通信開關電源休眠節(jié)能技術的應用分析

何 霞

（中國鐵塔股份有限公司 廣州市公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

通信開關電源在選擇電源容量時，需要保證負載最大功耗狀態(tài)下的供電，同時有足夠的容量用于電池充電，再考慮N+1冗余，然而系統(tǒng)日常運行時的負載率往往較低，無法達到標稱的系統(tǒng)效率，造成了能源的浪費。通信開關電源的節(jié)能措施中，可以開展技術改進及加強開關電源能效管理，使整流模塊運行于最佳效率點附近，進而達到節(jié)能效果。

1 通信開關電源休眠節(jié)能的必要性

在通信企業(yè)中，降低電力消耗是實現(xiàn)節(jié)能減排的核心。近年來，通過對大量節(jié)能降耗測試推廣工作的開展，通信行業(yè)中已經明確了通信機房的節(jié)能工作，涉及到了機房環(huán)境通風隔熱、通信設備節(jié)電、空調節(jié)電等方面的內容[1]。以常規(guī)通信基站的運行情況、設備配置來看，能耗的構成要素主要包括：機房配電照明占比3%、通信電源設備耗電占比8%、空調用電占比46%、通信主設備耗電占比43%。從中能夠看出，通信基站節(jié)能減排中，作為保證通信主設備帶載及不間斷運行的通信開關電源節(jié)電也不能忽視。因此，在基站降耗工作中，積極開展通信開關電源的休眠節(jié)能也有很大的必要性。

現(xiàn)廣州通信基站每日電量大于200 kW·h的站點約4 400個，而廣州公司每日需承載約有15 000多個基站滴水般的耗電。在能源價格不斷上漲、電量增長不可逆轉的形勢下，堅持開源與節(jié)流并重，優(yōu)化節(jié)能，降低基站耗電量勢在必行。

2 通信開關電源休眠節(jié)能的主要原理

在通信開關電源節(jié)能方面，將系統(tǒng)整體效率提高是一個關鍵點。結合不同負載率條件下通信開關電源設備的效率，能夠發(fā)現(xiàn)隨著負載率的提升，通信開關電源設備的效率也會增加[2]。通信基站電源配置方面，通常都是根據最大負載、蓄電池充電電流、N+1備份等原則確定。在具體運行時，相對于整個電源系統(tǒng)，蓄電池充電時間很短，所以很多情況下，電源系統(tǒng)都是在50%以下負載率較低的區(qū)間內工作。如果基站話務比較低，還會進一步降低電源系統(tǒng)的負載率。因此，在很長時間內，電源系統(tǒng)整流模塊都處于低負載狀態(tài)，并未達到最佳工作效率區(qū)間。由此能夠看出，結合電源系統(tǒng)效率進行分析，可以改進電源系統(tǒng)監(jiān)控模塊的管理功能，達到整流模塊智能休眠的效果，保證開關電源系統(tǒng)的工作效率區(qū)間最理想，提升電源系統(tǒng)效率，以滿足節(jié)能的效果要求。

不同負載率的模塊效率如圖1所示。如果整流模塊的負載率處在A以下，則整流模塊處于較低的效率水平；如果整流模塊的負載率在A、B之間，則整流模塊處于最高的工作效率；如果整流模塊的負載率在B以上，則整流模塊處于降低效率輸出的狀態(tài)。當整流模塊的負載率在A以下時，則開關電源可以利用監(jiān)控單元，將部分整流模塊關閉，調整為待機熱備份的狀態(tài)。這種狀態(tài)不會產生較高功耗，系統(tǒng)中運行的電源模塊也能保持在A點以上的負載率[3]。此外，如果整流模塊的負載率在B以上，效能管理使整流模塊調整為休眠關閉，那么監(jiān)控單元可以將關閉的模塊自動打開，從而確保系統(tǒng)整流模塊的負載率始終維持在A、B之間，這樣電源系統(tǒng)的運行效率就能保持在較高水平。

