一種通信基站電源設備智能防護系統的設計與實現

摘 要：文章通過對戶外基站的電源設備損毀的現場勘測和測試實驗，提出了保障戶外電源設備安全運行智能防護方法：500-3000V雷擊感應電壓和地電位反擊電壓自動監測與攔截技術；通信基站設備工作狀態自動獲取、智能處理、多網傳輸以及自動反饋修正技術；通信基站交流電源與備用電源之間的帶負荷可靠切換技術，并通過大量的應用驗證了本設計的合理性。

關鍵詞：雷擊感應電壓；通信基站；電源設備

引言

各種各樣的通信網絡已完全覆蓋了世界的每一個角落，通信基站的安全運行是各個運營商關注的焦點。但是，由于歷史原因、運營商的運營機制以及技術力量的多方面限制，確保通信基站安全運行所付出的代價是慘重的。我國三大運營商中，每一個運營商在一個省（直轄市）內的基站數量大致在數千（5000到10000）個左右。這些通信基站大部分分布在偏遠的地帶，基本處于無人值守的狀態。所處的地理環境、氣候環境、人文環境以及電力環境極其復雜甚至是惡劣。所以保證其安全運行是每一個運營商頭疼的問題。據不完全統計，通信基站的安全運行維護費用占據了運營商運營費用的50%以上。近幾年，隨著通信基站數量的不斷增加，其運行維護費用還在節節攀高。通信基站一旦建成，其工作壽命會長達20年甚至更久。因此通信基站的安全運行自其建成之期就一直存在，且隨著工作年限越久，所需要的維護成本就越高。有關通信基站設備安全運行的理論研究可以說充斥通信學術領域，各研究機構分別提出了各種理論完善的解決方案和實現模型。但對于工程實際中的故障原因還沒完全了解，因此諸多理論方案雖然完美，但基本上是束之高閣，沒有被用于工程實際之中。

1 安全防護關鍵問題分析

1.1 雷擊電壓防護分析

根據我國現有通信基站設備防雷規范（GB50343、YD5068-98規范標準），通信基站內所有設備的防雷措施針對的防雷感應電壓區起始間是3000V以上。對于3000V以下至500V的這一雷擊感應電壓區間，通信基站內的所有設備幾乎都沒有任何防護措施。而恰恰就是在這一區間所發生的通信基站設備毀損情況，占了通信基站設備故障量的70%以上。這也就是說，當前通信基站設備的毀損情況大都是在防雷系統安好的條件下發生的現象。

目前通信基站的防雷措施幾乎全部是針對直擊雷設計的。如避雷針，浪涌保護器等。對于二次雷擊基本上沒有有效的防護措施。而實際工程中，本項目發現，造成通信基站設備雷擊災害的主要原因恰恰是二次雷擊的感應效應所引起的超限電壓。

相鄰兩通信基站之間因接地電阻的不同引起的地電位反擊是造成通信基站設備故障的關鍵原因之一。從理論上講，要徹底解決這個問題的辦法是將相鄰通信基站的接地網實行等電位連接。但是，由于歷史的原因，同一處地點、院落，往往是幾家通信運營商的基站和鐵塔共存。這涉及到多個運營商之間的利益協調，因此無法順暢實現這一方案。

1.2 電網異常情況分析

農村電網的復雜多變的惡劣情況是通信基站設備故障發生的關鍵原因之一。農村電網復雜多變主要表現為：電壓異常波動；斷相；動力線中的中性線斷路。原因是：

其一、農村電網普遍存在著線路老化，線損大、電壓不穩定、管理不完善等突出問題。用電高峰期間，供電部門為了彌補線路老化和線損大等問題，往往采用提高供電周率和電壓的方式加大供電能力，這樣就形成了在供電的近段電壓持續維持增高的情況。如遇用電突然下降，供電部門往往來不及調整，便造成供電電壓的猛升，有時甚至高達20%-30%。

其二、用電高峰期，農電供應部門為了保證某一處的電力供應，往往采用斷掉一相、甚至兩相線路的方式。由于通信基站電源設備大多采用三相交流。單個電源模塊的用電基本單相220V交流，電源設備正常工作時，電源模塊的使用排列為由A＼B＼C＼的三相交流線路的平均分擔。例如某一基站的直流供電電流為60A，使用額定30A的電源模塊三個，每個模塊平均分擔的電流約20A左右，余量超過30%，足以應付一般的停電后在開機充電的情況。但是在一相斷路的情況下，三個模塊就剩下兩個，這兩個模塊的供電電流就由原來的20A，變成30A，達到模塊電流的使用極限。實際上由于受使用年限和多次維修的影響，有相當多的電源模塊的技術性能早已大幅下降，不足以維持正常的使用，這時如果發生停電再啟動的情況，兩個模塊所承擔的實際負載電流將會大幅度增大，在這種情況下電源模塊的損壞就再所難免了。如果此刻有兩相線路斷相，三塊模塊的60A電流，將全部由一塊模塊承擔，這種情況下的電源模塊必定要燒壞。

