6第六章分散供电Word格式.docx
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所谓分散供电方式,主要是指将直流供电系统进行分散,使用同一种电压的通信设备采用两个及以上的独立供电系统,并靠近通信设备安装。
英国是较早实施分散供电的国家,1982年首次将高频开关整流器与阀控式密封铅酸蓄电池同装在一个机架内组合成电源系统,以分散方式向交换机供电。
两年后,分散供电系统在公用通信网正式启用,并逐渐取代集中供电系统。
国内的移动通信基站和一些大容量的市话局、综合楼也已开始采用分散供电,供电系统不断完善。
但是分散供电的分散程度较低,即直流电源设备距通信设备仍较远,与世界发达国家采用的分散供电相比还有一定的差距,因而分散供电的优越性未能充分发挥。
2分散供电的优越性
用户对信息网的可靠性要求愈来愈高,为了避免因供电系统故障导致大面积通信中断的后果,积极推进分散供电的实施是很有必要的。
分散供电方式与集中供电方式相比,具有无可比拟的优越性,详述如下。
2.1设计
对于集中供电方式,设计阶段要考虑很多方面,复杂度较高。
不但要考虑当前的需求,还要考虑今后的发展、预期的负荷。
电力电池室需要单独设置空调。
另外,还要考虑设备短路时的应急措施,因瞬态电流巨大,需用高阻配电来限制故障电流。
为保持蓄电池放电接近终止时能维持最低负载电压,还需采用多级配电或升压装置,蓄电池容量的估算也要考虑诸多因素。
对于分散供电方式,仅需按初装容量设计,电源设备与通信设备同时计划与安装,不需为预计的负载而先期增加,从而简化设计。
在这种电源系统中,各电源设备仅对指定的负载配电,所以针对该负载的需要能更加合理地设置电源设备。
电源设备与通信设备同机房,利用了原交换机室的空调。
由于电源设备效率较高,发热量并不大,并没导致原有空调设备增容。
每个供电子系统的电流相对减小,不需额外设计高阻配电。
由于针对性强,蓄电池的容量与负荷及备用时间的关系比较明了,设计值易于准确。
2.2场地
对于集中供电方式,整流器、蓄电池各设专门房间,蓄电池要求防酸防爆,安装集中、占地面积大。
对于分散供电方式,整流器、蓄电池与通信设备可同室安装,无特殊要求,节省占用机房面积可达70%左右,安装分散、灵活、占地面积小,但增加了机房面积的承重。
2.3馈线
对于集中供电方式,由于基础电源设备置于大楼底层的电力室或电池室内,而各类通信设备机房设于各层楼上,电源设备必须用很长且截面积很大的馈电线向远距离负载供电,配电电缆和机械结构附件等材料费用高,墙及天花板打洞、架设电缆及安装配件等安装成本也较大。
对于分散供电方式,电源设备和通信设备可在同一房间安装,电源设备尽可能接近通信设备,可采用较短而线径又较小的电缆将其连接,由于导线距离缩短,不但节约了材料,安装也比较容易。
2.4扩容
对于集中供电方式,扩容比较困难,电力室面积不够、走线通道不够往往是扩容的障碍。
对于分散供电方式,电源设备和通信设备同室安装,电源设备与通信设备的扩容在同一机房内可同时进行,扩容方便,适应通信业务不断增长的需要。
2.5输电损耗
对于集中供电方式,电源线很长,所以输电损耗大,系统效率低。
另外,由于线路电感和耦合电容的存在,电源线易引入干扰。
从电力室至通信设备在大容量直流电源系统中,过长的馈电回路上增加的电感量会影响电源及电路的稳定性,降低供电质量。
大多数局(站)采用无绝缘层的汇流排平行铺设馈电线,很容易造成雷击短路或人为事故短路,甚至发生火灾。
