智能高頻開關電源技術在通信電源領域中的應用探討

葉海軍

（神華準能大準鐵路通信段，內蒙古鄂爾多斯 010300）

智能高頻開關電源技術在通信電源領域中的應用探討

葉海軍

（神華準能大準鐵路通信段，內蒙古鄂爾多斯 010300）

隨著我國經濟的迅猛崛起，各種高新技術，高新設備層出不窮，通信業更是取得了突飛猛進的發展，通信電源也是如此。鐵路通信電源是鐵路通信系統當中不可缺少的組成部分，電源系統的好壞，效率的高低對于鐵路通信質量具有重要的影響。本文以開關電源系統的組成及特點，詳盡闡述了智能高頻開關電源在通信電源技術領域中的應用與維護工作。

通信電源 接地系統 開關電源 直流模塊

通信電源是整個通信網絡中尤為重要的一個組成部分，被稱為通信設備的“心臟”，一旦通信電源發生故障或中斷，將直接影響到通信的傳輸質量或將造成大面積通信中斷，所以電源的安全可靠與否將直接影響通信的傳輸效果。近年來，智能高頻開關電源廣泛應用在各通信局（站）的通信機械室中，供各通信設備電源之用。作為通信電源系統的主導電源。

1 通信電源系統的構成

通信電源系統由交流供電系統、直流供電系統、接地系統組成。

1.1 交流供電系統

交流電源是由市電電源（主用交流電源）、油機發電機電源（備用交流電源）、UPS備用交流電源組成。

1.2 直流供電系統

通信電源的直流供電系統由整流器、直流配電屏、蓄電池組、DC/DC變換器和設備電源架、列頭柜和相關的配電線路等組成。當市電電源中斷時，蓄電池單獨給通信設備供電，是直流供電系統供電不中斷的基礎條件。由于蓄電池組通常處于充足電狀態，所以當市電短時中斷時，可以由蓄電池對設備保持不間斷供電，當蓄電池放電電壓降到一定程度時，應該啟用備用油機發電機組替代市電作為電源系統的備用輸入交流電源。此時蓄電池又進入充電狀態（可能是均充電）。根據信息產業部頒布的《通信局（站）電源系統總技術要求》的規定，-48v和-24v為直流供電的基礎電源，其中-48v為首選直流基礎電源。特殊情況需要用-24v、-12v、-6v等電源時，一般用DC/DC變換器將-48v轉換為-24v、-12v等其他電源。

1.3 接地系統

（1）為保證通信系統的安全和信息數據的可靠傳輸，同時為了抑制電磁干擾，提高信息系統的電磁兼容，通信電源系統應可靠接地。包括交流零線復接地、機架保護接地、防雷接地、直流工作接地、機殼屏蔽接地。（2）通信電源的接地也接入聯合地線的接地方式。聯合地線的接地方式是將接地裝置用粗銅纜引入通信機房的聯合接地匯流排。防雷接地、直流工作接地和保護接地分別用銅芯電纜連接到聯合接地匯流排上。交流零線復接地也可以接入聯合接地匯流排入地，但對于諧波嚴重的供電系統，或三相嚴重不平衡的系統，交流復接地最好單獨埋設接地體，或從直流工作接地線以外的地方接入地網，以減小交流對直流的影響。

2 現有通信機械室設備對電源系統提出了更高的要求

2.1 供電安全可靠不間斷

通信電源系統的安全可靠不間斷是保障通信各類數據傳輸能夠正常運行的先決條件。為了確保安全可靠不間斷供電，由交流電源供電的通信設備都應當采用具備一定后備時間的UPS交流不間斷電源；由直流電源供電的通信設備則應當采用交流停電后蓄電池組能夠正常放電給通信設備的供電方式。為了提高直流供電系統的供電可靠性，采用多整流模塊冗余備份互為備用的工作方式。

