通信电源关键技术的应用及发展探究

2023-09-02姜秀红杨宝龙

通信电源技术 2023年14期

徐晗，姜秀红，杨宝龙

（1.国网吉林省电力有限公司信息通信公司，吉林长春 130000；2.中国移动通信集团吉林有限公司网络部网络优化中心，吉林长春 130000）

0 引言

通信设施建设范围不断扩大的背景下，通信电源发挥着重要作用，其不仅可以提供通信设备运行所需的电能，而且可以保证整个通信系统正常运行。通信电源具有结构复杂、供电种类多、供电对象多的特点，涉及多种支撑技术。只有相关技术协同发挥作用，才可以保证通信电源正常可靠运行。因此，探究通信电源关键技术具有非常突出的现实意义。

1 通信电源

通信电源是整个通信网络的关键基础设施，也是通信系统的核心，稳定可靠的通信电源是通信系统安全可靠运行的关键。根据供电形式的不同，通信电源可以划分为直流供电通信电源和交流供电通信电源。其中，直流供电通信电源包括-48 V 和+24 V；交流供电通信电源包括220 V 单相交流电和380 V 三相交流电等[1]。

根据通信电源的运行过程，通信电源具有小型、可靠、稳定以及高效等特点。其中小型主要指体积小和重量轻；可靠主要指通信电源在多环节多重备份，保证电源系统与通信设备的可靠性；稳定主要指电源电压、杂音、瞬变电压稳定且处于运行变化范围内；高效主要指通信电源供电效率较高。

2 通信电源关键技术

2.1 APFC 技术

有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC）技术是通信电源的关键技术，具有重量轻、体积小、输入电压范围宽、效率高以及功率因数高的优良特点。有源功率因数校正技术又称为有源开关型补偿法，是直流/直流（Direct-current/Direct-current，DC/DC）变换型电流的变形，主体为高频DC/DC 变换器，全波整流后的输入交流电压可以经DC/DC 进行变换。同时，输入电流平均值可以自动跟踪全波直流电压基准，确保输出电压处于稳定状态，在有效控制单位功率因数的同时，实现恒压输出。

根据主电路形式，有源功率因数校正可以划分为单相软开关校正、单相硬开关校正等。其中，单相软开关校正包括零电流开关变换和零电压转变换等，借助谐振电感作用导通开关管，开关管电流应力较低；单相硬开关校正是非隔离型校正，包括升压型、降压型、升降压型3 种，以电感电流为输出，经开关管门极驱动信号，对输入电流变化的适应能力较强。

2.2 热插拔式高频逆变并联UPS 电源技术

热插拔式高频逆变并联不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）技术又称为高频机技术，本质上是电压控制型逆变器和电流控制型逆变器的混合并联系统。该系统由电池变换器、绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）高频整流器、旁路以及逆变器等几个部分组成，具有重量小、功耗小、体积小的特点[2]。UPS 电源多用于变电站故障数据设备、控制系统、应急电源以及数据通信等重要负载的不间断供电，热插拔式高频逆变并联UPS 技术则基于UPS 电源和模块化思维，进一步控制系统体积，提高电源灵活性、通用性以及动态响应速度，为系统便捷组合、安装、设计以及互换提供支持。

2.3 防雷技术

防雷技术是通信电源的关键技术，也是通信电源系统长期稳定发挥效益的保障。常用的防雷技术主要是安装防雷元器件，如消雷器、接闪器、避雷器等，抑制直击雷浪涌电流与电网电压波动干扰[3]。根据通信电源负荷性质对应类别，在应用防雷技术时，需要采取以下措施：首先，需要配套选择分级衰减雷击残压法（或分级衰减雷击能量法），在通信电源前端架空线放入标称泄放电流路，经电流路释放高压脉冲，从而缓解累积电流，实现通信电源设备的首级防护；其次，安装交流屏防雷保护设施，吸收雷电磁脉冲、感应瞬时高压脉冲以及配电前端高压脉冲；最后，全面安装防雷器装置，吸收通信电源内部过电压，将其控制在安全电压范围内。

3 通信电源关键技术的应用

3.1 APFC 技术的应用

在通信电源系统交流输入侧，应用有源功率因数校正技术，可以抑制谐波，避免传输损耗或线路过载，为电网安全、稳定、高效运行提供保障。有源功率因数校正技术通常可以将通信电源总谐波含量抑制在5%以内，使通信电源功率因数不低于0.9。

以单相有源功率因数校正技术应用为例，其运行模式包括应用射随器的电流非连续工作方式和应用乘法器的电流连续工作方式，根据通信电源输出功率差异可以选择不同的运行方式。

对于输出功率低于700 W 的通信电源，选择应用射随器的电流非连续工作方式。射随器本质上是共集电极放大器，其电路具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。在电压增益接近1，并且输入信号与输出信号同相的情况下，输入信号和输出信号大小相差较小，可以隔离阻抗变换。根据射随器的特点，可以将其放入通信电源输出电路，从而弥补器件输出电流小与负载携带能力不足的问题，控制后级电路对前级电路的不利影响，匹配电路负载携带能力与前级阻抗、后级阻抗[4]。