对于分散供电方式,电源线的压降小,损耗低。
2.6使用性能
对于集中供电方式,多种通信设备混装。
程控数字交换设备允许电压变化范围较窄,大多数在-41.7V~-58V之间,而数字微波和有线传输设备电压允许范围也很窄,但各种设备电压允许范围并不一致。
集中供电时,多种设备机架电源输入端允许的电压范围都统一到某一个折中权衡后的数值,对每一种设备可能都并非是最佳值,因此降低了机架电源上功率器件耐热和耐压性能。
在整流器输入端,雷击、静电放电、快速瞬变电脉冲群及电压跌落或中断等所产生的电磁尖脉冲信号或晶闸管整流器的移相触发脉冲等,不仅影响整流器自身的运行,而且会以电磁场传导方式破坏各种通信设备的机架电源,乃至功能元器件。
对于分散供电方式,每个供电子系统的针对性强,可避免上述缺陷。
2.7运行环境
对于集中供电方式,基础电源设备单独置于电力室或电池室内。
由于当前对电源系统建设还存在一定误区,往往忽视其重要性。
虽然各产品标准中均明确规定了最佳的工作温湿度范围,而且从产品的特性而言,恶劣的工作环境会降低电源设备(尤其是蓄电池)的性能和寿命,但在压缩投资时,电源系统往往首当其冲,电力室或电池室不安装空调的现象屡见不鲜,致使电源设备的运行环境恶劣、不达标。
对于分散供电方式,交换机室安装恒温恒湿空调,大大改善了电源设备的运行环境,延长了使用寿命。
2.8维护
对于集中供电方式,便于统一维护和管理,但需要24小时值班维护,工作量大。
对于分散供电方式,实现无人值守、集中监控使维护十分方便。
2.9故障影响
对于集中供电方式,当部分设备发生故障时,将影响所有使用这一种电压的通信设备的正常工作,易造成通信全局性瘫痪,社会效益和经济效益受到严重影响。
对于分散供电方式,当某一个供电系统故障时,不会造成整个通信系统的瘫痪,只会使被供电的通信设备中断运行,影响面小。
2.10故障排除
对于集中供电方式,需要由维护人员根据故障现象进行分析排除,经常带电操作,危险高、效率低。
对于分散供电方式,整流器模块多是热插拔式,方便更换,维修简易安全快速。
2.11可靠性
可靠性的定量指标是可靠度,它与故障率及可用度或不可用度因素有关,研究表明:
市话端局电源系统的不可用度指标与电源系统故障所产生的社会影响有关,大电源系统故障产生的社会影响大,小电源系统故障所产生的社会影响小;
交换机可靠性取决于社会影响L(X)和交换机规模X(爱尔兰),其关系为L(X)=CX15(C为常数),规模越大,占线小时通信业务越大,L(X)越大。
参照上述公式,若将X供电系统计为N个,则分散供电系统使社会影响减少到1/N。
若电源系统分为多个小系统并联互为冗余,只有在各个小系统全部发生故障时系统才会瘫痪,这说明采用分散供电系统的可靠性显著提高了。
2.12经济效益
对于分散供电方式,设计简化降低了投资,场地占用面积小减少了基建成本,材料节省、安装容易也可降低成本,损耗减少节约了电费,性能优良提高了性价比,运行环境良好延长了使用寿命,减少了产品更新换代的频次,运行维护、检修的花销减少,可靠性高、故障影响面小使经济损失大大减少。
从上面的分析可以得出,分散供电系统的综合投资少,经济效益显著。
3分散供电的可行性
3.1技术和设备的基础
80年代以来,程控交换机及数字传输设备在公用通信网的广泛应用极大地降低了通信设备的功耗和机房占用面积,高速发展的数字通信为分散供电奠定了基础。
采用高频开关技术的整流设备,具有体积小,重量轻,模块化结构,扩容方便,并且效率高、功率因数高,允许输入交流电压变动幅度大,稳压精度高、噪声低等优点,已经取代相控电源在通信电源系统中得到广泛的应用。
