通信机楼电源系统蓄电池优化应用研究

邢 锋，陈月琴，邹节凯

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京210019）

0 引 言

通信机楼及数据中心在通信和互联网行业中起着中枢神经的作用，随着移动互联网、云计算、4G技术的发展，机楼资源成为行业发展的瓶颈。如何高效的利用机楼资源、盘活存在瓶颈的机楼成为各家运营商的重要课题。

1 通信机楼存在的问题

运营商通信机楼存在电源系统利用率低、蓄电池充电功耗占用大量的市电、油机电资源的问题。某地现有通信机楼主设备功耗小于蓄电池充电功耗，造成大量的市电、油机和蓄电池组资源浪费，如图1所示。

图1 某省直流电源系统设备和蓄电池充电功耗对比

2 －48 V直流电源系统

2．1 －48 V直流电源系统原理

－48 V开关电源系统由交流配电屏、整流机架内含高频整流模块、监控模块、直流配电屏和阀控式铅酸蓄电池组（铁锂电池）组成。

直流电源系统核心元件高频整流模块主要由输入电网滤波器、输出整流滤波器，主电路、控制电路，保护电路，辅助电源等几部分组成，如图2所示。它的主电路主要由交流输入滤波器、整流滤波电路、DC／DC变换电路、次级滤波电路组成，完成功率变换。

图2 高频整流模块典型原理框图

2．2 －48 V直流电源系统蓄电池管理策略

直流电源系统监控模块对蓄电池组采用二级监控模式，能对蓄电池组的端电压、充放电电流、电力电池室机房温度做实时在线监测。监控单元根据电池的充放电情况估算电池容量的变化，按事先设置的条件自动转入限流均充状态，通过控制母线电压来完成电池的正常均充过程，并可自动完成电池的定时均充维护，均／浮充电压温度补偿等工作。

（1）电池管理的基本思想是：以电池组保有容量、电池充电电流为依据，控制电池由浮充转入均充。以充电电流、充电时间为依据，控制电池由均充转入浮充。

（2）保证负载电流基本不变，以电池电流和总负载电流作为主要参考依据（主要输入基准），通过调节输出电压及限流点，稳定负载电流，控制电池电流及电压，防止电池充电过流。

2．2．1 正常充电状态

（1）监控模块自动记录均充和浮充的开始时刻，在上电初始如果监控模块发现均充过程尚未结束，则会继续进行均充。

（2）如果上电前是处于限流均充状态，则继续进行限流均充，如果是处于恒压均充状态，则继续进行恒压均充。在限流均充时，当充电电压达到恒压均充电压值的时候，会自动转入恒压均充。

（3）在浮充情况下，若浮充电流大于设定值（转均充参考电流），或电池组剩余容量小于设定值（转均充容量比），则监控模块会自动控制模块进行均充。

（4）对电池进行均充时，充电电流应该是监控模块设置的限流值，此阶段为电池恒流充电阶段，电池的电压是随着时间增加而增大的。

（5）当电池电压增大到一定值时，充电进入恒压阶段，在恒压阶段，充电电流不断减小，以充电电流减小到0．01C10A为开始计时点，3 h后恒压充电阶段结束，充电电压降低，投入浮充状态，至此充电过程完成。

2．2．2 定时均充状态

直流电源系统电池管理程序自动计算电池定时均充的时间，确定在何时启动定时均充，何时停止定时均充，一般电池每隔30天均充一次。

2．2．3 放电后均充状态

交流停电后，电池组放电，给设备供电。再次恢复交流供电时，若电池电流大于设定值（转均充参考电流）或电池组剩余容量小于设定值（转均充容量比），则监控模块会自动控制模块进行均充。在监控模块的软件设置中，电池放电后转均充条件有两个：电池现有容量、电池电流。两个条件中的任意一个达到即进行转换。

3 不间断交流电源系统

在通信机楼中一般采用在线双变化式UPS电源系统（图3）向负载供电，只有当UPS主机发生故障、过载或过热时才会转为由旁路输出给负载。

不间断电源系统充电器分为3个主要部分，即三相桥式全控整流器，由V1～V6和滤波电感L1、L2组成；采样电路，其功能是对三相桥输出的充电电压和电流进行采样，然后将采样的结果送到控制电路；控制电路，其功能是根据采样电路送来的电压和电流信号去控制三相桥式全控整流器，以调整其输出电压和充电电流。

图3 双变换在线式不间断电源系统原理图

图4 UPS充电曲线

如图4所示，不间断电源系统充电分为3个阶段：初期恒流充电阶段，电流保持不变，充电电压随着充电时间逐步升高；当电压到达设计值（一般为提前设定电压，每个电池单元为2．25 V）时就转为恒压充电，蓄电池经过一段时间的恒压充电，端电压上升到某一值时就转为浮充充电。

4 通信机楼中蓄电池错峰充电应用策略

伴随着大数据业务和云计算的飞速发展，数据中心和通信机楼耗电量不断增大，电力资源成为制约大数据和云计算发展的关键因素。通过合理制定电源系统蓄电池错峰充电策略，实现对蓄电池的优化控制，可以最大限度将市电和油机资源用于主设备供电。

4．1 等级划分策略

按照IT设备重要性、电源系统负载率和电池组容量可以将电源系统的重要性从低到高分为D1～D3三个等级，如图5。

图5 等级划分标准

（1）若电源系统主设备重要性和电源负载率有任意一项为关键指标，则该套电源系统等级标准为D3标准。

（2）若电源系统主设备重要性和电源负载率有任意一项为重要指标，另一项为重要指标或一般指标，则该套电源系统等级标准为D2标准。

（3）若电源系统主设备重要性和电源负载率均为一般指标，则该套直流电源系统等级标准为D1标准。

4．2 电源系统错峰充电实施策略分析

根据通信设备重要性，将电源系统初步划分为D1到D3三个等级（图6）。

图6 错峰充电策略分析

（1）根据电源系统负载情况，初步将电源系统划分为D1～D3三个等级。

（2）初定为D1等级的电源系统，如果负载率在40%～80%区间，则等级变更为D3等级，如果负载率超过80%，则等级变更为D2等级。

（3）初定为D2等级的电源系统，如果负载率超过80%，则等级变更为D3等级。

（4）T1：电源系统错峰充电管理单元采集D3等级1～N套电源系统蓄电池充电电压，当所有蓄电池充电电源均达到恒充电压时，延时5～15分钟，确定T1时间。

（5）T2：直流电源系统错峰充电管理单元采集D2等级1～N套电源系统蓄电池充电电压，当所有蓄电池充电电源均达到恒充电压时，延时5～15分钟，确定T2时间。

（6）蓄电池错峰充电管理单元需分别采集计算T1和T2时间蓄电池功耗，选取二者最大值做为电源系统蓄电池充电最大功耗。

4．3 电源系统错峰充电关键技术分析

电源系统错峰充电管理系统：收集电源系统监控模块电压、电流、充电电压、充电电流等数据；判定延时机制；自动控制蓄电池脱扣接入机制。

5 小 结

结合通信电源系统蓄电池错峰充电管理平台和通信电源设备监控功能实现蓄电池组错峰均充可以有效地降低蓄电池充电功耗，提高市电、柴油发电机组利用率，显著提高机楼的主设备装机率，对通信机楼节能建设具有超前的指导意义。

［1］ 张乃国．UPS供电系统应用手册［M］．北京：电子工业出版社，2003．

［2］ Sanjaya，Maniktala．精通开关电源设计［M］．北京：人民邮电出版社，2008．

［3］ YD／T5040－2005通信电源设备安装设计规范［S］．2005．