郭云崢, 王啟凡, 郝云飛( 中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 00080; 中國移動通信集團廣東有限公司深圳分公司，深圳 58048）

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新型末端設(shè)備供備電應(yīng)用研究

郭云崢1, 王啟凡1, 郝云飛2
(1 中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080; 2 中國移動通信集團廣東有限公司深圳分公司，深圳 518048）

摘 要本文提出了一種有別于普通UPS和壁掛電源，針對現(xiàn)網(wǎng)末端設(shè)備開發(fā)的，能夠靈活兼容、快速實施的模塊化供備電裝置，為室分各類末端設(shè)備提供不間斷電源保障及全面監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞末端設(shè)備；模塊化；供備電

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，大量個人信用、交易信息等應(yīng)用數(shù)據(jù)承載到網(wǎng)絡(luò)上，對高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性提出了更高的要求，末端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地位已經(jīng)不再“末端”。研究開發(fā)一種節(jié)能高效、空間集約、模塊化靈活拼裝的末端設(shè)備供備電裝置，在無需改變原有供電線路情況下，為移動通信網(wǎng)絡(luò)中的RRU等末端負載設(shè)備提供不間斷電源，變得重要而迫切。

1　需求分析

要實現(xiàn)節(jié)能高效、空間集約、模塊化靈活拼裝的目標，需要從具體場景和負載類型等方面入手，以確定要重點解決的技術(shù)問題。

1.1場景類型

從調(diào)研和統(tǒng)計結(jié)果看，移動現(xiàn)網(wǎng)室分末端站安裝環(huán)境復(fù)雜，RRU負載供電類型、制式和設(shè)備廠家多樣，負載個數(shù)不定。以某移動公司TD-LTE某期室分工程為例，各種安裝場景統(tǒng)計結(jié)果為弱電井場景占65%，簡易機房占10%，移動機房占14%，地下室外墻占10%，其它場景占1%。

現(xiàn)場存在的問題主要可分為以下幾大類型：（1）多數(shù)負載安裝在弱電井等狹小空間，散熱不暢，通風(fēng)條件差。（2）現(xiàn)網(wǎng)末端設(shè)備的供備電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，安裝及維護很困難，無法擴容。（3）傳統(tǒng)的UPS或壁掛電源供備電方案，其占地面積大，安裝受限。（4）絕大多數(shù)末端設(shè)備供備電設(shè)備采用風(fēng)扇散熱，噪音大，可靠性差，易老化，居民投訴強烈。（5）部分室內(nèi)場所存在滲水、灰塵等惡劣因素，影響設(shè)備穩(wěn)定。

1.2負載類型

現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)末端站供電經(jīng)過模塊組合，需滿足直流、交流和交直混合各種場景。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)網(wǎng)中約69%的室內(nèi)末端站點只安裝交流型RRU設(shè)備，約66%的末端站點中，1套供備電系統(tǒng)帶載2～3個交流 RRU。而且在同一安裝位置，2～3種制式RRU并存情況較為普遍。對于采用-48 V直流供電的末端站點，約97%的站點只配置1～2臺直流 RRU。

通過以上分析，根據(jù)《中國移動通信電源系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（QB-J-017-2013）備電時間為1～3h的要求，在RRU的數(shù)量為2～3臺的主流場景下，用電設(shè)備功率需求區(qū)間為700～1 000 W，一般備電裝置配置1組50Ah蓄電池的充電功率約300 W。

1.3設(shè)計需求

根據(jù)設(shè)計需求調(diào)研分析，可歸納出室分末端供備電系統(tǒng)的基本設(shè)計要求如下。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)采用模塊化設(shè)計，支持并聯(lián)擴展和交、直流混合供電，通用接口設(shè)計方便維護和擴容。

（2）采取自然散熱，減少風(fēng)扇噪聲和業(yè)主投訴。

（3）防護達到IP55等級，確保各種環(huán)境設(shè)備穩(wěn)定，也便于在半開放式場景使用。

（4）電池模塊應(yīng)采用鋰電，易于安裝、更換及擴容，容量按大于1 h的3臺 RRU備電需求。

（5）整流模塊功率規(guī)格確定為1.5 kW，變換模塊功率規(guī)格確定為1kW，以滿足室分末端站2～3個交流RRU主流場景需求。

2　設(shè)計原理

2.1拓撲結(jié)構(gòu)