新型高性能器件的不断研发与应用,促使电源的开关频率越来越高,目前电源的开关频率高达300kHz~400kHz,而小功率电源已实现几兆赫兹的开关频率;
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、新型磁材料和变压器等新技术的应用也使电源效率大大提升;
软开关技术、准谐振技术等减少了过去硬开关模式下、开关过程中电压上升/下降和电流上升/下降波形交叠产生的损耗和噪声,实现了零电压/零电流开关,降低损耗,提高电源系统的稳定性和效率。
这些技术的应用都提高了电源功率密度,使电源产品向小型化、轻量化发展,使电源产品和通信设备同室安装成为可能。
阀控式密封铅酸蓄电池体积小、内阻小、比能量大、污染少,产品一致性和均一性好,使用维护简便,可卧置叠放,可与通信设备同置一室,逐渐取代防酸隔爆型蓄电池。
后备交流发电机组,随着技术的进步,目前均采用具有自动投入、自动撤出、自动补给性能的智能化设备,取代了老式油机,交直流配电屏也实现了控制智能化。
3.2维护管理方式的变革
分散供电系统中,由于电源设备分散,增加了维护和管理的难度,如果还采取以往人工控制的方式是不可想象的。
减员增效是社会发展的必然趋势,现代化的通信网要求供电系统、机房空调和环境实现计算机集中监控管理,随着技术的进步和设备的不断完善,通信电源供电系统已从有人值守、少人值守发展到无人值守。
真正实现供电系统的无人值守,关键不是加多遥控、遥信、遥测点,而是要提高设备的可靠性,既要把主要运行状态传递给网管中心,又要保持相对的独立性,确保各种告警点,特别是直流供电系统告警点的可靠、正确无误。
数字化技术使电源的自我监控能力普遍增强,可以实时地监控设备本身的各种运行参数和状态、预警功能和故障诊断功能,有效地实现了通信动力设备的无人值守与远程监控,维护人员可远程观察电源设备的运行参数和状态,当出现故障时,可将故障信息及时上报,并可利用电话、传真、寻呼等通信手段通知值班人员,加快故障排除的效率。
采用全数字化控制技术,将能有效地缩小电源体积、降低成本,并且大大提高设备的可靠性和对用户的适应性。
而且,通过网络可以随时监控电源设备运行状态和各项技术参数,具有各种保护、告警和数据信息存储、处理、打印等功能,能根据不同的情况实现资源的灵活配置、统一管理,从而保证电信系统的可靠运行,使因电源系统故障对通信的影响降低到最小。
完善集中监控管理系统,突出可用性,充分发挥技术优势,是对分散供电系统中提升维护工作水平的有力保证。
4分散供电的实施
4.1分散供电的种类
4.1.1集中分散式
电源设备进入主机房后,相对集中或在主机房周围设立电力、电池室,向本机房或本层的主机设备供电。
每个供电系统,供给2万门左右的程控交换设备。
交换机所有机架由一个大容量电源系统集中供电。
这个方案的实施仅涉及到电源设备设计,实现起来也比较容易。
但是,由于各交换局的容量不等,电源系统设备容量不易确定。
此外,这种相对集中的电源系统容量大,设备体积大,重量重,对机房地面荷载要求高。
特别是蓄电池,安装在现有交换机房内是不可能的。
瑞典爱立信公司于1987年就生产出BZA204和BZA205高频开关整流器,组成新的电源系统与AXE交换机同室安装,但在机房内仍采用集中式。
4.1.2半分散式
把电源系统分成多个小的、独立的电源系统,每个独立电源系统向部分设备供电。
每个电源系统共地。
每个电源系统均是完整的,有整流器、蓄电池和配电设备,并且有合理的备份。