其三、三相動力線中的中性線斷路的情況會更加糟糕，它會使原來加在各模塊間的220V的相電壓，突然大幅度升高（特定情況下最高可升至380V左右）。而中性線斷相的情況在農村電網的發生概率始終居高不下。表1記錄了石家莊某通信基站所用農村電網電壓異常波動和電網斷相情況。

目前通信基站的開關電源系統均有設計有過壓、過流、欠壓保護功能。然而這些保護功能僅僅是在輸入電壓發生情況時，例如發生二次感應雷擊效應、過壓、欠壓、等危害情況，開關電源系統停止對基站二次供電設備48V的直流輸出（此時通信基站主設備的供電自動轉為備用蓄電池供電）。輸入到開關電源系統的危害輸入電壓并沒有得到有效消除，因此仍處基站的開關電源于上電工作狀態，這樣的情況下基站開關電源系統本身被擊毀可能性非常大。

通信基站開關電源系統故障發生示意圖如圖1所示。

1.3 備用電源防護分析

當前絕大多數通信基站的交流供電系統均采用常開型動合式接觸器或空氣開關進行動力電源的斷合控制，當通信電源因異常輸入電壓執行保護后，通信設備的供電轉為蓄電池供電。一旦蓄電池能量耗盡，常開型動合式接觸器或空氣開關斷開。此時，即使是交流供電恢復正常，也無法為后面的通信主設備提供48V直流電源。必須需要人工現場干預。這必然使通信基站停滯正常工作的時間延長，嚴重影響通信服務質量。

當基站遭遇頻繁停電、長時間斷電或其他異常原因所導致的通信基站交流電源系統停止直流48V輸出后，對基站設備的供電實際上已經轉入備用電池組供電。由于基站至今尚不能根據供電狀況的變化，對正在運行的設備進行功耗及負荷調整?；緝韧ㄐ旁O備在正常下的高耗電狀況并未得到相應的改變。由此不僅不能維持較長時間的電池供電，還極易造成蓄電池長時間的過量放電，加速蓄電池的損壞。

綜上所述，文章通過大量的資料檢索和對三大運營商部分通信基站的多年勘測、實驗以及技術改造后總結出以下幾點：

（1）通信基站中的BTS主設備系統、傳輸系統、天饋線系統等設施的軟、硬件故障的發生概率要比基站內的開關電源系統小得多，這主要是由于這些設備所采取的供電來自基站開關電源系統輸出的二次直流48V供電。自身的運行狀態和外界輸入的交流動力電源完全是隔離的。因此雷擊、異常電壓波動、斷相等現象，都不會直接影響到這些設備的正常工作。通信基站設備中，最容易發生安全故障的系統是其開關電源系統。

（2）通信基站設備主要的故障原因之一是由于雷擊強感應電壓引起，特別是二次雷擊感應電壓引起。

（3）原因之二是由于農村電網復雜多變的情況導致，如農村電網電壓隨機異常波動、農村電網斷相。

（4）原因之三是各運營商通信基站之間的相互作用導致。主要是地電位反擊引起的通信基站設備故障。

2 智能防護系統設計

2.1 系統原理

針對上述幾點總結，文章提出的解決方案是：以通信基站交流電源系統安全運行為核心，以輸入電壓異常波動為觸發信號，主動攔截因二次雷擊、地電位反擊以及交流電壓波動或斷相給通信基站主設備可能帶來的損毀。通過動環監控網絡（上行鏈路）與通信設備監控網絡（0時隙）實現遠程管理和自動控制。文章提出的解決方案以及與原通信基站系統、網管中心之間的關系如圖2所示。由圖2可知，文章的解決方案包括兩部分：基站端和監控端。核心部分是基站端。

基站端系統完成對通信基站設備安全運行的防護工作。其中：（1）主控系統完成基站端整體系統的統一控制，接收來自其他子系統傳遞的數據信息，執行動合式斷導器的斷開與閉合。當系統交流輸入電壓因某種原因（二次雷擊感應電壓、地電位反擊、電網異常波動、斷相等）發生異常且超過安全閾值時，主系統將切斷其380V交流輸出，通信設備的供電轉為蓄電池供電。從而實現對通信基站設備的安全防護。（2）欠壓斷相檢測系統實現：交流輸入電壓的欠壓分析；交流輸入電網的斷相分析；交流輸入電網中性線斷開分析。（3）數據智能處理系統的主要功能是：分析決斷哪些系統狀態、參數數據需要傳遞到網管中心；記錄每次異常發生的情況，并對歷史數據進行分析，得出所處通信基站異常情況發生的潛在規律，便于通信基站維護部門能根據規律更好的主動的開展維護工作；根據異常具體情況，彈性式設置對通信基站設備實行保護的持續時間長短。（4）電壓超限檢測系統實現對交流輸入電壓超限異常的檢測分析。觀察電壓超限持續時間和超限幅度，從而判斷引起超限的原因，并將檢測分析結果傳給數據智能處理系統。（5）保護定時系統的功能是一個定時器。本系統對于定時器的定時精度要求很低，精度能在1分鐘左右即可。但對于定時器的可靠性要求很高，因此定時控制電路采用3級鎖扣式結連方式，即使一級定時電路偶然失效，還會有兩級控制最終將電路恢復。（6）網絡接口系統負責本系統基站端和監控端的數據傳輸。

