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现代通信网的分布式供电设计

2018-07-12 07:21

  所谓分布式电源系统,是由若干小容量电源模块组成的一个大容量电源系统。它是利用新型电源理论和技术制成相对小的电源功率模块,组合成积木式、智能化的大功率电源系统。越来越多的电源系统采用模块并联技术,将多个开关电源模块灵活地并联组合成大功率分布式电源体系,是目前实现开关电源大功率化的主要途径。在分布式电源研究和发展领域,美国、德国、英国和日本等国家在技术上处于领先地位,它们的许多发电设备生产公司与电力公司联合,进行分布式电源技术的商业化实验。在欧洲,正在研究普及分布式电源的政策,而我国对分布式电源的研究尚处在起步阶段。

  如今,直流分布式电源系统正以其冗余度高、控制灵活等优点而被广泛应用于通信领域。文中提出一种基于微网技术的现代通信网分布式供电设计方案。

  通信网对电源的基本要求是能不间断地连续供电,因此其供电机制一般由AC—DC整流器、电池组和配电设备构成,标称值为-48 VDC或24 VDC的不间断供电系统,然后由DC—DC变换器将标称值为-48 VDC或24 VDC的电压变换成电路板所需的各种电压,如12 VDC和/或5 VDC。从通信网供电方式的发展历程来看,主要经历了3个阶段,即集中式供电、集散式供电和分布式供电。

  (1)集中式供电。用1个或1+1备份方式的大功率不间断供电系统提供整个通信网所需要的各种电压。此类供电方式已经基本淘汰。

  (2)集散式供电。先由大功率的不间断供电系统提供统一的-48 VDC或24 VDC,然后集中供给通信网。而在通信网中,设备机架的每个机框都有一个或多个中功率电源板(DC—DC变换器),将-48VDC或24 VDC的母线电压转换成一种或多种电压,供给本机框的电路板。

  (3)分布式供电。先由大功率的不间断供电系统提供统一的-48 VDC或24 VDC,然后集中给通信网供电。设备机架每块电路板上各有一个或几个小功率电源(DC—DC变换器),将-48 VDC或24 VDC的母线电压直接转换成电路板所需的电压。

  相对而言,集中式供电造价最低,但可靠性最差;分布式供电可靠性高、灵活性强、可扩展性好、通用性强,但造价较高;而集散式供电的性能和造价介于两者之间。目前,各大通信运营商所采用的固定电话系统、移动通信系统等,大都采用集散供电方式。为提高系统的可靠性,所用的电源板采取1+1备份方式,或N+1冗余备份方式。目前集散供电方式是性价比最高的一种供电方式。

  随着新一代数字芯片的出现,现代通信网中通信设备的工作电压不断降低。为提高芯片的运行速度、降低功耗,12 VDC及5 VDC的使用日趋减少,而3.3 VDC和2.5 VDC甚至1.8 VDC的使用则开始增加。因此,在低工作电压时,由DC电压供电的电阻所产生的压降明显增大。此时,采用分布式供电方式成为唯一的解决方法,因为DC—DC电源的分散度越高,工作电流越低,供电的压降也就越低,从而更适合低压应用。现代通信网越来越多地采用超大规模集成电路,目前主流的集散式供电方式已不能满足要求。理想的做法,是采用分布式供电,每块电路板都由一个独立的电源进行供电。

  (1)性能好、效率高。一方面,由于减少了低电压、大电流直流输出线路,线路损耗低,系统效率必然提高;另一方面,各负载所需的电源就地产生,负载与电源距离近,减少了线路阻抗对调整性能的影响,也减少了干扰信号对负载的影响,因而输出电压稳定性较好。另外,电源的模块化和标准化设计,提高了电源系统的稳定性和一致性。

  (2)可靠性高。一方面,分布式电源可作为备用电源为不间断供电的用户提供电能,提高了电网的可靠性,同时由于分布式电源的独立性,可以使其与电网断开,依靠分布式电源形成“孤岛”单独为用户供电;另一方面由于各部分电源相对独立,采用冗余技术或备用电池比较方便,局部电源功率较小,散热及安全保护措施也容易实现,部分电源出现故障不会影响系统的正常运行。

  (3)适应性强。由于将整个电源系统分散,各部分电源选择比较灵活,容易实现最佳配置。而且,同一设计方案,稍加修改可用于其他系统。特别的,如果在系统设计后期需要修改方案,也只是局部修改,不必重新设计整个系统,使系统重构容易,减少不必要的浪费。

  (4)电磁兼容性能优越。由于电源比较分散,抑制电磁干扰的方案容易实现。例如,大电流与小电流负载隔离,大电流波动不会影响小电流电源,并且可利用系统的控制功能,使几个功率较大的负载分时启动,减少系统大电流的冲击。

  (6)散热好。由于每个电源的功率较小,发热量较低,加上电源的发热量平均散布在系统的机箱内,散热比集中式供电更容易、效果更好,电源在低温工作中更加可靠;而且电源的分散度越高,电源一旦发生故障所影响的范围亦越小,系统也就越可靠。

  (7)整体费用低。分布式供电取消了电力室和电池室,使直流供电设备更接近通信负荷,不仅减小了直流输电的损耗,提高了系统的可靠性,同时使安装、运行和维护费用大大降低。

  (1)系统设计比较复杂。分布式系统需要多级变换,前后级之间电压和电流匹配,同一级各变换模块之间的均流等都要仔细核算。随着系统变换级的增多,电源系统运维和管理任务增大。

  (2)元器件等材料费用高。因为每个变换级都是一个完整的变换模块,电源系统的材料费用必然会提高。但是从系统整体来看,分布式电源比集中式电源便宜得多。从维修费用看,集中式电源比分布式电源要高。因为集中式电源发生故障时,整个电源都要更换,而分布式电源只要更换部分模块;集中式电源发生故障时,整个系统要停机,而分布式电源需要停机可能性较小。另外,集中式电源一般平均无故障时间(MTBF)为1 x 105h,而高密度模块电源一般为1×106 h。显然,集中式电源的维修费用较高。