郭彥軍

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司周口分公司網(wǎng)絡(luò)部，河南 周口 466000)

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新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

郭彥軍

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司周口分公司網(wǎng)絡(luò)部，河南 周口 466000)

摘要:針對(duì)4G基站建設(shè)中的供電難題，量身設(shè)計(jì)了一種新型壁掛式模塊化逆變電源安裝在4G基站附近的宏站內(nèi)，利用專用10 mm2鎧裝阻燃電纜通過架空或地埋的方式引入4G基站，提供220 V交流電源，實(shí)現(xiàn)交流遠(yuǎn)供。新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)方案運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠、節(jié)省了大量工程建設(shè)成本及后期維護(hù)費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：壁掛式；模塊化；逆變電源；4G基站供電

1　解決4G基站供電難題方案背景

隨著移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，4G基站頻段較高、站間距越來(lái)越近，在城區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化通信基站機(jī)房越來(lái)越難。為確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，在指定的規(guī)劃區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信號(hào)覆蓋，數(shù)量越來(lái)越多的4G一體化基站、MINI基站、室分基站、拉遠(yuǎn)站等成為很好的替代。但這些基站大部分安裝在城市人口密集區(qū)域道路綠化帶內(nèi)、高速公路沿線、拆遷區(qū)域、新區(qū)等區(qū)域，基站交流引入非常困難，主要存在以下問題:

(1)供電部門基于安全考慮在城區(qū)內(nèi)已禁止安裝雙桿室外型油浸式變壓器，安裝箱式變壓器協(xié)調(diào)難度大、費(fèi)用較高，如建一臺(tái)20 kVA的箱式變壓器，包括高壓線路、大約需20萬(wàn)元左右，工程建設(shè)費(fèi)用較高。

(2)直流遠(yuǎn)供費(fèi)用相對(duì)較高、變換環(huán)節(jié)較多、效率較低、不節(jié)能并且不能帶空調(diào)，直流遠(yuǎn)供需增加開關(guān)電源整流模塊。

(3)引低壓線路協(xié)調(diào)難度大,接電困難。

(4)一體化基站、MINI基站、室分基站、拉遠(yuǎn)基站配置的蓄電池容量小，后備時(shí)間短。

(5)站點(diǎn)較多、分散、市電停電后應(yīng)急發(fā)電通信保障困難。

為了解決一體化基站、MINI基站、室分基站、拉遠(yuǎn)基站等供電難題，周口分公司自主研發(fā),為4G基站量身設(shè)計(jì)了一種新型壁掛式模塊化逆變電源，安裝在附近宏站內(nèi)，通過專用電纜拉遠(yuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)4G基站安全、穩(wěn)定、可靠供電，降耗了能耗，大大提升了4G通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。該研究成果已獲得國(guó)家專利，專利號(hào)：ZL 201420842333.4。該課題屬于：集團(tuán)重大重點(diǎn)科研課題《通信網(wǎng)絡(luò)供電和能耗管理新技術(shù)研究與應(yīng)用》子課題，已于2014年12月12日順利通過集團(tuán)公司驗(yàn)收。

根據(jù)4G基站功率小的特點(diǎn)，綜合分析設(shè)計(jì)了一臺(tái)滿配8 kVA新型壁掛式模塊化逆變電源安裝在4G基站附近宏站內(nèi)，利用專用10 mm2鎧裝阻燃電纜(外皮印上交流220 V，請(qǐng)注意安全字樣)架空或地埋的方式引入4G基站，提供220 V交流電源，實(shí)現(xiàn)交流遠(yuǎn)供，解決4G基站供電難題。該方案安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用，無(wú)須電力部門協(xié)調(diào)配合，節(jié)省大量工程建設(shè)費(fèi)用，如圖1所示。

新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)特點(diǎn)：

(1)高效性：逆變模塊采用電力控制方面的獨(dú)特技術(shù)，效率高，可大幅度降低供電損耗。

(2)自主均流：逆變模塊采用自主均流技術(shù)，自動(dòng)均分負(fù)載，模塊間自動(dòng)完成負(fù)荷電流均分；運(yùn)行中若有模塊發(fā)生故障，可將故障模塊關(guān)閉，不影響整個(gè)系統(tǒng)正常工作，負(fù)荷電流會(huì)自動(dòng)重新均分。