将交换机所需电源分成若干独立的小容量电源系统,每个小容量电源系统为交换机的一部分机架(例如一列或几列)供电。
采用这个方案,电源设备将会散布在整个机房,这对减轻机房地面荷载是有利的。
每个独立电源系统的整流器、蓄电池、配电设备等都需具有冗余,但是,由于电源系统容量较小,电源设备的配置和机房的利用都比较灵活。
这个方案不需要改变交换机机架原来的设计,因此,比较容易实现。
英国1982年开始生产PSZ620型高频开关电源,把它与交换机同室安装,采用分散供电;
日本NEC公司自1989年起,高频开关整流器、配电设备和阀控式密封铅酸蓄电池已安装在主机房内,采用分散供电。
4.1.3全分散式
将电源设备分散到每个机架,即交流直接进入机架,经过小的AC-DC变换将交流电压变换成设备所需的工作电压。
这种方案采用许多小容量的AC/DC整流单元,分别装在各个交换机机架。
这些AC/DC整流单元将市电交流电源整流为交换机需要的各种直流电压。
这对提高电源系统总效率是有利的。
这种方案的分散程度最高,直流电源距负载最近;
直流配电损耗最小;
每个机架内的电源故障仅影响本机架的供电,因此系统可靠性较高。
但是,每个AC/DC整流单元必须有冗余单元,还必须配置许多小容量蓄电池,由于小容量蓄电池每Ah的价格比大容量蓄电池高,电源系统总的成本较高。
此外,由于交流电源直接进入交换机机架,必然会出现干扰问题。
因此交换机机架设计需要重新考虑,这个方案涉及面广,实现难度大。
4.2分散供电的实施
以上三种分散供电方式的分散程度依次递增,各有优缺点。
分散程度的确定应结合我国的实行情况,根据需要与可能,从必要性与经济性等方面综合考虑。
从近期的实际情况出发,考虑到我们的维护、管理体制,以及设备情况宜采用集中分散方式,即在主机房周围设立电力、电池室,或电源设备进入机房后相对集中,按约2万门程控设备设立一个独立的电源系统。
这种选择理由如下:
1)上海贝尔公司等大家的程控交换机、公用设备一般以2万门为一个独立系统。
2)目前在国内交流供电的可用度较低,蓄电池容量一般选择单独供电1小时以上的情况下,宜采用2万门程控交换机设立一个独立的供电系统。
3)在主机房周围设立电力、电池室,向同一层的约2万门程控交换机供电的分散集中方式,便于统一维护和管理,无需进行重大体制改革,比较适合我国国情和习惯,近期宜首先选用。
4)便于解决蓄电池酸雾的逸出对主机设备的侵蚀和电源设备对通信主机的干扰等问题。
5)便于解决楼层的荷重问题。
近几年,通信电源设备经过更新换代,目前在用的绝大部分已经是新型产品,阀控铅酸电池取代传统防酸型铅酸电池,高频开关整流器取代相控整流器,具备分散供电的条件。
凡电话交换局容量超过5万门者,或者两个以上交换系统时,应采用两个以上独立的直流供电系统,所以扩容时,即使原电源系统设置的电力室或电池室面积很大,也应将电源设备组成新的小电源系统,安装到邻近通信设备的场所,单独对扩容通信设备供电。
1)通信设备容量小于10K线时,电源设备可以直接安装在通信机房内;
2)通信设备容量大于10K线而小于20K线时,直流电源设备可安装在与通信设备邻近电力电池室内;
3)通信设备容量大于50K线时,则直流供电系统应按楼层分设。
每个分设的直流供电系统采用小容量蓄电池组,以减轻对建筑物的行重,电源设备视情况可直接安装于通信机房,或者将蓄电池和其它直流电源设备一起装入邻近的电力电池室。