圖1 不同負載率的模塊效率

電源系統(tǒng)應用智能休眠功能后，如果出現(xiàn)負載率明顯增加的情況，如模塊故障、停電恢復后蓄電池充電等狀態(tài)時，在確保系統(tǒng)冗余安全的基礎上，監(jiān)控單元可以將休眠待機整流模塊有選擇性地及時打開，進而保證系統(tǒng)的工作狀態(tài)可靠、安全、穩(wěn)定。監(jiān)控單元能夠定期開關轉換工作和休眠的整流器，讓各個模塊基本保持相同的工作和待機時長，這樣能夠確保模塊老化進程均勻，工作壽命基本相同[4]。通過將各個整流模塊處于相同工作狀態(tài)，防止出現(xiàn)部分模塊長時間高負荷運行而發(fā)生損壞的情況。此外，休眠節(jié)能技術（見圖2）和傳統(tǒng)的遙控關機技術不同，在模塊休眠部分中，工作運行的只有控制部分。而遙控關機功能只能將直流電源轉直流電源（Direct Current/Direct Current，DC/DC）部分也就是模塊輸出部分關閉，所以會產生一定的損耗，因此休眠節(jié)能技術的效果更好。

圖2 休眠節(jié)能技術

3 通信開關電源休眠節(jié)能技術的測試應用

當前電信運營企業(yè)對于新入網的通信電源都提出了明確的要求，必須要具備模塊智能休眠功能，以滿足節(jié)能降耗的工作要求。以往的在網運行開關電源基本都沒有整流模塊智能休眠節(jié)能管理的功能，對此可以更換升級監(jiān)控單元控制芯片，使其具備休眠管理的功能。某省兩家主流通信電源廠家基站開關電源開展了休眠節(jié)能升級改造測試，后續(xù)在基站中大范圍應用。分別在該省兩個地市分公司基站選擇兩種在網運行電源[5]。同種電源各選取3個不同負載率基站，更換監(jiān)控單元控制芯片，具備整流模塊智能休眠節(jié)電功能。將電表安裝在開關電源輸入端，對改造前后不用時間電源耗電量進行統(tǒng)計，測試中確保開關電源沒有和其他交流用電設備連接。注意選取的站點系統(tǒng)負載率不超過50%，負載無較大波動基本不變，每日嚴格在相同時間抄取電表讀數，且使用的電表為高精度，保證數據精準[6]。測試結果如表1所示。

根據表1能夠得知，兩種參與休眠節(jié)能試驗的基站電源均為20%左右的平均負載率，使用節(jié)能管理芯片更換后，取得了顯著的節(jié)電效果。其中，A電源和B電源的每日節(jié)電分別為6.7 kW·h和5.4 kW·h。以B站為例，每個基站每月的節(jié)電量約為162 kW·h，每年的節(jié)電量約為1 944 kW·h，相當于關閉2個120萬kW的中型發(fā)電廠，約為2個中型城市的用電量。模塊休眠的應用不僅具有巨大的經濟效益，更有巨大的環(huán)保效益和社會效益。

通過比較基站1和基站4的數據能夠得知，如果負載電流相同，兩種不同電源也會存在較大的靜態(tài)功耗差異。兩個測試基站都是31 A的系統(tǒng)負載電流，而電源系統(tǒng)日均總耗電的差距是14.4 kW·h。

模塊負載電流曲線如圖3所示，利用動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，對基站6中4個整流模塊負載電流的變化情況加以考慮，結合表1的數據可知，系統(tǒng)負載總電流為60 A，配置了2組500 Ah蓄電池。根據數據能夠對電源模塊在休眠關閉、停電復電后全部開啟的工作狀態(tài)進行了解。例如，在A點之前，4個整流模塊都是均流運行，每個模塊都有15 A的電流；在A點之后，模塊3休眠關閉，其余3個模塊的電流均增加到20 A；在B點之后，開始交流停電，所有模塊關閉；C點時恢復交流供電，4個整流模塊都開啟，休眠停止，對負載電流、蓄電池充電電流等同時分擔，每個模塊中最大可達到40 A的電流；在D點之后，電池充電完成，模塊電流降低；在E點之后，模塊4的電流變?yōu)?，完全軟關斷休眠，其余3個模塊以均流的方式供電，每個模塊的電流變?yōu)橥ｋ娭?0 A。據此能夠了解到，在停電復電之后，休眠模塊也能夠及時開啟并將工作恢復[7]。