圖1 新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)方案

(3)擴(kuò)容方便：逆變主機(jī)模塊可根據(jù)需要組合安裝，擴(kuò)容簡(jiǎn)單方便，尤其是負(fù)載隨著時(shí)間的變化而不斷增加的情況，不會(huì)導(dǎo)致投資損失，如增加負(fù)載，只需要加逆變主機(jī)模塊就可以應(yīng)對(duì)。

(4)系統(tǒng)保護(hù)功能：系統(tǒng)具有輸入、輸出過欠壓、系統(tǒng)過溫、系統(tǒng)過載、交流輸出短路、防雷等保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí)，發(fā)出聲光告警，并自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)。故障排除后，可以重新自動(dòng)或人工開機(jī)正常工作。

(5)可靠性及安全性：逆變電源局端系統(tǒng)的輸入輸出具備防雷功能、輸入極性防反接功能等，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

(6)易維護(hù)管理性：逆變主機(jī)模塊和KTS冗余開關(guān)具有各種故障告警聲光指示，同時(shí)具備市電及逆變自動(dòng)切換功能，方便維護(hù)人員了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。利用專用電纜向遠(yuǎn)距離的大功率局站提供饋電，無(wú)須電力部門的協(xié)調(diào)配合，節(jié)省安裝成本。

2　新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)所需配件: 高效節(jié)能逆變模塊、靜態(tài)開關(guān)、監(jiān)控單元、風(fēng)扇、銅排、空氣開關(guān)、防雷模塊、接線端子，機(jī)柜等。整機(jī)尺寸600 mm×600 mm×550 mm(高×寬×深)、整機(jī)重量≤50 kg(模塊，柜體+配電)，柜體采用不銹鋼板一次壓制成形，氬弧焊焊接，柜體下部設(shè)計(jì)兩個(gè)支撐三角架，確保安全。

系統(tǒng)工作原理：市電正常時(shí)，系統(tǒng)輸出正常交流電市電，逆變系統(tǒng)輕載待機(jī)工作；市電停電時(shí)，逆變系統(tǒng)模塊按其預(yù)定的參數(shù)或用戶命令進(jìn)行工作，輸入電壓為40 V-60 VDC，輸出電壓范圍200 V-240 VAC；系統(tǒng)輸出切換由監(jiān)控模塊控制靜態(tài)開關(guān)完成，切換時(shí)間≤4 ms，用戶可以通過監(jiān)控模塊設(shè)置系統(tǒng)電源的各項(xiàng)參數(shù)，系統(tǒng)有輸入和輸出電壓、電流檢測(cè)，過欠壓、過載、欠壓限功率保護(hù)等功能。

如圖2為新型壁掛式模塊化逆變電源采用交直流雙路電源輸入，安全可靠；采用市電優(yōu)先設(shè)計(jì)，市電正常時(shí)市電直供負(fù)載，減少了電流變換環(huán)節(jié)，效率高；市電停電時(shí)由電池逆變供電，由KTS冗余開關(guān)無(wú)間斷切換，確保了通信設(shè)備不間斷運(yùn)行。其與現(xiàn)有逆變電源的主要區(qū)別在于：(1)體積小、重量輕、節(jié)省空間；(2)采用雙路輸入供電更安全；(3)采用市電優(yōu)先設(shè)計(jì)，由KTS無(wú)間斷切換更安全節(jié)能；(4)模塊化設(shè)計(jì)維護(hù)、維修方便。

圖2 新型壁掛式模塊化逆變電源交直流雙路電源輸入圖

該新型壁掛式模塊化逆變電源由逆變單元、監(jiān)控單元、配電單元，KTS冗余開關(guān)、防雷單元、機(jī)箱、機(jī)箱支架組成。機(jī)箱四角由四個(gè)膨脹絲固定在墻壁上，機(jī)箱下方由兩個(gè)三腳架支撐，確保機(jī)箱固定牢靠，機(jī)箱上部為交直流配電單元，包括:-48 V直流輸入端子、220 V市電輸入端子、交流輸出端子、機(jī)殼接地保護(hù)端子、交流輸入輸出空開及防雷單元。機(jī)箱中部為監(jiān)控單元和KTS轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)測(cè)、告警顯示、保護(hù)等功能，KTS開關(guān)受監(jiān)控單元控制確保雙路電源無(wú)間斷切換。機(jī)箱本身采用智能散熱機(jī)箱，根據(jù)機(jī)箱內(nèi)溫度，通過傳感器控制機(jī)箱散熱風(fēng)扇，智能調(diào)節(jié)溫度。機(jī)箱下部為四個(gè)逆變模塊槽道，可配備4塊2 kVA的逆變模塊。本實(shí)用新型解決了基站機(jī)房剩余空間小不能安裝一體化逆變電源、單路輸入不可靠、系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)、維修等難題，同時(shí)達(dá)到基站節(jié)能降耗的目的。