本系統監控端的主要功能如下：（1）接收來自基站端傳輸過來的狀態數據，并存儲。（2）下傳指令修正通信基站設備的耗電負荷參數。（3）對本系統基站端實現開關機。（4）向網管中心上報異常信息。

有關解決方案說明以下幾點：（1）本系統基站端是與通信基站空調系統呈并聯關系。也就是說通信基站空調系統并不在保護范圍之內。主要原因是：a.空調系統若在本系統的保護范圍之內，當處于保護狀態時，空調系統也將停止工作，若保護時間過長，將導致基站機房溫濕度超出規定范圍，可能導致或加速通信設備的損壞；b.通信基站空調系統交流輸入直接取自配電盤，只要架空電力線在進入機房之前的外部防雷設計規范，那么空調系統遭受雷擊感應電壓的襲擊概率是很小的；c.空調系統在啟動時瞬間負載過大，對本系統自身安全不利。（2）本項目解決方案的基站端系統由蓄電池組供電。為了減小對蓄電池的影響，本系統的工作耗能和靜態耗能都要較低方可。（3）基站端的主控系統在保護狀態結束時，會通過閉合動合式斷導器恢復對通信設備的交流供電。如果在保護狀態結束之前，蓄電池能量耗盡，此時本系統基站端失去工作電壓。但由于我們采用常閉式動合斷導器控制方式，當本系統基站端失去工作電壓時，常閉式動合斷導器自動閉合，無須人工干預。（4）本系統基站端通過動環監控網絡實現與監控端系統連接，通過通信設備監控信道（0時隙）實現對通信設備耗電負荷參數的自動修正。（5）基站端系統由于處于強干擾環境下，因此從設計上必須采用高冗余電路指標設計，所有關鍵技術標準和元器件性能標準，在正常額定標準的基礎上再提高一到兩個數量級，確保穩定性和可靠性。

2.2 硬件系統

主控系統完成基站端整體系統的統一控制，接收來自其他子系統傳遞的數據信息，執行動合式斷導器的斷開與閉合。當系統交流輸入電壓因某種原因（二次雷擊感應電壓、地電位反擊、電網異常波動、斷相等）發生異常且超過安全閾值時，主系統將切斷其380V交流輸出，通信設備的供電轉為蓄電池供電。從而實現對通信基站設備的安全防護。

主控系統的基本功能框圖以及與其他子系統的關系如圖3所示。

數據智能處理系統的主要功能是：分析決斷哪些系統狀態、參數數據需要傳遞到網管中心；記錄每次異常發生的情況，并對歷史數據進行分析，得出所處通信基站異常情況發生的潛在規律，便于通信基站維護部門能根據規律更好的主動的開展維護工作；根據異常具體情況，彈性式設置對通信基站設備實行保護的持續時間長短。其基本功能框圖如圖4所示。

由圖4可以看出，數據智能處理系統以數據庫為核心，由規律學習模塊實現對數據的智能分析，找出本基站故障發生的規律。數據更新模塊實現數據的添加、查尋、刪減等基本操作。狀態設置模塊完成對保護定時的彈性設置。數據選擇模塊完成選擇性上傳數據的功能。

保護定時系統的功能是一個定時器。本系統對于定時器的定時精度要求很低，精度能在1分鐘左右即可。但對于定時器的可靠性要求很高，因此定時控制電路采用三級鎖扣式結連方式，即使一級定時電路偶然失效，還會有兩級控制最終將電路恢復。

2.3 軟件系統

軟件系統分為兩大部分：一是基站端固化在嵌入式設備里的軟件系統；二是運行于網絡監控中心監控終端電腦上的監控軟件。下面分這兩部分分別敘述其大致的構架。

基站端系統有兩種狀態：工作狀態和待機狀態。在待機狀態下，除主控系統的部分電路和網絡接口子系統在工作以外，其余所有電路均沒有工作。動合式斷導器處于常閉狀態，交流電源直接進入到通信基站交流電源系統。在待機狀態下，主控系統還負責接收來自網絡中心的開機命令。一旦接收到網絡或來自開關按鈕的開機命令，系統則從待機狀態轉入工作狀態。工作狀態下所有子系統均在工作。此時各個子系統的工作流程如圖6所示。數據智能處理子系統負責對各種狀態信息、異常信息進行分析、存儲和判斷。其工作的主要流程如下（圖6）。

本系統監控端是運行于網絡中心監控終端電腦上的網絡然間，該軟件與原有的動力環境監控軟件配合使用。主要完成以下幾個功能：接收來自基站端的異常信息和狀態信息；重要異常產生報警和進一步上報；數據存儲和界面顯示；通過動環監控網絡給本系統基站端發送開關機指令；通過通信設備監控信道（0時隙）給通信設備發送負荷修正指令。

3 結束語

文章設計了一種通信基站電源設備的智能防護系統，文中對基站電源設備產生故障的原因進行了分析，并提出了系統解決方案。該系統在通信基站和電力系統的電源防護系統中具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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