新型壁挂式模块化逆变电源系统设计应用

郭彦军

(中国移动通信集团河南有限公司周口分公司网络部，河南 周口 466000)



新型壁挂式模块化逆变电源系统设计应用

郭彦军

(中国移动通信集团河南有限公司周口分公司网络部，河南 周口 466000)

摘要:针对4G基站建设中的供电难题，量身设计了一种新型壁挂式模块化逆变电源安装在4G基站附近的宏站内，利用专用10 mm2铠装阻燃电缆通过架空或地埋的方式引入4G基站，提供220 V交流电源，实现交流远供。新型壁挂式模块化逆变电源系统方案运行安全、稳定、可靠、节省了大量工程建设成本及后期维护费用。

关键词：壁挂式；模块化；逆变电源；4G基站供电

1　解决4G基站供电难题方案背景

随着移动4G网络的迅猛发展，4G基站频段较高、站间距越来越近，在城区建设标准化通信基站机房越来越难。为确保网络质量，在指定的规划区域内进行信号覆盖，数量越来越多的4G一体化基站、MINI基站、室分基站、拉远站等成为很好的替代。但这些基站大部分安装在城市人口密集区域道路绿化带内、高速公路沿线、拆迁区域、新区等区域，基站交流引入非常困难，主要存在以下问题:

(1)供电部门基于安全考虑在城区内已禁止安装双杆室外型油浸式变压器，安装箱式变压器协调难度大、费用较高，如建一台20 kVA的箱式变压器，包括高压线路、大约需20万元左右，工程建设费用较高。

(2)直流远供费用相对较高、变换环节较多、效率较低、不节能并且不能带空调，直流远供需增加开关电源整流模块。

(3)引低压线路协调难度大,接电困难。

(4)一体化基站、MINI基站、室分基站、拉远基站配置的蓄电池容量小，后备时间短。

(5)站点较多、分散、市电停电后应急发电通信保障困难。

为了解决一体化基站、MINI基站、室分基站、拉远基站等供电难题，周口分公司自主研发,为4G基站量身设计了一种新型壁挂式模块化逆变电源，安装在附近宏站内，通过专用电缆拉远的方式实现4G基站安全、稳定、可靠供电，降耗了能耗，大大提升了4G通信网络质量。该研究成果已获得国家专利，专利号：ZL 201420842333.4。该课题属于：集团重大重点科研课题《通信网络供电和能耗管理新技术研究与应用》子课题，已于2014年12月12日顺利通过集团公司验收。

根据4G基站功率小的特点，综合分析设计了一台满配8 kVA新型壁挂式模块化逆变电源安装在4G基站附近宏站内，利用专用10 mm2铠装阻燃电缆(外皮印上交流220 V，请注意安全字样)架空或地埋的方式引入4G基站，提供220 V交流电源，实现交流远供，解决4G基站供电难题。该方案安全可靠、简单实用，无须电力部门协调配合，节省大量工程建设费用，如图1所示。

新型壁挂式模块化逆变电源系统特点：

(1)高效性：逆变模块采用电力控制方面的独特技术，效率高，可大幅度降低供电损耗。

(2)自主均流：逆变模块采用自主均流技术，自动均分负载，模块间自动完成负荷电流均分；运行中若有模块发生故障，可将故障模块关闭，不影响整个系统正常工作，负荷电流会自动重新均分。

图1 新型壁挂式模块化逆变电源系统方案

(3)扩容方便：逆变主机模块可根据需要组合安装，扩容简单方便，尤其是负载随着时间的变化而不断增加的情况，不会导致投资损失，如增加负载，只需要加逆变主机模块就可以应对。

(4)系统保护功能：系统具有输入、输出过欠压、系统过温、系统过载、交流输出短路、防雷等保护功能，当检测到系统故障时，发出声光告警，并自动关机保护。故障排除后，可以重新自动或人工开机正常工作。

(5)可靠性及安全性：逆变电源局端系统的输入输出具备防雷功能、输入极性防反接功能等，保证设备运行的可靠性。

(6)易维护管理性：逆变主机模块和KTS冗余开关具有各种故障告警声光指示，同时具备市电及逆变自动切换功能，方便维护人员了解设备的运行状态。利用专用电缆向远距离的大功率局站提供馈电，无须电力部门的协调配合，节省安装成本。

