5G局站配电智能化差异化保障功能的实现

2022-01-10王天乐

通信电源技术 2021年13期

张健，王天乐，安洋

（1.中国电信股份有限公司镇江分公司网络操作维护中心，江苏镇江 212000；2.中通服节能技术服务有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

随着我国通信技术的飞速发展，综合接入型通信局站，特别是乡镇局普遍存在5G综合接入通信网络规模不断扩大，局站功率密度大幅增加，运营商新基建配套投资快速增长。不同等级局站动力系统配套的规范性与安全性，是通信网通畅运营的基础保障。市电和自备发电机组组成的交流供电系统宜采用集中供电方式，系统接线力求简单、灵活，操作安全且维护方便。基于原有普遍采用的刀闸人工控制动力、照明双回路选择模式，需要从配电回路安全隔离、配电差异化保障、发电机组应急效能、油机投资精确化管控等多个方面进一步深入研究，助力通信生产的高质量发展。新型智能化配电系统整合发电机组带载容量监测与智能控制、能耗监测、动环监控、照明回路防漏电及触电等功能，力争实现5G局站配电改造标准化。

1 配电系统安全与负荷分级

通信局（站）的交流变配电系统是指从市电电源线路进局起，经过高低压变换，到低压用电设备进线端的整个电路系统，主要由高压及低压配电线路、变配电站（所）及其变配电设备组成[1]。低压交流供电系统采用三相五线制或单相三线制供电。

为通信局（站）的各种通信设备及保障通信的建筑负荷供电的多种电源设备组成的系统，称为通信电源系统。该系统由交流供电系统、直流供电系统、防雷接地系统和动力环境监控系统组成。集中供电方式电源系统组成如图1所示。

1.1 交流配电屏

5G综合接入局站交流配电电源输入端通常是市电、油机发电机两路电源引入，系统还会涉及到分负荷种类计量，因此，对于动力、照明、商用等负荷还需要根据负荷种类分别安排在一起配电。以上方面对低压系统的结构都会造成比较大的影响，在建设之初就必须综合考虑，防止后期出现使用不便的问题。对于低压市电电源与备用发电机组电源之间的切换，最好能够自动进行，因为只有实现自动化运行，才能真正满足规范要求，减少停电时间、减少后备电池的配置容量、减少维护人员的工作量[2]。

1.2 发电机组

5G综合接入型通信局站一般应配置备用发电机组，当市电停电时，用它向交流配电屏和保证建筑负荷等供给220/380 V 交流电。备用发电机组主要采用柴油发电机组，通信局（站）采用了可以无人值守的自动化柴油发电机组，当市电停电时能自动启动、自动切换加载，在市电恢复后能自动卸载停机。

1.3 局站及负荷分类

在YD/T 1051—2010《通信局（站）电源系统总技术要求》中对通信局（站）根据其重要性、规模大小进行了分类，其中一类通信局（站）的通信生产负荷为一级负荷中特别重要负荷，二类、三类通信局（站）的通信生产负荷为一级负荷，以上负荷均需由两路电源供电，且应增设应急电源。

2 差异化供电对于柴油发电机的意义

根据图2可知：柴油发电机通过接收负载侧的反馈信号间接调节喷油嘴的供油量，来达到控制转速稳定电压的效果。通过控制变量法可推算：供油量恒定，机组转速随负载增大而减小；负载恒定，机组转速随供油量增大而增大[3]。因此，柴油发电机组运行工况与机组负载有着密切的关系。

考虑到目前各5G局站负载增加，原有柴油发电机组容量逐渐不能满足局站全部用电，为保证机组运行的稳定性与安全性，故将局站用电分为重要负载与非重要负载两部分，实施差异化供电。

当机组负载≤60%时，机组剩余容量充足，经延时后带非重要负载也不会因负载加重而出现机组异常运行的情况。反而当机组负载＜30%时，机油黏度较大，机器摩擦阻力增加，不能起到很好的润滑作用；同时，因机组整体温度低，热胀冷缩效应导致活塞及气缸部分密封性下降，机油窜入气缸，造成烧机油现象，这部分机油参与了燃烧，并且在气门，活塞环等处形成积炭，降低发电机组的功率。考虑到这层因素，在工程建设时期，已经选用了容量相匹配的柴油发电机组，避免出现以上情况。

