基于电压波动分析的基站发电时长稽核算法研究

肖平

【摘 要】通信基站发电时长的稽核是通信运营商节约运维成本的重要手段。针对当前通信基站的交流供电特点，提出一种基于通信基站交流输入电压波动特性判定基站发电时长的算法。在分析通信基站三种电力供应方式的基础上，介绍了动力环境监控系统对交流输入电压的采集及记录，将基站油机发电时段的定位问题转化为交流输入电压的波动频度判定。最后用MATLAB仿真软件验证了算法的有效性，且实测数据与实际记录数据的拟合优度良好，验证了算法的实用性。

【关键词】降本增效 发电时长 电压波动 波动频度 动环监控系统

1 引言

在“市场饱和”和“GDP增速下降”的双重考验下，通信行业的收入侧将进入饱和市场新常态，降本增效是一条通信运营商的必走之路。推进管理方式由粗放型向集约化、精细化转变，能提升资源使用效率，实现规模效应，是达到降本增效的方法之一。通信基站的应急发电费用包括油料费与发电服务费，前者是运营商的动力水电费的构成部分，后者是网络代维费的构成部分。代维单位及其员工为获取利益，可能会虚报发电，或进行“人工拉闸-合闸”模拟发电，以套取油料费与发电服务费。为了避免虚假发电情况的发生，节约油料费与发电服务费，控制代维发电成本，需对基站发电真实性及时长进行有效稽核。目前基站发电时长的分析方法或相关技术研究文献主要基于人工或外置记录模块，存在主观性、需增加投资、后期需维护等缺点。针对该问题，本文尝试通过对基站电压数据进行分析，研究出一套客观性强、有效的基站发电时长自动稽核算法。

2 基站设备供电方式

基站设备不同的供电方式会产生不同的电压值记录，是电压波动分析的前提。余翼等人[1]介绍了一种采用光伏、风力、燃料电池进行能量自供给的通信基站[1]，但因新能源在我国通信基站建设中未被普遍使用，不具典型性，故本文的研究未涉及新能源通信基站供电，而主要集中在公网主供电与发电机备用供电切换这一场景下开展相关研究。普通通信基站由于其覆盖的目标性，绝大多数无法采取独立变压器进行输变电，一般就近接入公共电网电源进行主供电，停电时采用后备电池供電，应急油机到位后使用油机发电[2]，且不同的供电状态下基站机房输入电压值特性不同。

2.1 公共电网主供电

一个理想供电系统的三相交流电源对称、电压均方根值恒定，并且负荷特性与系统电压水平无关。这就要求电力用户的负荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取电能，同时也要求PCC（Point of Common Coupling，公共连接点）的短路容量无穷大，系统的等值电抗为零[3]。而实际上，这些条件在公共电网主供电下是不可能满足的。由于冲击性功率负荷（如电弧炉、轧钢机、电力机车、电焊机以及高功率脉冲输出的电力电子设备等）的接入、分布式发电能源的并入，公网电压将受到影响，产生电压波动[4]。电压波动是最为常见的一种电能质量问题，电力系统电压波动的基本定义是电压均方根值一系列的相对快速变动或连续的改变现象。对三相交流电的一相进行分析，可以在波动的一个工作周期或者规定的一段检测时间内，沿时间轴对被检测电压每半个周期求一个均方根值，并按照时间轴顺序进行排序，则可以看到连续的电压包络线图形，称这图形为电压均方根值曲线。国际电工委员会IEC规定，低压电力网中，电压波动最大值相对额定电压不应超过4%，电压均方根值曲线可近似为[5]：

Ut=UN+Msin（Ωt+φ） （1）

公式（1）中，UN为额定电压均方根值，国内的低压电网标准为220 V；M为调制率，根据IEC标准，国内调制率为4.4；Ω为低频正弦调制信号角频率；t为电压信号持续的时间；φ为低频正弦调制信号初相角。由公式（1）生成的电压曲线图如图1所示。

对湘潭地区的电压变动进行测量跟踪，实际电压波动一般为10 V以下，即调制率M≤5 V。

2.2 备用供电

（1）蓄电池组供电

目前通信基站主要采用阀控式密封铅酸蓄电池作为后备电源，额定电压2 V/只，24只为一组，通常配置2组。蓄电池组通过化学能的转换，当市电断开时，在开关电源的控制下为设备提供-48 V的电力供应[6-7]。蓄电池组容量根据基站直流负荷和基站所需蓄电池的后备时间确定，其中直流负荷按基站近中期（3～5年）负荷考虑，蓄电池组的后备时间优先综合考虑通信基站的重要性、市电的可靠性、运维部门到达现场的时间等因素。

