摘 要：【目的】當(dāng)移動(dòng)通信基站因種種原因需要供電單位進(jìn)行油機(jī)發(fā)電時(shí)，鐵塔公司需要對(duì)發(fā)電費(fèi)用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)化管控，防止作弊發(fā)電以套取發(fā)電費(fèi)用補(bǔ)助。【方法】市電電源相較于油機(jī)電源的電壓頻率相對(duì)穩(wěn)定，通過比較兩種電源電壓頻率的差異性，構(gòu)建電源識(shí)別模型。【結(jié)果】開發(fā)了一種基于電壓波形差異的電源類型識(shí)別裝置，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出市電供電和油機(jī)供電，杜絕了把市電供電當(dāng)作油機(jī)供電和市電供電正常卻依然采用油機(jī)供電的情況。【結(jié)論】通過仿真模擬和現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試，該裝置能夠準(zhǔn)確識(shí)別基站電源類型，滿足鐵塔公司對(duì)發(fā)電費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)管控需求，有助于降低運(yùn)維發(fā)電的費(fèi)用支出。

關(guān)鍵詞：通信基站；電源類型識(shí)別；電壓波形；市電供電；油機(jī)供電

中圖分類號(hào)：TM935" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）10-0016-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.003

A Method and Device for Identifying the Power Type of a Mobile

Communication Base Station

LIANG Kai1 WANG Jinlai1 PENG Cheng2

（1.Leadot Innovation Technology Co.，Ltd.， Zhengzhou 450000， China; 2.Henan Kecuhui Enterprise Management Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] When the mobile communication base station needs to ensure the power supply unit for power generation due to various reasons， the tower company needs to carry out risk control of power generation costs， prevent fraudulent power generation， and obtain subsidies for power generation costs. [Methods] The voltage frequency of the mains power supply is more stable than that of the oil generator， and the power supply identification model is constructed by comparing the difference between the voltage frequencies of the two power supplies. [Findings] A power supply type identification device based on voltage waveform difference was developed to accurately identify the mains power supply and diesel generator power supply， and to prevent the mains power supply from being used as generator power supply or the generator power supply under normal mains power. [Conclusions] Through simulation and on-site installation test， the device can accurately identify the power supply type of the base station， meet the demand of tower company for risk management and control of power generation costs， and help reduce the operation and maintenance power generation expenses.

Keywords： communication base station; power supply type identification; voltage waveform; mains power supply; oil engine power supply

0 引言

移動(dòng)通信基站是利用移動(dòng)通信交換中心與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無線收、發(fā)信電臺(tái)，是用戶接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的第一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)基站因各種原因斷電并停止工作時(shí)，一定區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量下降甚至無信號(hào)的情況。此時(shí)，保供電單位需馬上通過油機(jī)供電，保證基站正常運(yùn)行，直到恢復(fù)市電供電，而保供電單位可以得到一定的保供電收益。如某地市有4 700多座基站，每年的油機(jī)保供電費(fèi)用在380萬元左右。由于油機(jī)供電支出金額大，因此鐵塔公司需要對(duì)發(fā)電費(fèi)用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)化管控，防止作弊發(fā)電以套取發(fā)電費(fèi)用補(bǔ)助［1］。本研究通過開發(fā)一種基于電壓波形頻率差異的電源類型識(shí)別裝置，可以準(zhǔn)確地識(shí)別市電供電和油機(jī)供電，杜絕將市電供電當(dāng)作油機(jī)供電或市電正常卻依然采用油機(jī)供電的情況。通過仿真模擬和現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試，該裝置能夠準(zhǔn)確地識(shí)別基站電源類型，滿足鐵塔公司對(duì)發(fā)電費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)管控需求，有助于降低運(yùn)維費(fèi)用支出。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)作弊發(fā)電套取補(bǔ)助費(fèi)用的問題，應(yīng)解決以下關(guān)鍵問題。第一，要精準(zhǔn)識(shí)別市電供電和油機(jī)發(fā)電，需要具有先進(jìn)可靠的識(shí)別原理和算法，盡可能防止出現(xiàn)誤報(bào)；第二，準(zhǔn)確記錄油機(jī)供電的起止時(shí)間，記錄的供電時(shí)長(zhǎng)是結(jié)算費(fèi)用的重要依據(jù)；第三，要防止電源識(shí)別裝置不被拆除和破壞；第四，要具有準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)量功能和電源保護(hù)功能。