当机组负载在60%～80%时，机组处于最佳运行状态（发电机组在额定负载75%的工况下耗油最低）。此时，机组水温在80℃左右，油温在90～110℃左右，运行正常。因此，本次差异化供电将机组负载60%～80%设为分界点，以确保机组处在最佳运行状态。

当机组负载在80%～100%时，机组已经接近满载。此时，机组的运行状态随着负载的增加而发生明显改变：机油温度随机组散热量增加而上升，机油黏稠度下降，油膜不易形成，从而造成润滑不良，同样会造成气缸套密封性下降，机油上窜，燃烧机油，形成积炭等现象，此时机组的功率下降；冷却水温度随机组散热量增加而上升，机组冷却系统大循环开启，若热量继续增加，冷却水接近沸腾，会导致机组高温停机等事故；大量的热无处传递，导致周围环境温度升高，发电机部分线圈绝缘层老化[4]。

当机组负载＞100%时，机组已经超载。除了油温、水温升高导致的上述故障外，机组转子剧烈振动，导致转子部分机械磨损，励磁部分因转子的振动导致输出电压不稳；机组整体温度高，各部位金属零件易产生热塑性形变，大大降低机组整体使用寿命及发电效率，且发电机组超载运行时长不超过1 h/12 h。

3 通信配电差异化保障

交流电源系统应对通信局（站）提供一般用和保证用的建筑负荷用电。保证建筑负荷是指通信用空调设备、保证照明、消防电梯、消防水泵等，建筑一般负荷是指一般空调、一般照明及其他备用发电机组不保证的负荷。

3.1 差异化保障要点

合理配置冗余，优化配置模型，强化应急手段，提高利用效率，提高运营效益，提升运营价值。依据通信局站电源、空调系统可靠性模型计算，供电、供冷系统可靠性指标与业务保障等级相匹配[5]。依据业务等级、客户等级，结合网络和业务保护机制及外市电可靠性现状。

3.2 综合楼设计的总体思路

（1）首先了解综合楼类型、建设单位意图及当地供电局的规定，确定外市电的运行方式（几路、如何联络、计费方式等）。

（2）与相关专业协调，取得负荷情况，确定变配电系统的容量。

（3）根据变配电系统容量情况初步设计系统，并与相关专业协调确定变配电系统的安装位置，综合楼内的走线通道等。

（4）以上可研部分的内容基本结束，初设部分仅是根据更加详细和准确的基础数据对可研的深化和细化。

（5）根据初设确定的系统，提出变配电的一次系统图及订货图、技术规范书。

（6）对土建相关专业提出工艺对土建要求图（初步，待设备订货后再经过修改为正式施工图）。

（7）根据上述已确定的方案进行施工图设计，如图3所示。

3.3 器件选择

低压配电设备的保护功能，具有长延时、短延时、瞬时3段保护。对于断路器、接触器的脱扣方式选取分励脱扣，手动、电子方式。低压系统的分级保护功能，选择塑壳断路器和微型断路器。ATS选择PC级，市电、发电负荷监测控制选择智能电表、PLC 控制器。

4 智能化配电的实现方式

目前配电系统通过人工现场投切负荷的方式控制负载率，如采用PLC自动控制方案，可缓解投资及现场维护压力，在用系统中亦可通过加装装置实现本系统智能控制功能。

4.1 主要解决的问题

（1）集中配电模式下通信保障回路与一般照明回路存在的相互影响。

（2）市电停电自动化发电，发电机组易超载运行。

（3）发电机组配置功率最大化应用。

（4）发电机组投资短缺过程中的维护实际困难。

（5）照明用电回路人身安全防护。

4.2 智能化功能实现原理

本系统通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）来实现自动判断与动作。本文主要从硬件层面及软件层面进行阐述。