对于输出功率超出700 W 的通信电源，选择应用乘法器的电流连续工作方式，应用乘法器的电流连续工作流程如图1 所示。

图1 应用乘法器的电流连续工作流程

3.2 热插拔式高频逆变并联UPS 电源技术应用

热插拔式高频逆变并联UPS 电源技术的电压控制逆变单元负责提供输入所需的电压，电流控制型逆变单元根据电压控制型逆变单元的输出电压波形输出负载所需的交流电流。交流电流输出期间，全部逆变器自动均流，并且并联逆变器不干扰整个并联系统的谐振频率和输出电压波形，确保谐波环流处于较低水平[5]。热插拔式高频逆变并联UPS 电源技术的核心部件是高频开关整流器，其直接关乎电源稳定性。与传统电力通信电源系统模块相比，高频UPS 电源技术利用高频开关整流器代替可控硅相控整流器，兼具高功率和高频化特征，可以在提高电力通信电源运行效率的同时降低后期电力供给故障率。

热插拔式高频逆变并联UPS 电源技术的应用过程中，为规避因多台逆变器开关管开关模式存在差异而引发直流电源短路问题，在并联状态且逆变器直流电压保持一致的情况下，将各逆变模块单元的1 个滤波电抗器划分为2 个滤波电抗器，以对称方式连接。在对称连接情况下，根据热插拔式高频逆变并联UPS电源各模块输出功率无差向电压无差发展的要求，以平均功率为参考值，经控制器调节电压的频率和幅值，实现2 个功率控制环在原有电压瞬时值内环和有效值外环的叠加。此外，自动检测逆变器工作台数的同时，快速计算平均功率，以便在系统突增（或减少）通信设备时实现热插拔。对于突然卸除负载扰动逆变器并联系统的情况，依据电压电流双闭环控制下的瞬时均流控制思维，将系统工作状态切换至滑模控制，实现2 台逆变器均分负载，促使逆变器环流快速下降，再将并联系统的工作模式转换至比例、积分、微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制，将环流控制到0，期间输出公共母线的输出电压保持不变，从而获得良好稳态精度。

3.3 防雷技术应用

防雷技术应用过程中，根据国家规定的通信电源防雷保护3 级保护制度，可以选择不同额定同流容量的避雷器。

对于通信电源的1 级防雷保护，需要依据泄放电流25 kA 的标准，选择适宜避雷器，避免雷电流进入架空线路对通信设备造成损坏。

对于通信电源的2 级防雷保护，需要依据泄放电流20 kA 的标准，将三相电源防雷器安装到通信电源柜，吸收配电前端的高压脉冲，避免雷击对通信电源造成损坏。同时，定期检测电源防雷器的工作状态，并立即更换元件损坏的防雷器，确保防雷技术正常应用。

对于通信电源的3 级防雷保护，需要依据泄放电流10 kA 的标准，将直流防雷器安装到直流通信电源配电柜，吸收通信电源过电压与电磁脉冲，将传导雷电流控制在允许范围内。

此外，在通信电源连接电子设备情况下，选择截面积超出25 mm2且长度尽可能短的线路进行设备接地，尽快释放电路因雷击感应而产生的大量脉冲能量，避免设备端口电位差过高对设备安全造成影响。

4 通信电源关键技术的发展方向

4.1 高度可靠性

在信息化时代，要求通信电源供电的电力设备数量不断攀升，对电力资源供应的要求更加多样，通信电源故障的不确定性停电会直接危害电力设备，传统通信电源故障所采取的全面停电、高频率、长周期等检修方式不利于通信电源的推广运用[6]。未来，通信电源关键技术的可靠性将进一步提高，且具备快速诊断、分析、报告事故原因以及恢复电力资源供应的能力。例如，当前单机模式的通信电源平均无故障时间为100 000 h，现场平均维护时间在2 h 左右，而未来通信电源现场维护时间接近0 h，满足电源可靠性要求。

4.2 智能化

现有的通信电源关键技术采用半自动化应用模式，关键技术支撑的交流系统和直流系统采用人工维护方式，不利于长期维护管理，且技术应用成本较高。未来，通信电源关键技术将朝着智能化方向发展，引入智能监控器，全面实时监控通信电源，并自动将监控信息上传到信息共享平台上，全程支持IEC 61850通信规约。同时，建立专家智能管理系统，将专家智能管理与固定数据库和实时数据库融合，在线输出通信供电方案，降低供电成本。

4.3 集中化

目前，通信电源在电力系统中受到高度关注，通信电源设备控制水平得到了一定的提升。但是，针对通信电源关键技术的研究相对滞后，传统通信电源关键技术分散设计问题突出，通信电源对应的直流电源系统、交流电源系统、UPS 系统采取分散设计，独立组屏，无法实现系统管理，也无法适应新型通信发展需要，甚至威胁电源系统可靠性。未来，通信电源关键技术将朝着集中化和系统化方向发展，依托通信用电源统一平台，整合交流电源和直流电源，统一监控、设计、生产、调试以及服务，实现通信电源一体化。