4G基站用直流UPS后备电源瞬断故障测试分析及对策研究

［慕家骁　蓝郁峰　赖世能　罗森文］



4G基站用直流UPS后备电源瞬断故障测试分析及对策研究

［慕家骁蓝郁峰赖世能罗森文］

摘要针对4G 无线基站一体化直流UPS后备电源设备频繁发生瞬断、闪断故障的问题，通过现场反复测试以及实验室试验与验证，深入分析了故障因素，确定故障原因，并对UPS后备电源控制电路板提出了改进方案，排除了相关故障和潜在问题，最后现场改造了数百个此类在网运行的一体化直流UPS后备电源设备，现场实践证明改造后的设备运行正常，该方案切实可行。

关键词：4G基站 直流UPS 后备电源 锂电池 闪断故障

高级工程师，中国电信股份有限公司广州研究院，长期从事通信设备、IDC数据中心电源和环境的安全可靠性运行运行，国内主要刊物发表论文20余篇，正式出版发行专业著作4部。

蓝郁峰

高级工程师，中国电信股份有限公司广东分公司，长期从事通信设备、IDC数据中心电源和环境的安全可靠性运行管理和维护工作。

赖世能

硕士，高级工程师，中国电信股份有限公司广州研究院，长期从事通信电源可靠性、可维护性，数据中心关键基础物理设施配置，通信用高压直流技术发展演进研究及通信系统供电安全技术支撑。正式出版发行专业著作4部。

罗森文

硕士，高级工程师，中国电信股份有限公司广州研究院，长期从事通信设备、IDC数据中心电源和环境的安全可靠性运行运行，主持制定多项行业标准和规范，发表论文数十篇。正式出版发行专业著作4部。

引言

随着移动通信技术的快速发展，4G无线基站大规模建设，一体化直流后备电源UPS设备在4G基站中大规模应用，截止2014年底，仅中国电信某一个省会城市4G基站一体化直流后备电源UPS设备应用656套，一体化直流后备电源对无线网络安全运行举足轻重。2014 年7月，某省刚刚启动的大规模无线基站4G网络部分一体化直流后备电源UPS设备频繁发生瞬断、闪断故障，给刚建成的数百个此类4G无线网络造成了巨大的影响和安全隐患。

在CC单板上，如果是因为PM没有被下电（供电正常）的情况下发生基站重启复位（即软复位），那么基站会记录复位日志为Software Reboot，比如7月13日做过重大操作，当时基站远程复位重启的记录就是Software Reboot，另外基站与OMMB网管和MME同时断链超过2h后，基站自动复位的日志也会是Software Reboot。

而华为公司厂家自己提供的4G无线网络配套电源却无此故障，我们分析认为这可能就是4G无线网络设备与4G配套电源控制结构设置及在安装上存在一定的问题。

经过我们与直流UPS电源设备厂家的技术人员一起探讨和分析，在出现闪断的站点中，一体化直流UPS设备“直流输入”端口未接线缆，无直流输入，导致负载设备没有正常的直流供应。在这种存在交流输入而没有直流输入的情况下，直流UPS会启动内部交转直模块+电池联合供电模式，该交转直模块主要为锂电池充电用（功率为300W）。当电池电量消耗完毕后，交转直模块会转而给电池充电，从而导致负载供电中断。当充电超过电池门限值后，电池恢复供电，即整机为交转直模块+电池联合供电模式，负载恢复供电。等到电池电量消耗完毕，负载则又中断供电。于是在这种无直流输入UPS的情况下，会出现反复闪断的情况。抽查到的站点中IPRAN与FDD都是由该交转直模块经过DCPD进行供电，即IPRAN侧也存在与FDD侧类似的闪断情况，但在总功率不高于300W的情况下未必同时中断，联合排障小组也未发现大量的IPRAN闪断问题，初步分析IPRAN侧中断与成环率、破环操作和统一交转直模块过载等关系比较密切。此外室分站的断站重启情况高于室外站。

1　一体化UPS后备电源工作原理

后备电源一体化直流UPS设备的工作原理图如图1所示。

图1　直流后备电源一体化直流UPS原理图

在设备正常工作时，交流市电从交流输入端经交转直整流后，由EMS控制，一部分直流电直接给4G网络供电，同时有部分交转直电给锂电池组充电（功率为300W）。当市电停电后，4G网络设备的直流电就由锂电池组供给，以保持网络的正常运行。