圖3 模塊負載電流曲線

表1 基站電源休眠節(jié)能測試數據

對于A電源的休眠節(jié)能功能，有關部門檢測中心也進行了相應的測試，結果顯示，相比于正常工作狀態(tài)，智能休眠工作狀態(tài)下的通信電源系統(tǒng)能發(fā)揮明顯的節(jié)能效果。在應用了休眠節(jié)能技術之后，電源系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定，同時還明顯增加了效率。因此，在不同負載條件下，休眠控制都能保證系統(tǒng)最佳工作效率狀態(tài)，同時滿足節(jié)能要求。此外，在負載率越低的情況下，采用休眠節(jié)能工作模式就能夠達到越明顯的節(jié)能效果[8]。例如，當運行狀態(tài)負載率為10%時，在節(jié)能之后，可以降低50%的系統(tǒng)功耗，效果十分顯著。

4 通信開關電源休眠節(jié)能技術的效果分析

在通信開關電源休眠節(jié)能技術中，為了保證良好的節(jié)能效果和實際應用，應當對幾個方面的內容重點關注。在通信開關電源中，休眠節(jié)能技術與遙控關機、模塊關機等有所差異，可以針對整流模塊進行智能開關管理，提升系統(tǒng)運行效率。如果通信開關電源系統(tǒng)是在網運行狀態(tài)，則可以將其管理芯片進行升級更換，達到智能休眠的節(jié)能效果[9]。當前主流廠家提供的各種常用新型開關電源中，大多數都具備了智能休眠節(jié)能的功能。但由于技術應用較新，所以在未來應用中應對系統(tǒng)工作狀態(tài)做好監(jiān)測，確保系統(tǒng)升級之后，可以和后臺監(jiān)控保持良好通信，及時發(fā)現(xiàn)和解決新系統(tǒng)的各種問題，并驗證新系統(tǒng)長期工作的穩(wěn)定性。這樣能夠在達到節(jié)能降耗效果的同時，也為系統(tǒng)運行的安全性提供保證。

在電源系統(tǒng)中增加節(jié)能功能，借助監(jiān)控模塊單元的作用進行正常運行模式或節(jié)能運行模式的設定。測試驗證電源系統(tǒng)節(jié)電功能后，在實際應用中還要進一步改進電源系統(tǒng)模塊，標記好系統(tǒng)模塊節(jié)能工作狀態(tài)，以免維修人員判斷錯誤。及時更新后臺軟件，使管理人員可以對相關數據準確分析[10]。通過對電源休眠節(jié)能效果的測試，基站試點顯示日均節(jié)電可達到5.4～6.7 kW·h，測試結果顯示日均節(jié)電為0.06～6.80 kW·h，表明達到了理想的實際節(jié)能效果。休眠節(jié)電實施具有便利性，節(jié)能效果的實現(xiàn)可利用控制芯片更換達成。運用休眠節(jié)能技術能夠延長整流模塊的使用壽命和電源設備的使用周期，實現(xiàn)了成本節(jié)約。通過運用開關電源節(jié)能系統(tǒng)，能夠有效減少交流配電和空調的耗電，從而達到更好的整體節(jié)能效果。

5 結 論

在通信開關電源控制中，應用休眠節(jié)能技術具有很大的必要性，是實現(xiàn)通信領域降低能耗的重要手段。很多研究表明，休眠節(jié)能技術可以發(fā)揮出理想的效果，將智能休眠節(jié)電模式應用于開關電源系統(tǒng)，可保證模塊智能休眠控制，保持穩(wěn)定運行，同時滿足節(jié)能要求。此外，實際應用中要考慮不同的配置及工作特性，選取最合理的方案。