2　新型壁挂式模块化逆变电源系统设计

新型壁挂式模块化逆变电源系统所需配件: 高效节能逆变模块、静态开关、监控单元、风扇、铜排、空气开关、防雷模块、接线端子，机柜等。整机尺寸600 mm×600 mm×550 mm(高×宽×深)、整机重量≤50 kg(模块，柜体+配电)，柜体采用不锈钢板一次压制成形，氩弧焊焊接，柜体下部设计两个支撑三角架，确保安全。

系统工作原理：市电正常时，系统输出正常交流电市电，逆变系统轻载待机工作；市电停电时，逆变系统模块按其预定的参数或用户命令进行工作，输入电压为40 V-60 VDC，输出电压范围200 V-240 VAC；系统输出切换由监控模块控制静态开关完成，切换时间≤4 ms，用户可以通过监控模块设置系统电源的各项参数，系统有输入和输出电压、电流检测，过欠压、过载、欠压限功率保护等功能。

如图2为新型壁挂式模块化逆变电源采用交直流双路电源输入，安全可靠；采用市电优先设计，市电正常时市电直供负载，减少了电流变换环节，效率高；市电停电时由电池逆变供电，由KTS冗余开关无间断切换，确保了通信设备不间断运行。其与现有逆变电源的主要区别在于：(1)体积小、重量轻、节省空间；(2)采用双路输入供电更安全；(3)采用市电优先设计，由KTS无间断切换更安全节能；(4)模块化设计维护、维修方便。

图2 新型壁挂式模块化逆变电源交直流双路电源输入图

该新型壁挂式模块化逆变电源由逆变单元、监控单元、配电单元，KTS冗余开关、防雷单元、机箱、机箱支架组成。机箱四角由四个膨胀丝固定在墙壁上，机箱下方由两个三脚架支撑，确保机箱固定牢靠，机箱上部为交直流配电单元，包括:-48 V直流输入端子、220 V市电输入端子、交流输出端子、机壳接地保护端子、交流输入输出空开及防雷单元。机箱中部为监控单元和KTS转换开关实现控制、监测、告警显示、保护等功能，KTS开关受监控单元控制确保双路电源无间断切换。机箱本身采用智能散热机箱，根据机箱内温度，通过传感器控制机箱散热风扇，智能调节温度。机箱下部为四个逆变模块槽道，可配备4块2 kVA的逆变模块。本实用新型解决了基站机房剩余空间小不能安装一体化逆变电源、单路输入不可靠、系统设备维护、维修等难题，同时达到基站节能降耗的目的。

新型壁挂式模块化逆变电源系统主要创新点：

(1)采用壁挂式设计，节省有限的基站空间。

(2)采用模块化设计，支持热插拔，消除单点故障隐患，便于维护、维修，提高故障处理及时率，采用高效模块，具有休眠功能，安全、可靠、节能。

(3)采用交流直供，目前我国电网质量已经今非昔比，供电可靠性有了明显提高，采用市电优先设计，设备大部分时间工作在市电状态，减少变换环节，供电距离远，效率提高至99%，大大降低损耗，相比直流远供节能效果非常明显。

(4)基站后备蓄电池采用1 000 Ah两组、容量大，后备时间长。

(5)便于集中发电，市电停电时，用30 kW发电机直接在宏站发电直供一体化基站、MINI基站、室分基站、拉远基站，安全、方便。

(6)交流远供，传输距离远。

(7)直流远供需增加开关电源整流模块,否则蓄电池长期充不满,造成蓄电池过早报废。

(8)因地制宜、量身设计，安装方便、快捷，避免外部环境协调问题，巧妙解决4G基站供电难题。

(9)该新型逆变电源具有远程监控功能，安全、节能，技术成熟，价格低廉，与安装箱式变压器及直流远供相比，能节约大量的工程建设成本及后期维护费用。

3　应用情况

3.1　与安装箱式变压器及高压直流远供的效果对比

新型逆变电源：该新型逆变电源采用壁挂式、模块化设计、体积小、重量轻、安装、维护、维修方便，节能、节地、节材；逆变模块采用高效模块，低损耗、功率密度高、散热性好、效率高，达到98%，节能环保；静态开关采用国际名牌产品，市电与逆变之间切换速度快、安全、寿命长；具有输出过载保护、输出短路保护、过温度保护、输入、输出过、欠压保护、防雷保护等故障保护及告警功能，费用仅为12 400元，相比箱式变压器与高压直流远供节省大量工程建设费用。

