交直流回路的輸入端，造成判定條件（1）無法反映市電恢復(fù)后交轉(zhuǎn)直回路有電壓輸入的真實情況（交轉(zhuǎn)直檢測電路檢測到的電壓只是鋰電池電壓而不是市電方向提供的直流電壓），只要市電恢復(fù)2s后就產(chǎn)生控制命令讓鋰電池斷開。而交轉(zhuǎn)直回路在市電恢復(fù)后2s這么短時間內(nèi)尚無法建立直流輸出，無法在2s內(nèi)提供直流電壓，其結(jié)果是市電恢復(fù)2.7s后，會出現(xiàn)一個既無交轉(zhuǎn)直回路供電，也無電源輸入，又無鋰電池輸出的空白時間段，主設(shè)備自然會失壓掉電、關(guān)閉一次，如圖4、圖5所示。

圖3　為圖1跌落部分大樣圖（直流電壓跌落持續(xù)5-6ms、跌落深度20伏，直流電流突增持續(xù)1ms、突增幅度7倍）

圖4　恢復(fù)供電時UPS輸出電壓維持2～3s后發(fā)生突變（瞬間由53.4V下降到31V，電流由約0.188突變到22A～28A，通信設(shè)備出現(xiàn)故障。）

一體化直流UPS電源輸出電壓失壓并關(guān)閉主設(shè)備工作后，此時因為鋰電池停止輸出，UPS電源檢測到交轉(zhuǎn)直輸入端輸入電壓缺失，會立即重新恢復(fù)鋰電池供電狀態(tài)，主設(shè)備又重新啟動，并出現(xiàn)較大的峰值電流。因此大約在市電恢復(fù)2.7s后，鋰電池恢復(fù)供電，掉電后的主設(shè)備又可以重新啟動工作，數(shù)秒鐘后，交轉(zhuǎn)直回路已建立了穩(wěn)定的直流電壓輸出，出現(xiàn)交轉(zhuǎn)直回路和鋰電池回路同時為主設(shè)備供電，此時UPS電源檢測到交直流輸入端有直流電壓了，命令鋰電池再次斷開、停止供電，并由交直流回路給主設(shè)備供電并一直維持正常工作。正是這種邏輯控制要求和現(xiàn)場設(shè)備正極接地方法的矛盾，導(dǎo)致了市電恢復(fù)后2s多還會出現(xiàn)一次電源瞬斷的奇怪現(xiàn)象。圖5為發(fā)生故障的直流UPS電源原理示意圖。

圖5　發(fā)生故障的直流UPS電源原理示意圖

由上分析可知，一體化直流UPS后備電源設(shè)計思想存在諸多不合理之處：（a）交轉(zhuǎn)直回路是否有正常電壓輸入的檢測電路，只檢測直流正極導(dǎo)線對參考地之間的電壓，而不是檢測正負(fù)極之間的電壓；（b）只在交轉(zhuǎn)直回路的正極線串接了隔直二極管，而沒有在負(fù)極線上也串接隔直二極管；（c）市電恢復(fù)后2s就停止鋰電池輸出供電，等待時間太短，交轉(zhuǎn)直回路還來不及建立穩(wěn)定的輸出；（d）該設(shè)備的正常工作建立在直流48V正極不接地的基礎(chǔ)之上，明顯不符合通信局站的標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合上面分析，當(dāng)外部的交轉(zhuǎn)直主電源建立輸出電壓延時時間過長（超過2s）時，就會出現(xiàn)無法及時提供持續(xù)的供電而導(dǎo)致輸出設(shè)備閃斷現(xiàn)象，造成通信故障瞬斷故障。

5　解決方案

為了適應(yīng)通信行業(yè)規(guī)范要求，攻關(guān)小組提出以下整改方案：在輸入負(fù)極同時也串接隔直二極管，并將檢測電壓由交轉(zhuǎn)直回路的正極對工作地改變?yōu)檎龢O對負(fù)極，通過光耦隔離檢測輸入電壓壓差來判定輸入電壓正常與否。這樣即使交轉(zhuǎn)直電源的正極和BBU設(shè)備的正極都保持接地狀態(tài)，也可以保證市電恢復(fù)時不出現(xiàn)掉電的問題了。整改后的電路原理如圖6所示。

圖6　整改后的安裝及電路原理圖

增加負(fù)極的隔直二極管（紅色虛線方框）后，無論是輸入與輸出的正極通過保護(hù)地短接，還是負(fù)極通過保護(hù)地短接，直流檢測電路均能檢測輸入電壓壓差信號正常與否，從而正?？刂魄袚Q開關(guān)。當(dāng)外部的交轉(zhuǎn)直模塊輸出電壓正常后，才斷開鋰電池與母線切換開關(guān)，使鋰電池與母線斷離，保障了鋰電池的安全。

在實驗室，通過整改多臺樣機(jī)，同時模擬在輸出+48V正極與保護(hù)地短接的狀態(tài)下，均能正常控制切換開關(guān)，保證了在直流輸入正常的情況下切換。圖7為整改后的電壓切換輸出圖形，可見輸出電壓不再有大幅度跌落了。

6　結(jié)論

本項目涉及的4G基站一體化直流UPS后備電源的設(shè)計應(yīng)結(jié)合通信局站供電和接地的特殊性和工程規(guī)范作為基礎(chǔ)，并現(xiàn)場將產(chǎn)成品實際運用到通信基站和機(jī)房經(jīng)過反復(fù)試驗和驗證后，證明沒有問題才可以上網(wǎng)運行，否則不但會暴露出產(chǎn)品的缺陷和不足，同時還會對現(xiàn)網(wǎng)運行通信質(zhì)量和客戶都造成嚴(yán)重的影響。

圖7　直流UPS電源整改后在市電停電及恢復(fù)過程輸出電壓測試波形圖

對此類4G基站一體化直流UPS后備電源在現(xiàn)場進(jìn)行了全面的改造后，徹底解決了一體化直流UPS后備電源大量出現(xiàn)閃斷、瞬斷的故障，從而有效保障了4G基站的安全運行。

參考文獻(xiàn)

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10賴世能.慕家驍合著.《通信系統(tǒng)防雷接地技術(shù)》人民郵電出版社.2007年

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.002慕家驍

收稿日期：（2016-03-31）