2.2 輸出電壓波動小，不影響通信設備正常運行

各種通信設備都要求輸入電壓穩定，不能超出設備允許電壓波動范圍。電壓過高會損壞通信設備中的電路板，電壓過低易導致通信設備不能正常運行。對于直流供電電源來說，波動小還包括電源中的A/D轉換脈動要盡量平滑，不允許有電壓突變，否則會嚴重影響通信設備的正常工作。對于交流供電電源來說，波動小還包括電源頻率的穩定和良好的正弦波形，防止波形畸變和頻率的變化影響通信設備正常工作。

2.3 供電經濟性

通信電源的經濟性是指電源系統在滿足供電可靠性和供電質量的前提下，基建投資盡可能少，年運行費用盡可能低。隨著現有機房通信設備的逐漸增加，電源系統的負荷也在不斷加大，為了節省電能，提出了采用效率高的電源設備，以盡可能地節約能量，提高能源的利用率和經濟效益。

2.4 供電小型智能化

目前普遍采用的智能高頻開關電源設備，由于技術先進、體積小、重量輕、擴容方便，已經在大準鐵路通信機械室得到普遍應用。

3 通信用智能高頻開關電源的組成

通信用智能高頻開關電源，由交流配電單元、直流配電單元、監控單元和整流單元等組成的直流供電電源系統，它和其他電源技術的不同點關鍵技術在于其中的高頻開關整流器，在電源結構模塊化的今天，稱為高頻開關整流模塊。主要由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源等組成。

3.1 主電路

是市電輸入到直流輸出的全過程，是高頻開關整流模塊的核心部分，包括：市電輸入濾波電路、整流濾波、功率因數校正、逆變、輸出整流濾波。

3.2 控制電路

（1）經輸出端取樣，與原定標準進行比較，根據比較結果去控制逆變電路，改變其頻率和脈寬，達到輸出穩定的目的。（2）保護電路對測試電路提供的數據進行鑒別，鑒別結果反饋給控制電路進行整機各種保護措施。

3.3 檢測電路

提供各種面板顯示數據供維護人員記錄觀察維護。

3.4 輔助電源

給高頻開關整流模塊內部提供所有電路板工作所需的各種不同值不同類電源。

4 開關電源系統簡述

目前通信用高頻開關整流模塊，由交流配電、直流配電、整流單元和監控單元組成智能化的高頻開關電源系統。它包括若干整流模塊、交流配電單元、直流配電單元和監控模塊。

交流配電單元是將輸入的交流市電分配給多個整流模塊（一般用單相市電居多）。交流輸入采用三相五線制，即a、b、c三根相線和一根零線N、一根地線E。首先要接MOA避雷器，保護后面的電氣設備免遭雷電壓的沖擊，再接三個空氣開關，最后接入整流模塊的輸入。

整流模塊的功能是將交流市電轉變成符合我們通信設備要求的直流電。符合通信設備要求即：輸出穩定的的直流電壓、直流電壓所含交流小、直流輸出電壓可以調節，能滿足蓄電池充電電壓的要求。同時，若干整流模塊可以相互協調，能合理分配負載電流（即要有均流功能），當其中一個或多個整流模塊出現輸出高電壓時該模塊能正常退出而不影響其它模塊的工作（即選擇性過電壓停機功能）等。

一個開關電源系統根據情況配有一組或兩組蓄電池，在整流模塊輸出后，屬于直流配電單元。除了串有相應的保護熔絲以外，還串有接觸器的常開觸點K，稱之為蓄電池組的低壓脫離（LVD）裝置。當電壓輸出在設定范圍內時，觸點K是常閉觸點，蓄電池組并入開關電源處于充電工作狀態；當交流停電整流模塊停止工作時，蓄電池組單獨對負載放電，隨著放電時間的延長，電池的輸出電壓會越來越低，當電池電壓達到一個事先設定的保護電壓值時，為了保護電池組不至于過放電而損壞，常閉觸點K釋放打開，從而斷開了電池組與開關電源的連接，此時系統供電中斷（事實上如此低的輸出電壓對其后的通信負載設備也會造成不良的影響）。這種情況將造成重大的通信事故，所以我們應加強日常維護工作，避免蓄電池組長時間放電。