新型逆变电源采用交直流双路电源输入：一路直流-48 V输入，一路交流220 V输入,安全、可靠。

箱式变压器:建成一台20 kVA箱式变压器需以下几项费用：箱式变压器费用、高压线路材料费、施工费、协调费等大约需20万元，过了保修期限每年还需大量维保费用，投入成本大、费用高。

高压直流远供：为4G基站安装一套高压直流远供约需5万元费用相对较高,且直流远供变换环节较多，效率较低，不节能，并且不能带4G基站空调，夏季高温将会导致频繁断站。

3.2　预期实施效果

(1)易于推广

a.安装方便快捷。该新型逆变电源运行安全、稳定、可靠，体积小、重量轻、便于安装，节能、节地、节材。

b.投入成本低。该新型逆变电源每台费用12 400元，含电缆线路布放费用，相对安装箱式变压器与直流远供系统成本大大降低。

c.标准接口。采用通用标准接口，技术成熟，可实现远程监控。

d.维护方便。该新型逆变电源日常维护等同于普通基站开关电源维护。

(2)推广价值大

a.有效解决4G基站供电难题。安装新型逆变电源后可有效解决4G基站供电难题，加快工程建设进度，通过在试验基站近半年的测试，运行安全、稳定、可靠，节能，证明该方案切实可行，供电效果良好。

b.蓄电池后备时间长、发电方便。在宏站内安装两组1 000 Ah大容量蓄电池，后备时间大大延长，市电停电时，用30 kW发电机直接在宏站发电直供一体化基站、MINI基站、室分基站、拉远基站，安全、方便。

c.节约大量工程建设资金和后期维护成本。

(3)经济效益

a.直接效益

以周口分公司30座4G基站为例：安装新型逆变电源与箱式变压器及直流远供设备费用对比如图3和表1所示。

图3 30座基站建设成本对比

表1　三种方案基站建设费用对比

从表1可以看出，每座4G MINI基站如安装箱式变压器的费用是200 000元×30=600万元，安装自主研发设计的新型逆变电源的费用是12 400元×30=37.2万元，可节省工程建设费用562.8万元。目前全区有120座4G MINI基站已全部安装，共节省费用2 251.2万元。

b.间接效益

箱式变压器后期的维保费用较高，4G MINI基站配置的蓄电池容量小、市电停电后来不及发电导致基站退服，高压直流远供不能带4G MINI基站空调夏季高温造成基站退服等方面考虑新方案间接效益更加不可估量。

4　结束语

该新型逆变电源的研发，解决了4G基站供电难题，节约了大量的工程建设成本和后期维护费用。该成果通过采用多种创新设计如高效模块休眠功能、市电优先设计,大大提高了设备效率，实现了节能降耗，为国家节省了大量的能源。

该新型壁挂式模块化逆变电源采用通用标准接口，技术成熟，性能安全、稳定、可靠，操作方便快捷，投

入成本低，具有普遍适用性，可广泛应用于通信行业、银行、医院、证券等对供电可用度要求较高的企事业单位。

参考文献：

[1]中国移动通信集团河南有限公司.河南移动通信电源、空调与监控系统维护管理规定[Z]，2008．

[2]信息产业部通信行业职业技能鉴定指导中心.通信电力机务员[Z]，2002．

专利号：ZL 201420842333.4。

设计应用

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

中图分类号：TN86

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0074-03

作者简介：郭彦军，男，本科，工程师，技术主管，网络部集中维护中心动力班长，中国移动通信集团通信电源重大重点课题组成员，主要从事电源、油机、UPS、机房空调、动环监控等通信电源设备的日常维护与管理，参与电源设备的工程设计与安装工作。

收稿日期：2015-02-03 2014-12-25