2　测试方案

我们经过充分地分析和讨论，最终制定了两套测试方案。

方案一：断开市电（主电源和后备电源都断电），其它不做任何变化，测试一体化直流UPS后备电源给通信主设备供电情况；恢复市电，测试直流UPS后备电源给通信设备供电情况。

方案二：只断开主电源，仅给一体化直流UPS后备电源供市电，测试一体化直流UPS后备电源给通信设备供电情况。

2014年8月攻关小组选定多次出现4G网络一体化直流UPS后备电源设备频繁发生瞬断、闪断故障的某大厦负二楼固网机房内基站作为现场研究测试机房。

3　测试情况

3.1方案一测试情况

（1） 用数字化波形记录仪记录被测一体化直流UPS设备各端口电压和电流情况，断开市电后，直流UPS内的后备锂电池立即接通供电，主设备工作基本正常，此时通信主设备未立即出现故障。

（2） 然而当断开市电等待数分钟后，把主电源市电开关合闸、恢复供电，直流UPS输出电压持续了约2.7秒钟时，直流UPS后备电源输出电压（数字化记录仪表第3通道（黄色）突然由52.03V跌落到30～31V左右，见图2所示。同时第4通道（绛紫色）的UPS输出电流突然由3.75A突变到28.188A，随即电流恢复正常稳定值3.75A，直流UPS后备电源的电压和电流突变时间不到1ms，此时监控中心记录了基站4G主设备出现了瞬断故障现象，说明基站4G主设备出现了瞬断故障现象是由于一体化直流UPS后备电源供电瞬断故障所引起。

图中通道3（黄色线）是UPS输出直流电压，电压跌落幅度很大，由53V跌落到30～31V，且跌落持续时间达5～6ms；通道4（绛紫色）是UPS直流输出电流，突变幅度也非常大，由3.7A突变到23～28A，是正常输出直流电流的约7倍；图3是图1的局部大样图。

该测试重复进行了6次，当恢复市电供电后大约2.7秒后，4G移动主设备故障就会出现，共出现了3次类似的故障。

3.2方案二测试情况

当采用方案二测试时（即主电源不供电，只给蓄电池充电的后备电源供电），测试情况如图4所示。同样，在恢复供电时，同样出现了主设备掉电现象。

4　测试分析

当市电断电后，直流UPS立即切换到后备锂电池供电，供电基本正常，主设备没有出现掉电现象。但当恢复供电时反而很可能会引起主设备瞬断故障（试验7次中有4次出现主设备瞬断）如图2所示。

图2　市电恢复2.7s后，UPS输出电压出现跌落、输出电流出现突增、主设备出现故障

通过对该一体化直流UPS后备电源设备的逻辑控制原理分析发现，该设备在市电恢复时，需要同时满足2个判定条件才会撤销锂电池对主设备供电：（1）交转直输入端的正极线有输入电压；（2）交流输入导线有交流输入电压；在满足这二个条件2s后再切断锂电池输出。而启动锂电池供电的判定条件是交直流输入端正极线上没有输入电压。通过认真检查基站电源设备安装接地方法，并在实验室里进一步实验和分析，发现给后备电源直流的交转直输入的48V正极与保护地相连，同时由后备电源供电的基站主设备也是48V正极通过机壳与保护地相连（这是通信局站电源接地的一贯标准做法和其特殊性），有二处与保护地相连，从而导致后备电源内部的正极线隔离二极管短接。这种接地方法的后果是隔离二极管的隔离功能失效，锂电池输出电压通过地线反馈到交直流回路的输入端，造成判定条件（1）无法反映市电恢复后交转直回路有电压输入的真实情况（交转直检测电路检测到的电压只是锂电池电压而不是市电方向提供的直流电压），只要市电恢复2s后就产生控制命令让锂电池断开。而交转直回路在市电恢复后2s这么短时间内尚无法建立直流输出，无法在2s内提供直流电压，其结果是市电恢复2.7s后，会出现一个既无交转直回路供电，也无电源输入，又无锂电池输出的空白时间段，主设备自然会失压掉电、关闭一次，如图4、图5所示。