本文提出模塊化供備裝置解決方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括功率模塊（含-48V整流模塊、變換模塊）、48V蓄電池模塊及監(jiān)控模塊等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　供備電裝置系統(tǒng)組成框圖

整流模塊：輸入交流220V，輸出直流-48V，提供電池充放電管理功能并集成監(jiān)控模塊，提供3路直流負載輸出，支持并聯(lián)。

變換模塊：提供2路輸入（直流 -48 V、交流220 V），采用ECO模式支持交流負載，有市電由交流輸入供電，無市電時由備用電池供電，能效更高，無縫切換，響應(yīng)時長為零。

48 V蓄電池模塊：模塊化方式的蓄電池組，易于安裝和更換，支持并聯(lián)擴容。

監(jiān)控模塊：監(jiān)控整個系統(tǒng)各單元的運行狀況，對系統(tǒng)各模塊運行參數(shù)進行采集、顯示、設(shè)置，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進行自動控制和保護，同時與外部計算機進行接口通信。

根據(jù)負載供電類型和容量需求，選擇不同的功率模塊（含輸入和輸出接口）、蓄電池模塊以及輸出擴展模塊，現(xiàn)場靈活拼裝，可滿足相應(yīng)交流、直流和交直混合模式下的供備電需求。

2.2工作原理

根據(jù)負載供電類型不同，室分末端供備電裝置運行方式如下。

（1）直流負載場景：市電正常時，整流模塊同時為電池充電和直流負載提供電流；市電異常時，電池通過整流模塊的切換電路向負載提供電流。

（2）交流負載場景：市電正常時，整流模塊為電池充電，變換模塊設(shè)計運行于ECO模式，將220 V交流轉(zhuǎn)換成240 V直流，供給交流負載。市電異常時，電池通過整流模塊的切換電路向變換模塊供電，變換模塊將-48 V直流電升壓成240 V直流電，供給交流負載。

（3）交直流混合場景：結(jié)合以上兩種場景，整流、變換各模塊同時支持交直流負載。

其中， RRU電源前端模塊目前均采用先進的全橋整流電路，RRU實際工作在240 V直流狀態(tài)下，因此采用ECO模式，不需要整流模塊提供功率，節(jié)能降耗，比逆變方式效率更高。在其它類別負載場景中，亦可采用逆變方式模塊。

2.3監(jiān)控過程

現(xiàn)有末端供備電設(shè)備均不具備接入動環(huán)監(jiān)控的能力。本應(yīng)用為落實監(jiān)控功能，提高集約化程度，在整流模塊中集成了監(jiān)控模塊，提供1路RS-485，2路干接點監(jiān)控接口，由帶內(nèi)或帶外方式接入監(jiān)控平臺。相關(guān)模塊的連接關(guān)系和工作模式如圖2所示。

圖2　監(jiān)控模塊工作運行示意圖

監(jiān)控模塊實時監(jiān)控整流、電池和變換等模塊的狀態(tài)，對于電池和變換模塊通過內(nèi)部接口連接。所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過RS-485上傳，一種是利用RRU設(shè)備本身傳輸鏈路，實現(xiàn)帶內(nèi)傳輸給遠端監(jiān)控平臺，不占用獨立傳輸資源；一種是對其它負載，通過帶外傳輸實現(xiàn)監(jiān)控。

2.4主要接口

整流模塊、變換模塊、電池模塊支持多種組合拼裝，實現(xiàn)擴容，其中交流輸入、輸出端子采用防水快插端子；直流輸出端子中電池接口采用OT端子，負載采用OT或快插端子。監(jiān)控接口利用RJ-45端子，定義了1路RS-485和2路干節(jié)點。

3　測試應(yīng)用

完成設(shè)計研發(fā)及實驗室測試后，我們選擇了2個滿足直流和交流兩種試驗站場景的現(xiàn)網(wǎng)站點HYDS和PSFYT，進行安裝和應(yīng)用實測。

3.1安裝測試

實驗站改造安裝過程不超過3.5 h，割接時間不超過2 min，基本不影響業(yè)務(wù)。另外，通過RRU監(jiān)控接口，按照帶內(nèi)網(wǎng)管模式配置監(jiān)控，可以實時監(jiān)控供備電設(shè)備的運行及狀態(tài)。經(jīng)過實際測試，現(xiàn)網(wǎng)監(jiān)控正常，高度滿足一體化監(jiān)控平臺要求。