直流配電單元（即DC/DC模塊）是將蓄電池組接入開關電源與整流模塊的輸出并聯，再將48v直流電分成多支路分配給各種容量的直流通信負載。為達到可靠性，每個支路均為兩個獨立的DC/DC模塊并聯，同時為滿足用戶各支路做成可插拔式，方便靈活配置。監控單元起著監督控制各個模塊的工作情況，調整控制各模塊正常工作的作用。拔出監控模塊不影響系統的輸出，只中斷系統的監控作用。監控單元主電路以CPU為核心，采用EPRAM、RAM、EEPRAM等存儲各種數據。為實現多設備的連接，設有RS232串口?？蓪崿F遠程監控，具有I/O接口電路，以連接計算機、LCD模塊和輸出告警的接點。監控單元軟件設計采用面向對象的編程方法。監控單元主要實現對開關電源系統的信息查詢、參數設置、系統控制、告警處理、電池管理和后臺通信等功能。

監控模塊可監控對象有交流配電、整理模塊、蓄電池組、直流配電、自診斷和通信等功能。

（1）交流配電監控可監測交流市電輸入電壓值是否過高、過低，有無缺相、停電、頻率大小，電流高低以及MOA避雷器是否保護損壞等情況。當出現上述情況時，蜂鳴器發出聲光告警，并存儲記錄發生故障的詳細情況，以備值班人員查詢并且處理。（2）整流模塊監控可監測各整流模塊的輸出直流電壓、電流及總輸出電壓、電流，各模塊工作狀態、故障與否、浮充或均充狀態以及限流與否。并存儲相關記錄事件的詳細情況。蓄電池組日常充電一般有兩種電壓：浮充電壓和均充電壓，一般以浮充為主，當浮充較長時間后或蓄電池組放電后轉入更高電壓的均充狀態。整流模塊一般工作在穩壓狀態，因為蓄電池組也是一種負載，當蓄電池深度放電完成交流恢復供電時導致負載電流太大時，整流模塊會自動進入“穩流狀態”，直到蓄電池組充電到一定程度，負載電流減小到正常范圍以內后重新進入正常的穩壓狀態。這種“穩流狀態”使得整流模塊的輸出電流一直穩定在事先設定的一個參考極限值，不隨負載的增大而增大，我們稱之為限流。（3）蓄電池組監控可監測蓄電池組總電壓、充電電流、放電電流，記錄放電時間以及放電容量、電池溫度等。可調整蓄電池組LVD脫離保護電壓值和恢復電壓值、蓄電池組均充周期、均充時間和蓄電池組溫度補償等。蓄電池組周期均充指根據蓄電池廠家的建議，一般在“一定時間”浮充之后，要進行數小時的均充，這個“一定時間”即均充的周期。蓄電池溫度補償是指蓄電池充電的最佳電壓會隨著溫度的變化而改變，監控單元能根據溫度的變化控制整流模塊動態地調整輸出電壓以滿足電池最佳充電電壓的要求。（4）直流配電單元監控可監測開關電源系統總輸出直流電壓、總輸出直流電流、各DC/DC模塊支路電壓、電流以及各支路通斷情況。（5）自診斷可監測監控單元本身各部件和功能單元工作情況。（6）通信電源可檢測與遠端計算機連接的通信參數（包括通信速率、通信端口地址），負責與遠端計算機的實時通信。

5 開關電源系統的故障處理與維護

目前的高頻開關電源系統具有一定的智能化，不但體現在具有智能接口能與計算機相連實現集中監控，而且當系統發生故障時，系統監控單元能顯示故障事件發生的具體部位、時間等等。所以，維護人員利用監控單元的這些信息能初步判斷故障的性質。但由于目前高頻開關電源系統智能化成都東還遠遠沒有達到真正能代替人的所謂“人工智能”的程度，很多實際故障發生后的判斷處理任然需要有經驗豐富的維護人員根據故障現象，進行判斷，作出正確檢查、得到及時處理。