图3　为图1跌落部分大样图（直流电压跌落持续5-6ms、跌落深度20伏，直流电流突增持续1ms、突增幅度7倍）

图4　恢复供电时UPS输出电压维持2～3s后发生突变（瞬间由53.4V下降到31V，电流由约0.188突变到22A～28A，通信设备出现故障。）

一体化直流UPS电源输出电压失压并关闭主设备工作后，此时因为锂电池停止输出，UPS电源检测到交转直输入端输入电压缺失，会立即重新恢复锂电池供电状态，主设备又重新启动，并出现较大的峰值电流。因此大约在市电恢复2.7s后，锂电池恢复供电，掉电后的主设备又可以重新启动工作，数秒钟后，交转直回路已建立了稳定的直流电压输出，出现交转直回路和锂电池回路同时为主设备供电，此时UPS电源检测到交直流输入端有直流电压了，命令锂电池再次断开、停止供电，并由交直流回路给主设备供电并一直维持正常工作。正是这种逻辑控制要求和现场设备正极接地方法的矛盾，导致了市电恢复后2s多还会出现一次电源瞬断的奇怪现象。图5为发生故障的直流UPS电源原理示意图。

图5　发生故障的直流UPS电源原理示意图

由上分析可知，一体化直流UPS后备电源设计思想存在诸多不合理之处：（a）交转直回路是否有正常电压输入的检测电路，只检测直流正极导线对参考地之间的电压，而不是检测正负极之间的电压；（b）只在交转直回路的正极线串接了隔直二极管，而没有在负极线上也串接隔直二极管；（c）市电恢复后2s就停止锂电池输出供电，等待时间太短，交转直回路还来不及建立稳定的输出；（d）该设备的正常工作建立在直流48V正极不接地的基础之上，明显不符合通信局站的标准要求。综合上面分析，当外部的交转直主电源建立输出电压延时时间过长（超过2s）时，就会出现无法及时提供持续的供电而导致输出设备闪断现象，造成通信故障瞬断故障。

5　解决方案

为了适应通信行业规范要求，攻关小组提出以下整改方案：在输入负极同时也串接隔直二极管，并将检测电压由交转直回路的正极对工作地改变为正极对负极，通过光耦隔离检测输入电压压差来判定输入电压正常与否。这样即使交转直电源的正极和BBU设备的正极都保持接地状态，也可以保证市电恢复时不出现掉电的问题了。整改后的电路原理如图6所示。

图6　整改后的安装及电路原理图

增加负极的隔直二极管（红色虚线方框）后，无论是输入与输出的正极通过保护地短接，还是负极通过保护地短接，直流检测电路均能检测输入电压压差信号正常与否，从而正常控制切换开关。当外部的交转直模块输出电压正常后，才断开锂电池与母线切换开关，使锂电池与母线断离，保障了锂电池的安全。

在实验室，通过整改多台样机，同时模拟在输出+48V正极与保护地短接的状态下，均能正常控制切换开关，保证了在直流输入正常的情况下切换。图7为整改后的电压切换输出图形，可见输出电压不再有大幅度跌落了。

6　结论

本项目涉及的4G基站一体化直流UPS后备电源的设计应结合通信局站供电和接地的特殊性和工程规范作为基础，并现场将产成品实际运用到通信基站和机房经过反复试验和验证后，证明没有问题才可以上网运行，否则不但会暴露出产品的缺陷和不足，同时还会对现网运行通信质量和客户都造成严重的影响。

图7　直流UPS电源整改后在市电停电及恢复过程输出电压测试波形图

对此类4G基站一体化直流UPS后备电源在现场进行了全面的改造后，彻底解决了一体化直流UPS后备电源大量出现闪断、瞬断的故障，从而有效保障了4G基站的安全运行。

参考文献

1ITU-T K.27 BONDING CONFIGURATIONS and EARTHING INSIDE A TELECOMMUNICATION BUILDING

2IEC 61643-11-2011 LOW-VOLTAGE SURGE PROTECTIVE DEVICES PART 11：SURGE PROTECTIVE DEVICRES CONNECTED TO LOW-VOLTAGE POWER SYSTEMS RERQUIREEMENTS AND TEST MENTHODS

3中华人民共和国通信行业标准《通信用不间断电源--UPS》YD/T 1095—2008 Uninterruptible Power Systems for Communications

4中华人民共和国通信行业标准GB_50689-2011_通信局站防雷与接地工程设计规范

5中国电信（2014）390号《通信机楼供电系统配置标准（暂行）》

6中华人民共和国通信行业标准YDT 1821-2008《通信中心机房环境条件要求》

7江苏双登集团有限公司《通信用磷酸铁锂电池组系统说明书（V2.0）》

8YD 5068-1998《移动通信基站防雷与接地设计规范》

9GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

10赖世能.慕家骁合著.《通信系统防雷接地技术》人民邮电出版社.2007年

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.002慕家骁

收稿日期：（2016-03-31）