目前,国内交流供电的可用度仍然较低,蓄电池容量选择较大,一般能以电池供电1h为宜,在交流供电的可用度明显提高后,蓄电池单独供电减少至0.5h,可采用单独的电源架设置一个供电系统,再与通信设备同装一室,所以分散供电系统的分散程度,应因地制宜,灵活选择。
实施分散供电要牵涉到机房设计,电源设备选型,与通信设备布局的配合及管理维护等诸方面,应加强领导和协调。
4.3分散供电的实例
新的供电系统应包含四大部分:
交流供电系统、直流供电系统、地线系统、监控系统。
供电设计应考虑减少一次性投资,提高系统安全稳定系数,兼顾远期,避免重复设计及重复施工、运行费用低为原则。
下面以一个集中分散式的例子来说明分散供电的设计。
某电信大楼各楼层功能如下:
八层:
备用机房
七层:
话务中心机房
六层:
数据通信机房
五层:
计算机中心机房
四层:
网管及监控机房
三层:
传输及TS2机房
二层:
市话配线 交换机房(初期二万门,终局五万门)
一层:
进线室 电力室 蓄电池
根据通信设备近期、远期负荷(包括DC和AC负荷、大楼附属设备用电)并调查当地市电情况,确定为一类市电一路供电(10kV)。
图6-1为设计供电方式与远期负荷分布情况。
有几点注明:
1)各楼层照明用电由电力室供给,10kW/层,cos=0.6;
2)电梯用电以112KW/部,充气机以10kW/台计,由电力室供给;
3)各层微机UPS供电以AC负荷计算,0.3kW/台,大型以3kW/台计算;
4)柜式空调以5匹/台计算。
图6-1分散供电示例
图中在电力室设AC配电Ⅰ屏供整座大楼照明等附属用电;
设AC配电Ⅱ供三四五层电源设备用电;
设AC配电Ⅲ供六七八层电源设备用电;
设智能电源Ⅰ(即高频开关电源系统,包括交直流配电、整流模块及相应电池组)供二层交换机房用电,因交换机房所需负荷大,无论整流器或蓄电池都重,不宜设楼上就近供电;
在三层单独设一套智能电源Ⅱ供该层交直流用电;
因五层负荷不大,在四层设一套智能电源Ⅲ供给该层交直流负荷;
同样,在六层设一套智能电源Ⅳ供六七层用电;
八层暂不设,但以基站设备估其负荷,以便计算AC配电屏等设备容量。
另外,分散供电系统中还可遵循一些原则:
1)高频开关电源在整座大楼尽量统一型号。
单个系统模块故障后,各楼层可互相支持,无形中避免一次投资过多(备用可减少)。
并要求软起动性能良好,使AC配电系统开关分合闸安全性好(减少火花)。
另外,因整流模块可灵活增减,选择系统模块数目时只考虑近期负荷,扩容时,增加模块即可。
2)高频开关电源、计算机等通信设备都存在集成芯片,对供电极为敏感,所以在变压器低压侧加装低压避雷柜。
为节约电能,设计一台自动电容补偿柜。
负荷较大,应优选有灭弧能力设备。
3)布线考虑AC、DC分槽布设,由大楼预设线槽沿墙往上敷设,尽量减短供电线长度,节约投资及耗能。
电源监控信号线采用屏蔽多芯信号线,与DC线同槽,依设备接口定多寡。
如果大楼综合布线系统已考虑,则不再敷设。
4)大楼接地以联合接地方式保障。
由底层电力室地线盒敷一母线至顶层,作各楼层机架保护地、直流工作地、逻辑地,要求较高设备另行敷设独立接地线,但仍遵循共地不共接入点原则。
在变压器低压侧再设一组交流工作地兼防雷地(R≤4),如接入联合接地网,也遵循上述原则。
联合接地如为主楼钢结构躯体接地,要求地阻<0.5,如另行敷设,设计两组接地装置,每组R≤1,两组在地线盒中并接。
5)设备如使用24V等小容量直流负荷,可在各楼层设相应DC/DC变换设备供给,不另设基础电源。
6)为适应集中监控,所选设备皆要求有智能接口的设备,包括交直流配电屏。