新型壁掛式模塊化逆變電源系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

(1)采用壁掛式設(shè)計(jì)，節(jié)省有限的基站空間。

(2)采用模塊化設(shè)計(jì)，支持熱插拔，消除單點(diǎn)故障隱患，便于維護(hù)、維修，提高故障處理及時(shí)率，采用高效模塊，具有休眠功能，安全、可靠、節(jié)能。

(3)采用交流直供，目前我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量已經(jīng)今非昔比，供電可靠性有了明顯提高，采用市電優(yōu)先設(shè)計(jì)，設(shè)備大部分時(shí)間工作在市電狀態(tài)，減少變換環(huán)節(jié)，供電距離遠(yuǎn)，效率提高至99%，大大降低損耗，相比直流遠(yuǎn)供節(jié)能效果非常明顯。

(4)基站后備蓄電池采用1 000 Ah兩組、容量大，后備時(shí)間長(zhǎng)。

(5)便于集中發(fā)電，市電停電時(shí)，用30 kW發(fā)電機(jī)直接在宏站發(fā)電直供一體化基站、MINI基站、室分基站、拉遠(yuǎn)基站，安全、方便。

(6)交流遠(yuǎn)供，傳輸距離遠(yuǎn)。

(7)直流遠(yuǎn)供需增加開關(guān)電源整流模塊,否則蓄電池長(zhǎng)期充不滿,造成蓄電池過早報(bào)廢。

(8)因地制宜、量身設(shè)計(jì)，安裝方便、快捷，避免外部環(huán)境協(xié)調(diào)問題，巧妙解決4G基站供電難題。

(9)該新型逆變電源具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，安全、節(jié)能，技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，與安裝箱式變壓器及直流遠(yuǎn)供相比，能節(jié)約大量的工程建設(shè)成本及后期維護(hù)費(fèi)用。

3　應(yīng)用情況

3.1　與安裝箱式變壓器及高壓直流遠(yuǎn)供的效果對(duì)比

新型逆變電源：該新型逆變電源采用壁掛式、模塊化設(shè)計(jì)、體積小、重量輕、安裝、維護(hù)、維修方便，節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材；逆變模塊采用高效模塊，低損耗、功率密度高、散熱性好、效率高，達(dá)到98%，節(jié)能環(huán)保；靜態(tài)開關(guān)采用國(guó)際名牌產(chǎn)品，市電與逆變之間切換速度快、安全、壽命長(zhǎng)；具有輸出過載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、過溫度保護(hù)、輸入、輸出過、欠壓保護(hù)、防雷保護(hù)等故障保護(hù)及告警功能，費(fèi)用僅為12 400元，相比箱式變壓器與高壓直流遠(yuǎn)供節(jié)省大量工程建設(shè)費(fèi)用。

新型逆變電源采用交直流雙路電源輸入：一路直流-48 V輸入，一路交流220 V輸入,安全、可靠。

箱式變壓器:建成一臺(tái)20 kVA箱式變壓器需以下幾項(xiàng)費(fèi)用：箱式變壓器費(fèi)用、高壓線路材料費(fèi)、施工費(fèi)、協(xié)調(diào)費(fèi)等大約需20萬(wàn)元，過了保修期限每年還需大量維保費(fèi)用，投入成本大、費(fèi)用高。

高壓直流遠(yuǎn)供：為4G基站安裝一套高壓直流遠(yuǎn)供約需5萬(wàn)元費(fèi)用相對(duì)較高,且直流遠(yuǎn)供變換環(huán)節(jié)較多，效率較低，不節(jié)能，并且不能帶4G基站空調(diào)，夏季高溫將會(huì)導(dǎo)致頻繁斷站。