為了解決上述問題，本研究開發(fā)了一套基站專用電源類型監(jiān)測(cè)裝置。該裝置電源端直接接入市電和油機(jī)，負(fù)載端接入基站的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)。裝置主要由電氣采集模組、人體傳感模組、4G模組組成。電氣采集模組可以采集雙路電源電壓、電流、功率、電量、溫度等信息；人體傳感模組可以將采集到的人體信息轉(zhuǎn)發(fā)給CPU進(jìn)行處理。當(dāng)有人接近該裝置，能夠?qū)崟r(shí)記錄信息，防止人為破壞或更改裝置；4G模組可以將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給云平臺(tái)，便于監(jiān)控人員的遠(yuǎn)程查看。裝置主要硬件框架如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是以兩路三相電源輸入采集電路為基礎(chǔ)的。一路是市電的三相電源輸入，經(jīng)AC/DC的轉(zhuǎn)換；另一路是發(fā)電機(jī)的三相電輸入，經(jīng)AC/DC的轉(zhuǎn)換，兩路電源均經(jīng)過DC/DC電源后被CPU采集。當(dāng)兩路電源單獨(dú)輸入時(shí)，均可以給整個(gè)硬件系統(tǒng)供電；當(dāng)兩路電源同時(shí)輸入時(shí)，兩路電源將同時(shí)給整個(gè)硬件系統(tǒng)供電。兩路電源均通過電壓、電流互感器采集，由電壓、電流采集電路輸入到CPU的ADC外設(shè)，通過計(jì)算得到當(dāng)前的輸入電量信息，利用電壓信號(hào)的頻率波動(dòng)范圍檢測(cè)當(dāng)前供電的輸入類型。硬件有兩個(gè)串口，其中一個(gè)串口通過與4G模組通信，將當(dāng)前的檢測(cè)結(jié)果和電氣量上傳到云平臺(tái)；另一個(gè)串口通過與人體感應(yīng)模塊通信，判斷設(shè)備前是否有人存在，并把當(dāng)前若有人存在的狀態(tài)上傳到云平臺(tái)，可以用來記錄有人存在的時(shí)間供后續(xù)確認(rèn)調(diào)查。裝置的整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 防浪涌電路

該電源部分采用芯片為SP2637AF的原邊反饋反激式開關(guān)電源?？梢允∪ス怦钆cTL431，輸出功率為12V/1A。由于基站處于室外環(huán)境，需要考慮防雷浪涌，裝置外殼應(yīng)設(shè)計(jì)成金屬，保證防雷器件的可靠接地［2］。裝置的防浪涌設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 電源部分設(shè)計(jì)

由于輸入的類型有三相發(fā)電機(jī)和單相發(fā)電機(jī)，因此，該硬件電路需要考慮三相與單相發(fā)電機(jī)不同類型輸入的兼容。前端采用MOS管線性穩(wěn)壓的方式把三相發(fā)電機(jī)輸入的高電壓轉(zhuǎn)換成和單相發(fā)電機(jī)輸入相同的低電壓，這樣有助于其他器件對(duì)三相電和單相電的兼容［3］。兩路12V/1A的級(jí)聯(lián)采用串聯(lián)兩個(gè)二極管的方式，使得兩路電源能夠相互獨(dú)立地給DC/DC供電。裝置的電源設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

2.4 電壓電流采集電路

電壓電流的采集回路采用電壓、電流互感器隔離的方式采集信息［4］，這樣可以做到強(qiáng)電與弱電的隔離，使得電路穩(wěn)定。電流、電壓放大電路采用差分放大的方式能夠有效濾除共模噪聲。裝置的電壓電流采集回路原理如圖5所示。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 電量信息程序設(shè)計(jì)