試驗站PSFYT為TD-SCDMA、TD-LTE雙模共站站點，面積狹?。?.1 m×1.7 m），機房空間經(jīng)過替換UPS設(shè)備及改造之后，空間得到明顯改善。

3.2效果對比

為驗證模塊化末端站備電系統(tǒng)的在網(wǎng)改善效果，按照表1的三大項測試內(nèi)容對新型末端設(shè)備供備電設(shè)備進行了測試。

根據(jù)維護人員現(xiàn)場維護觀察及網(wǎng)管后臺采集的網(wǎng)管告警數(shù)據(jù)，HYDS試驗站備電改造前，兩個月內(nèi)斷電9次，業(yè)務(wù)多次中斷；改造后，將近兩個月時間，僅因為市電輸入異常出現(xiàn)一次告警，改善對比效果明顯。PSFYT試驗站，備電改造前，兩個月內(nèi)斷電兩次，直接導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。改造后，將近兩個月時間，業(yè)務(wù)中斷情況為零，改善對比效果非常明顯。

表1　新型末端設(shè)備供備電設(shè)備在網(wǎng)測試結(jié)果匯總

4　評估對比

4.1多種供備電方式對比

目前室分末端設(shè)備供備電方案主要有小型UPS、小型直流壁掛和拉遠供電，新型室分末端供備電設(shè)備優(yōu)勢明顯。各種供電設(shè)備的對比情況如表2所示。

4.2綜合效益評估

綜合投資收益分析如圖3所示，末端RRU供備電裝置是經(jīng)濟效益最優(yōu)的選擇。末端供備電設(shè)備的初期投入與普通壁掛電源相當(dāng)，僅略高于小型UPS電源。由于其長期穩(wěn)定、性能可靠，在前5年運行中基本無需追加投入，僅在電池模塊壽命到期后，需一次性投入更換并填補長久以來對末端RRU等負載設(shè)備工作狀態(tài)和用電情況無法監(jiān)控的技術(shù)空白；能夠適應(yīng)不同的室內(nèi)環(huán)境，應(yīng)用前景廣泛。

表2　模塊化供備裝置與傳統(tǒng)方式備電對比表　

圖3　末端站點各種供備電設(shè)備投資收益分析圖

5　總結(jié)

本文提出的室內(nèi)末端設(shè)備供備電系統(tǒng)能適應(yīng)于現(xiàn)網(wǎng)各種負載和安裝復(fù)雜環(huán)境，可同時提供直流和交流供備電，具有安裝靈活，環(huán)境適應(yīng)性強，自然散熱，施工和維護簡單，經(jīng)濟效益有益的特點。其模塊化標準化開發(fā)思路，為實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了“靈活兼容”、“簡化工程”的解決方案，并經(jīng)過實驗室和現(xiàn)網(wǎng)驗證，既解決室分末端負載設(shè)備的供備電，又解決末端設(shè)備監(jiān)控功能，適合其它各種通信網(wǎng)絡(luò)末端設(shè)備的備電，具有廣泛的應(yīng)用前景。電池即可繼續(xù)使用。

從社會效益看，該應(yīng)用可以提高網(wǎng)絡(luò)安全和工程建設(shè)效率，改造施工簡潔，持續(xù)時間短，基本不影響業(yè)務(wù)；

參考文獻

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[2] 朱亮. 高精度線性鋰電池充電控制芯片的研究與設(shè)計[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

Application research for a new type power supply device of wireless base-station terminal equipment

GUO Yun-zheng1, WANG Qi-fan1, HAO Yun-fei2
(1 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China; 2 China Mobile Group Guangdong Co., Ltd. Shenzhen Branch, ShenZhen 518048, China)

AbstractThis paper presents a new type of power supply device for present wireless base-station terminal equipment, which is different from the ordinary UPS and wall hanging type switching power supply. The new power supply device is modular and fl exibly compatible, and also can be fast installed. It can provide uninterrupted power supply security and comprehensive monitoring function for wireless basestation terminal equipment.

Keywordsterminal equipment; modularity; power supply

收稿日期：2015-06-26

中圖分類號TN915

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2015）11-0086-04