3.2　預(yù)期實(shí)施效果

(1)易于推廣

a.安裝方便快捷。該新型逆變電源運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，體積小、重量輕、便于安裝，節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材。

b.投入成本低。該新型逆變電源每臺(tái)費(fèi)用12 400元，含電纜線路布放費(fèi)用，相對(duì)安裝箱式變壓器與直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)成本大大降低。

c.標(biāo)準(zhǔn)接口。采用通用標(biāo)準(zhǔn)接口，技術(shù)成熟，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

d.維護(hù)方便。該新型逆變電源日常維護(hù)等同于普通基站開關(guān)電源維護(hù)。

(2)推廣價(jià)值大

a.有效解決4G基站供電難題。安裝新型逆變電源后可有效解決4G基站供電難題，加快工程建設(shè)進(jìn)度，通過在試驗(yàn)基站近半年的測(cè)試，運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，節(jié)能，證明該方案切實(shí)可行，供電效果良好。

b.蓄電池后備時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)電方便。在宏站內(nèi)安裝兩組1 000 Ah大容量蓄電池，后備時(shí)間大大延長(zhǎng)，市電停電時(shí)，用30 kW發(fā)電機(jī)直接在宏站發(fā)電直供一體化基站、MINI基站、室分基站、拉遠(yuǎn)基站，安全、方便。

c.節(jié)約大量工程建設(shè)資金和后期維護(hù)成本。

(3)經(jīng)濟(jì)效益

a.直接效益

以周口分公司30座4G基站為例：安裝新型逆變電源與箱式變壓器及直流遠(yuǎn)供設(shè)備費(fèi)用對(duì)比如圖3和表1所示。

圖3 30座基站建設(shè)成本對(duì)比

表1　三種方案基站建設(shè)費(fèi)用對(duì)比

從表1可以看出，每座4G MINI基站如安裝箱式變壓器的費(fèi)用是200 000元×30=600萬(wàn)元，安裝自主研發(fā)設(shè)計(jì)的新型逆變電源的費(fèi)用是12 400元×30=37.2萬(wàn)元，可節(jié)省工程建設(shè)費(fèi)用562.8萬(wàn)元。目前全區(qū)有120座4G MINI基站已全部安裝，共節(jié)省費(fèi)用2 251.2萬(wàn)元。

b.間接效益

箱式變壓器后期的維保費(fèi)用較高，4G MINI基站配置的蓄電池容量小、市電停電后來(lái)不及發(fā)電導(dǎo)致基站退服，高壓直流遠(yuǎn)供不能帶4G MINI基站空調(diào)夏季高溫造成基站退服等方面考慮新方案間接效益更加不可估量。

4　結(jié)束語(yǔ)

該新型逆變電源的研發(fā)，解決了4G基站供電難題，節(jié)約了大量的工程建設(shè)成本和后期維護(hù)費(fèi)用。該成果通過采用多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)如高效模塊休眠功能、市電優(yōu)先設(shè)計(jì),大大提高了設(shè)備效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，為國(guó)家節(jié)省了大量的能源。

該新型壁掛式模塊化逆變電源采用通用標(biāo)準(zhǔn)接口，技術(shù)成熟，性能安全、穩(wěn)定、可靠，操作方便快捷，投

入成本低，具有普遍適用性，可廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)、銀行、醫(yī)院、證券等對(duì)供電可用度要求較高的企事業(yè)單位。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司.河南移動(dòng)通信電源、空調(diào)與監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)管理規(guī)定[Z]，2008．

[2]信息產(chǎn)業(yè)部通信行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.通信電力機(jī)務(wù)員[Z]，2002．

專利號(hào)：ZL 201420842333.4。

設(shè)計(jì)應(yīng)用

Design and Application of a Novel Wall-mounted Modular Inverter System

GUO Yan-jun

(Zhoukou Branch of China Mobile Communications Corporation, Zhoukou 466000, China)

Abstract:To solve power supply problem in the construction of 4G base station, a new wall-mounted modular inverter is designed installed in the macro base station which is in the vicinity of 4G base station, and the inverter is connected to 4G base station using a dedicated 10 mm armored flame retardant cable overhead or buried, supplying 220 V AC power. Therefore, remote AC power supply is realized. The new wall-mounted modular inverter system is safe, stable and reliable, which saves a lot of construction and maintenance costs.

Key words:wall-mounted; modular; inverter; power supply of 4G base station

中圖分類號(hào)：TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0074-03

作者簡(jiǎn)介：郭彥軍，男，本科，工程師，技術(shù)主管，網(wǎng)絡(luò)部集中維護(hù)中心動(dòng)力班長(zhǎng)，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)通信電源重大重點(diǎn)課題組成員，主要從事電源、油機(jī)、UPS、機(jī)房空調(diào)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控等通信電源設(shè)備的日常維護(hù)與管理，參與電源設(shè)備的工程設(shè)計(jì)與安裝工作。

收稿日期：2015-02-03 2014-12-25