集中监控系统选型要求数据采集有实时性、准确性特点,具有便捷直观的工作界面,完善的报表统计等后台管理系统,硬件要求有良好电气稳定性、抗干扰性能,终端软件版本先进,兼容性好,软硬件是未来发展方向。
建议使用有一定实力,良好售后服务的系统集成开发商。
5分散供电需要注意的问题
5.1集中监控
集中监控系统在分散供电方式中起着重要作用,但要根据实际情况适当建设。
在实施电源集中监控管理的过程中,一定要把与网管中心的通信放在重要位置,不宜搞得过于庞大、繁杂、臃肿,应注重实效,讲究实用,三遥点可设可不设的点,一定不要设置,决不是三遥点越多越好,投资过大不符合我国的国情,而且降低可靠性。
以网络运行为主体的中国通信企业,应将技术维护放在十分重要的位置,已经实现集中监控、集中维护的部分,其技术维护工作主要应是根据集中监控的运行记录,对数据、信息主动进行综合分析,发现异常要及时发出指令,让维护人员尽快排除潜在的故障,预防系统故障发生,确保安全供电。
5.2防雷
分散供电使雷害引入点增多,必须把防雷作为一个系统工程加以重视。
由于我国地域辽阔,地形异常复杂,通信电源设备每年都有许多地区不同程度地遭受雷害,造成供电系统故障,中断通信,特别是近年使用耐冲击能力低的固体器件、集成电路越来越多,受雷电影响的频次以及损坏程度均与日俱增,所以雷击保护和减少雷电干扰的影响已成为通信电源专业当前的一大难点。
5.3管理体制
实施分散供电要涉及到机房设计、电源设备选型、与主机设备配合以及维护管理等方面,是一次综合性的技术改革,不是一个电源专业能定夺的问题,应该有一个权威的协调单位,以便在技术上决策和行政上干预。
5.4可靠性
分散供电对电源设备(包括蓄电池)的可靠性要求很高,因此要修订设计规范、验收规程、维护规程等,提高维护人员技术水平。
提高供电系统品质是今后一段时间我国通信电源发展的方向,对电源设备的质量严格把关就显得异常重要。
5.5交流供电
在过去集中供电中强调直流供电的可靠性,而分散供电要求交流直接进机房,因此,只有确保交流供电,才能保证提高整个通信系统的可靠性,也才有可能减少蓄电池的容量。
另外,由于机房空调已成为保证通信畅通的重要手段,随着空调机的大量使用,要求交流供电具有更高的可用度。
由于通信设备计算机化,要求交流不间断供电的负荷越求越多,重要性愈来愈高,为了把因供电系统故障中断通信的影响降到最低限度,所以,当前UPS电源系统的技术维护工作也成为重点。
考虑到两次交流停电间隔时间的不可预见性,交流停电后要求有人值守,工区维修人员在8小时内携带机动式发电机组到现场维护。
蓄电池组的低电压预告警值可根据维修人员到达时间的长短来设置,并能自动发出可见可闻告警信号。
配电交流负荷的增多使导线敷设繁杂,对交流系统可用度有所影响。
5.6蓄电池
采用分散供电,由于蓄电池也安装在交换机室,一定要考虑交换机室的承载能力,必要时要进行加固。
由于考虑到楼层的荷载,要求电源设备体积小、重量轻,蓄电池容量和备用时间也受到限制。
半分散式蓄电池容量按0.1h~1h放电配置,若故障时间超出了蓄电池的备用时间,电源故障引起的影响仍有一定的范围。
5.7谐波
高频开关整流器作为交流电源负载之一,是非线性高频骚扰源。
由于市电电网容量大(内阻小)时谐波电流有吸收作用,所以受到的干扰比较小。
当自备发电机组供电时,因容量远比市电小,所以整流器的谐波电流注入到同步发电机定子绕组中,使交流输出电压严
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