通信基站采用机房内蓄电池组供电时，基站由内部能源提供能量，无任何外界电源接入，基站机房的输入电压、功率均为0。

（2）发电机供电

当蓄电池放电到一定程度而市电仍未恢复时，必须采用柴油或汽油发电机为通信基站供电。发电时，柴油机、汽轮机将燃料燃烧产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机有电压调节器，可以对输出电压进行自动调节，当发电机的转速升高时，减小磁场电流，以减弱磁通，使磁通变化率基本保持不变，从而维持端电压不变；且由于此时发电机所带负载仅为通信基站内功率恒定的设备，无公网冲击性功率负荷接入，电压相对稳定。发电机供电时，相电压曲线如图2所示，电压整体为一直线，有极少的由于发电机本身原因导致的波动。

3 发电时长稽核算法

3.1 电压数据的采集

（1）基站动环监控系统结构

中华人民共和国工业和信息部《通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统》[8]及中国移动通信集团有限公司《中国移动通信动力及环境集中监控系统技术规范》[9]规定，在一个本地网内，基站动环监控系统应按CSC（Central Supervision Center，监控管理中心）、LSC（Local Supervision Center，区域监控中心）、FSU（Field Supervision Center，局（站）现场监控单元）、SM（Supervision Module，设备监控模块）划分，如图3所示。其中监控模块是数据采集级，其他三个监控级是具有不同管理权限和功能的管理级。endprint

（2）动环监控系统对电压的记录

LSC中的服务器定时发送指令，通过FSU向开关电源或交流电压采集模块申请获取交流电压值，收到电压值后，当服务器认为数据有价值则进行记录。湘潭移动LSC服务器设置的定时发送指令周期为7 s，FSU向开关电源直接采集交流相电压有效值，当电压变动值大于5 V或1小时未发生记录事件时，则记录时间及相应电压值。一段典型的电网电压记录曲线如图4所示。

图4中记录的是2017年3月16日00：03：10至2017年3月18日21：39：10茶恩寺机房的A相电压有效值曲线。A点为交流电由约220 V变为0 V，市电停电；B点为发电开始，交流电变为约220 V；C点为发电完成后，倒换到市电，低压进线柜或开关电源检测到交流输入电压“220 V-0 V-220 V”的变化过程。AB段为市电停电由蓄电池供电时，无交流输入的时间及电压有效值记录；BC段为市电停电时，油机提供交流输入的时间及电压有效值记录；其余时段为正常市电供电电压有效值记录。

3.2 基于电压波动分析的发电时长稽核算法

（1）电压波动及波动频度

一般电压的波动特性采用相对电压波动值和电压波动频度进行描述。相对电压波动值为相邻的两个电压极值Umax和Umin间的差值与额定电压UN的比值d，可表示为：

（2）

为准确描述“波动”的概念，同方向上的两次以上（含两次）的变动（一段时间内电压值连续增加或减少）只记一次，即电压由大到小或由小到大的变化各算一次变动，本文根据湘潭电网情况及动环系统实际设置，定义“d>2.27%”的波动为有意义波动，即对变化值大于5 V的电压变动进行分析。

在数学范畴，只有正弦波的频率可以表示为周期的倒数。但在实际工程应用中，通常把周期为T的三角波或矩形波等波形的频率f（单位为Hz）表示为其周期T（单位为s）的倒数。定义电压波动的频度r（以s?1为单位的频度表示为rs、以min?1为单位的频度表示为rmin（min表示分钟）、以h?1为单位的频度表示为rh（h表示小时））为单位时间内电压变动的次数W，则波动频率为f=r/2，电压波动的频度可表示为公式（3），其中t为以小时h为单位的单位时间：

（3）

电压波动的频度r与频率f的关系为：

（4）

动环系统采集到停电时市电输入为0 V后的第一次电压大于50 V的时间点，以及电压再次下降到0 V的时间点。对湘潭市电网公网电压进行跟踪分析，若此时间段的电压波动频度小于0.5次/小时（湘潭地区电压变动跟踪经验值，其他区域可根据实際调整），则判定为油机发电时段，相应的起始与结束时间点为油机发电的起始与结束时间点。