4.2.1 硬件层面

硬件层面主要由智能仪表、PLC、开关电源（AC220 V转DC24 V）、继电器、接触器等4个部分组成，原理如图4所示。

图4 硬件层面回路

（1）智能仪表用来显示柴油发电机的电流、电压、电能等各项参数，另一方面将采集到的发电机的实时电流，通过Modbus通信协议传输到PLC中。

（2）PLC用于读取智能仪表中的电流参数，通过协议转换和参数处理，将读取到的电流值转换成浮点数，输入到PLC的输入接口中，然后PLC内部进行逻辑判断，将结果输入到输出接口中。

（3）开关电源用于将主回路的交流220 V电压转换成用于PLC输出接口的直流24 V工作电压。

（4）继电器的线圈与PLC的输出接口、开关电源DC 24 V电源共同组成一个回路，当PLC的输出接口动作时，继电器线圈得电吸合，然后将继电器的常开辅助触点的状态传输到接触器回路中。

（5）接触器的线圈与继电器的常开辅助触点以及交流220 V电源共成一个回路，当继电器的常开触点变成闭合时，接触器线圈得电吸合，对主回路进行合闸，合闸操作执行完毕。

4.2.2 软件层面

软件层面主要由主程序4个（OBI）、参数处理、Modbus数据采集、切换逻辑四部分组成。

主程序（OBI）是程序的主体，每一个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用各个子程序，如图5所示。

图5 主程序（OBI）

参数处理用于将智能仪表中读取的数值转换成浮点数,然后通过逻辑运算得到每相的电流。

浮点换算如图6所示。计算电流如图7所示。

图6 浮点计算

图7 电流计算

Modbus数据采集用于PLC与智能仪表通信，采集智能仪表中的数据，并将其数据传入到参数处理程序中。本程序中的波特率设置为19 200，无奇偶校验，地址为10，如图8所示。

图8 Modbus数据采集

切换逻辑为本系统的核心子程序，主要用来将发电机实时电流与非重要负载分合闸阈值进行比较，并通过延时进行PLC输出接口的分合闸动作。

阈值设置如下：

当In（实时电流）≤60%的油机额定输出电流时，且这种状态维持10 min，此时PLC对接触器进行合闸控制，将非重要负载通电。

当In（实时电流）≥80%的油机额定输出电流时，且这种状态维持5 min，此时PLC对接触器进行断开控制，将非重要负载断电。

发电机额定电流60%～80%换算，如图9所示。

图9 额定电流60%～80%换算

In（实时电流）≤60%的油机额定输出电流时，且这种状态维持10 min，此时PLC对接触器进行合闸控制，如图10所示。

图10 In（实时电流）≤60%的油机额定输出电流

In（实时电流）≥80%的油机额定输出电流时，且这种状态维持5 min，此时PLC对接触器进行断开控制，如图11所示。

图11 In（实时电流）≥80%的油机额定输出电流

紧急情况下，当实际需要干预PLC系统工作，强行将非重要负载合闸时，本系统设置了手动/自动切换模式，即切换到手动模式后，PLC系统不再工作，不再进行自动操作，可通过人工操作，将后端非重要负载通电。

4.3 局站照明类供电安全

本项目重点研究配电结构对人身安全以及通信网配电回路的影响。现有局站配电为了满足与供电侧的上下级配置关系，以及通信动力回路特性，开关电源回路漏电流保护需大于70 mA，一般情况下市电总断路器漏电流设定在250 mA以上，无法满足人身安全防护要求。同时，照明回路漏电易导致市电总断路器跳闸保护。因此，配电系统采用三相或单相漏电保护开关装置，对办公、营业及局房照明供电，保护电流为30 mA.

4.4 与传统配电优缺点比较

PLC自动负荷控制装置以及配电分路改造，实施难度较小，成本可控。250 A/380 V加交流配电系统标准化配电屏，如采用单机架设备配置（负荷容量、分路数量、控制采集满足CD类局站需求），通过智能化、集成化手段，节省空间及投资，同时融合动环、能耗、触电保护等功能，符合通信动力IT化与智能化发展方向与安全运行技术要求，按交流配电屏使用年限具备10年以上生命周期，达成降本增效的目标。