電壓、電流信號(hào)通過運(yùn)放放大，同時(shí)加入直流偏置電壓，通過CPU得ADC外設(shè)采集得到離散值。ADC的采集方式是利用定時(shí)器觸發(fā)的DMA采集，觸發(fā)時(shí)間是625 us，一個(gè)周波采集32個(gè)點(diǎn)。通過計(jì)算采集點(diǎn)的均方根值得出電壓、電流的RMS；通過電流移動(dòng)1/4周波的方式得出有功無功功率。裝置的電量信息程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.2 頻率計(jì)算與油機(jī)判斷程序設(shè)計(jì)

頻率的計(jì)算主要利用ADC采集信號(hào)的過零點(diǎn)判斷。當(dāng)ADC信號(hào)一個(gè)值為負(fù)，另一個(gè)值為正，則判斷為一個(gè)過零點(diǎn)，過零點(diǎn)的時(shí)間通過數(shù)值擬合得出，兩個(gè)過零點(diǎn)之間的值就判斷為半個(gè)周波。

判斷是否有油機(jī)接入的主要因素是電量信息中的頻率信號(hào)。根據(jù)市電的頻率穩(wěn)定度要求為±0.2 Hz，對(duì)于通信電源系統(tǒng)《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》（YD/T 1051—2010）中的規(guī)定，允許變動(dòng)范圍為額定值的±4%，就是48～52 Hz［5］。具體過程為設(shè)置一個(gè)頻率波動(dòng)的寄存器，當(dāng)前ADC計(jì)算得到的頻率與前5次平均得到的頻率相比較。當(dāng)波動(dòng)的絕對(duì)值大于0.5 Hz，就認(rèn)為是有效值記錄一次，同時(shí)寄存器的值自增；當(dāng)波動(dòng)的絕對(duì)值小于0.5 Hz，則寄存器的值自減。當(dāng)計(jì)數(shù)大于30時(shí)，則判定為油機(jī)。通過兩次的濾波判斷可以有效地減少市電接入時(shí)的誤報(bào)。裝置的頻率計(jì)算與判斷程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

3.3 上傳平臺(tái)

當(dāng)前接入電源的種類、電氣量相關(guān)數(shù)據(jù)及當(dāng)前設(shè)備前是否有人等信息需要上傳到平臺(tái)，并由平臺(tái)記錄時(shí)間，供后續(xù)的查閱。平臺(tái)的上傳通過CPU串口與EC200通信，通過MQTT協(xié)議把當(dāng)前所有信息打包成JSON格式上傳到平臺(tái)，可以利用電腦網(wǎng)頁或手機(jī)APP在平臺(tái)端進(jìn)行查看。市電和油機(jī)在APP上的顯示如圖8和圖9所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

選擇河南某市區(qū)內(nèi)兩個(gè)基站進(jìn)行測(cè)試，將油電和市電均接入裝置，對(duì)送電方式分別進(jìn)行測(cè)試。方式一：市電送電、油機(jī)停電；方式二：市電停電、油機(jī)送電；方式三：市電送電、油機(jī)送電。測(cè)試結(jié)果是：采用方式一，裝置顯示市電有電指示，油機(jī)停電指示；采用方式二，裝置顯示市電停電指示，油機(jī)有電指示；采用方式三，裝置顯示油機(jī)和市電均有電指示。測(cè)試工作現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

5 結(jié)語

通信基站是一個(gè)城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，基站的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，影響著居民日常生活。當(dāng)因?yàn)楦鞣N原因造成基站停電時(shí)，保供電單位通過油機(jī)供電，是基站正常運(yùn)行的重要措施手段。為了防止非正常發(fā)電而造成鐵塔公司額外運(yùn)維費(fèi)用支出，本研究提出的一種移動(dòng)通信基站的電源類型識(shí)別方法和裝置，能夠有效地避免非正常發(fā)電。該裝置通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的目的和效果，得到了應(yīng)用單位的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

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［2］胡鋼，高旋，徐成澤，等.基于邊云協(xié)同的配電網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代信息科技，2023，7（19）：51-54，58.

［3］周云紅，黃飛，王玉瑩.物聯(lián)塑殼斷路器的拓?fù)渥R(shí)別模塊設(shè)計(jì)［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（12）：38-45.

［4］呂洋.低壓成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)與可靠性分析［J］.電氣開關(guān)，2024，62（1）：77-80.

［5］中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求：YD/T 1051—2010［S］. 北京：北京標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

（欄目編輯：孫焱）