（2）发电时长稽核算法

判定油机发电时长算法的基本原理是：分析动环采集到的交流输入电压，电压波动频度较大的时间段为公共电网供电，电压波动频度较小的时间段为油机供电。具体算法如下：

1）读取一个时间段及对应的电压数据；

2）删除波动小于1%的数据；

3）电压小于50 V的采样时间点为停电时间点，共n次；

for：n=1， 2， ...， （n-1）

4）停电时间点后，第一次有电压记录的时间点为疑似发电起始时间点A；

5）停电时间点后，下一次电压小于50 V的时间点为疑似发电结束时间点B；

6）计算时间段AB内电压波动d>2.27%的次数kn；

end for

7）计算电压数据起始时间点到第一次停电时间的电压波动次数k0；

8）计算第n次停电时间点后到电压数据结束时间点的电压波动次数kn；

9）得到0～n共n+1个时间段的波动次数：k0， k1， ...， kn；

10）计算n+1个时间段的每小时电压波动频度rn，电压波动频度rn<0.5的时间段即为油机发电时间段。

4 现网应用效果分析

4.1 算法的MATLAB实现效果

在MATLAB2016b平台上对算法进行验证，如图5所示，绿色矩形窗为发电时段，算法的检测判定结果与3.1中的实际记录结果一致。

4.2 算法准确度分析

为评估算法的准确度，将湘潭全区基站2017年3月每天发电记录时长与算法判定的发电时长进行比较，如表1所示。

采用拟合优度（按：拟合优度（Goodness of Fit）是指回归直线对观测值的拟合程度）对算法的有效性进行评判，度量拟合优度的统计量是可决系数（亦称“确定系数”）R2，R2的最大值为1。R2的值越接近1，说明回归直线对观测值的拟合程度越好；反之，R2的值越小，说明回归直线对观测值的拟合程度越差。以算法所得的值为回归直线，以实际记录值为观测值，拟合优度为：

（5）

公式（5）中，ESS为解释平方和，TSS为总平方和，RSS为残差平方和，由公式（5）计算表1中算法判定值与实测记录值的拟合优度为0.994 5，算法与实际记录值的一致性较好。

4.3 与常规稽核方法的对比分析

常规基站发电时长稽核采用人工记录的方式，或通过在油机中增加的硬件模块实现，这两种方式需要专人进行操作或定制硬件。采用本文提出的稽核算法可直接利旧运营商的原有动环平台实现稽核功能，具体从三个维度进行对比分析，如表2所示。

5 结束语

基于电压波动分析的基站发电时长稽核算法在湘潭移动与湘潭铁塔得到推广使用，取得了良好的稽核效果。依托通信基站已有的动环监控系统，通过对不同供电状态下的交流输入电压有效值波动频度进行分析可知，电压有效值波动频度高于频度阈值的时段为市电供电时段。电压有效值波动频度低于频度阈值的时段为油机供电时段。在不增加任何硬件的情况下，利用该算法可有效实现油机发电时长的稽核。本文提出的稽核算法的判定结果与具体发电时段现场记录的一致性强，与大样本数据的拟合优度高，且与常规稽核方法相比，在投资、维护成本较低的情况下能进行快速部署，实现较好的稽核效果。

参考文献：

[1] 余翼，刘金华. 德国新型自供给移动通讯基站[J]. 电子技术与软件工程， 2017（6）： 41-42.

[2] 中华人民共和国工业和信息部. YD/T 1051-2010 通信局（站）电源系统总技术要求[S]. 2010.

[3] 刘振亚. 智能电网知识读本[M]. 北京： 中国电力出版社， 2010.

[4] 林海雪. 现代电能质量的基本问题[J]. 电网技术， 2001，25（10）： 5-12.

[5] 郭上华，黄纯，王磊，等. 电压波动和闪变的检测与控制方法[J]. 继电器， 2004，32（3）： 45-48.

[6] 中国移动通信有限公司网络部，中国移动通信集团吉林有限公司，中国移动通信集团设计院有限公司. QB-W-013-2008 固定型阀控密封式铅酸蓄电池[S]. 2008.

[7] 中国移动通信有限公司. QB-W-008-2008-48V通信用高频开关组合电源[S]. 2008.

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[9] 中国移动通信有限公司. GF006-2000 中国移动通信动力及环境集中监控系统技术规范[S]. 2000. ★endprint