當發生故障時，系統檢查維修的基本步驟如下：

（1）首先檢查系統有無聲光告警指示。由于開關電源系統各模塊均有相應的告警提示，如整流模塊故障后其紅色告警指示燈亮，同時系統蜂鳴器發出聲告警。（2）再看具體故障現象或告警信息提示。例如觀察具體故障現象與監控單元告警單元提示是否一致，有無歷史告警信息等，有時可能會出現無告警但系統功能不正常的現象。（3）根據故障現象或告警信息，對本開關電源作出正確的分析及形成處理故障的檢修方法，即可完成故障檢修。

開關電源的故障可分為正常告警類故障、非正常告警類故障、功能喪失類不告警故障、性能不良不告警故障，根據系統的實際情況，加以處理判斷。正常告警類故障：這一類故障發生時，系統配電模塊、整流模塊會有相應的故障指示，查看監控單元有相應的告警信息，各監控單元提示的故障信息與實際情況一致。非正常告警類故障：這一類故障發生時，雖然系統有故障燈亮、告警聲響等現象，但情況與監控單元告警信息不一致或監控單元無相應告警信息。功能喪失類不告警故障：這一類故障發生時，系統的功能發生異常或喪失，但系統沒有任何告警提示。性能不良不告警故障：這一類故障發生時，系統檢測的參數不符合系統性能指標，發生檢測不準或參數不對等情況。

在實際檢修過程中，可根據故障現象歸入上述一種或多種情況。

6 應急處理

為了維護系統的直流不間斷供電，需要對威脅直流供電的故障采取一些應急措施。電源系統可能出現的造成直流輸出中斷的故障包括：交流配電電路不可恢復性損壞；直流負載或直流配電發生短路；監控模塊損壞造成關機；直流輸出過壓造成模塊封鎖等。

6.1 交流配電應急處理

當交流配電故障，引起模塊交流供電中斷時，可將市電直接引入整流模塊輸入開關。

6.2 直流配電應急處理

（1）負載局部短路：將損壞負載對應支路模塊拔出。（2）配電短路：故障發生后一般按以下步驟進行處理：切斷交流供電；將電池強制從系統中分離；利用電池或整流器直接給負載供電。（3）電池保護接觸器不正常斷開，導致無直流輸出。將電池保護“自動/手動”開關置于“手動”位置，電池保護“接通/斷開”開關置于“接通”位置，電池保護接觸器應合上；如果無效，拔掉電池保護接觸器的右側線圈端子。

6.3 監控模塊故障應急處理

監控模塊故障影響直流供電安全時，只需拔出監控模塊即可。

6.4 整理模塊故障應急處理

（1）整流模塊內部短路：整流模塊內部短路時該整流模塊自動退出系統。（2）部分整理模塊損壞：部分整流模塊損壞后，如果剩余的完好模塊能滿足負載供電要求，則只需拔出損壞整流模塊即可。（3）整流模塊輸出過壓：當負載電流低于單個整流模塊容量時，某一個整流模塊輸出過壓將造成系統過壓，致使所有整流模塊過壓保護，過壓保護系統不能自動恢復正常。處理方法：拔出所有整理模塊，然后逐一插入整理模塊。當接通某一模塊的交流輸入開關時，系統再次出現過壓保護時，拔出該整理模塊即可。然后接通其它整流模塊，系統將正常工作。需要注意的是：關掉故障模塊后，需根據正常工作的模塊數量重新設置模塊數量及相應的模塊地址。

6.5 停電應急處理

交流停電是電源系統運行中最常見的情況，當停電時間不長時，設備供電由蓄電池組承擔，當停電時間較長，在蓄電池放電到一定程度時可啟動油機發電機組引入交流配電單元的空開（發電期間切記關掉開關，謹防反送電）。建議油機發電機啟動至少5min后，在切換給電源系統供電，以減小油機啟動過度過程可能對電源設備造成的負面影響。

［1］張雷霆.通信電源［M］.北京：人民郵電出版社，2005（2）.

［2］劉寶貴，張旭.通信電源設備使用維護手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2008（6）.

葉海軍（1976—），男，內蒙古人，本科，畢業于內蒙古大學，工程師，從事鐵路通信工作。