通信電源高效節能控制技術探討

楊寶義

（青島億斯歐管理咨詢有限公司，山東 青島 266400）

0 引 言

5G時代通信呈現出超大帶寬、無限連接、海量信息以及超低時延的特征，越來越多的頻譜投入，通信能源消耗急速增長。電源系統作為主要耗能部分，決定了通信電源的整體節能效果[1]。通信電源系統的能源消耗是新時期通信能源系統設計的關鍵[2]。但當前通信電源效率仍停留在整流模塊階段，效率一般在90%以上，最高效率為99%，但即使達到了99%的極限控制水平，也不能改變能源消耗更多發生在整站層面的現狀。因此要更加關注站點級能源高效節能控制技術的應用，加大對整站通信電源高效節能關鍵技術的研究[3]。

1 通信設備高效節能控制技術

1.1 降低變壓器能耗

變壓器能耗是主要的設備能耗，其節能技術首先是減少空載損耗，變壓器空載和負載損耗為：

式中，PT代表負載損耗，P0為空載下的有功損耗，Pk為滿載下的有功損耗，Sr為額定容量，β為負載率。從公式可見，負載損耗和負載量β的平方呈正比。因此在運行中，當負荷低于減少一臺最大負荷和負載率，即可輪流關掉一臺變壓器，實現節能降耗的目的。當變壓器負載率長期在30%以下，即可以減少一臺變壓器。其次是合理分配負載，在所有變壓器型號和規格相同的狀況下，負載相同，其損耗最小。因此在設備選型過程中要選擇一致性的變壓器，同時確保變壓器運行能耗和電壓器相匹配。

1.2 電源轉換裝置節能技術

電源轉換裝置的效率決定了其能耗利用效率，低效的轉換裝置發熱過高，還會增大空調系統的壓力[4]。目前不同廠家的轉換裝置效率在80%～95%，如果設備和電源轉換器存在不匹配，那么電路電阻就會上升，從而導致設備無效能耗增加。為了降低通信設備能耗，就要降低信息轉化芯片的能耗水平，其對應的能耗裝置也會相應實現節能。

1.3 電池節能技術

盡管閥控鉛酸電池具有良好的防酸防爆特性，但是環境適應性較差、維護難度高且節能性較差，因此目前鉛蓄電池正在逐漸向鋰電池轉化。鋰電池因為工作溫度更寬，可以實現將制冷啟動溫度閾值上調，減少空調耗能。使用梯級利用動力鋰電池可以延長電池壽命，提高單次充放電利用率。梯級電池應用的關鍵因素是電池智能管理和控制系統的應用，既對電池組狀態進行檢測，提高其安全性能，又能夠實現最佳充放電控制[5]。本系統采用隔離電源供電，能夠對第i（1≤i≤n）個電池單體進行獨立檢測。

2 通信電源諧波治理技術

2.1 電源系統諧波的危害

一是諧波電流使發電機組嚴重發熱，進而出現非線性負載產生的電壓畸變，嚴重時會導致油機無法正常運行[6]。二是對變壓器產生集膚效應和鄰近效應，銅耗鐵耗增加，會引起過度溫升。三是對電纜產生集膚效應，增加諧波電阻和線路損耗，影響其載流量，降低其傳輸能力，其使用壽命最大可降低60%[7]。四是諧波電流會降低熱元件的發熱動作電流，會導致電路器誤操作。五是電力電容器的阻抗特性使其吸收諧波電流，導致過載發熱，甚至諧波諧振。六是干擾通信線路，引起電磁干擾，甚至會造成故障。七是諧波嚴重還會導致電容柜和相關器件燒毀，影響設備安全。八是諧波產生無效能耗，降低節能效率。

2.2 通信電影諧波電源節能技術的應用

一是對整流設備進行治理，校正有源功率因數，提升整流設備功率因數，或增加設備脈沖數和頻率，降低諧波含量。要進一步降低諧波，還應該提升諧波輸入指標，或是對諧波標準設備進行配置。二是安裝濾波裝置，減少無源濾波器和系統之間的阻抗造成的并聯諧振現象。可以采用有源濾波器對電信號進行實時采集，將諧波分離出來，并且借助IGRT逆變出補償電流。三是采用開關電源節能技術，使用智能開關調節整流模塊，使負載外的整流模塊處于休眠狀態。開關電源應在浮沖狀態下進行，采用熱插拔方式，同時靠近系統負荷中心，盡管縮短電纜長度，引入高效整流模塊，降低系統運行能耗損失。四是采用高頻變化模式，減少通信電源的體積，增強其供電能力。未來，在通信電源中應該增加高頻變化技術的應用，不斷改進開關技術，提升通信電源的集成性，在進一步簡化結構的基礎上加強模塊化設計，如應用軟開關技術降低損耗，實現開關零電壓，提升變換頻率。使用電感或電容等儲能元件，轉移電壓、電流，全橋移相變換器的效率高達93%。五是采用低電流處理技術，降低諧波對設備和系統造成的干擾，減少輸入電流的脈沖形成，降低電網負荷。還可采用高壓直流電源代替UPS電源，提高系統運行效率。

3 整站通信電源高效節能技術

目前，基站耗電占通信能耗的90%左右，而基站數量又是決定通信網絡的關鍵因素。因此要高度重視整站節能技術，采用新能源、新技術等實現通信電源的高效節能。

3.1 電池地埋技術的應用

機房規劃綜合考慮各個設備的位置，縮短導線，使用高性能隔熱材料制作節能墻體和門窗。電池安裝位置要方便維護，預留足夠空間，與墻體保持800 mm以上的距離。為了進一步提高節能效果，本研究建議采用電池地埋技術，降低蓄電池的溫度，避免在高溫下損壞蓄電池。在地埋裝置中安裝換氣風扇和濕度傳感器，避免潮濕環境帶來的損害。選用防潮的塑料材質，使用焊接方法降低成本，對于硬度不高的塑料要澆筑水泥平臺或者放置水泥板。尤其重要的是做好電池箱的防水和通風散熱，安裝防水膠條，做好密封，合理布置進氣管和排氣管，排氣管末端安裝獨立風扇，徹底排出箱體內酸氣和潮氣。也要做好防蟲設計，在管口安裝防蟲網等設施。在此基礎上，采用蓄電池恒溫技術，給蓄電池配備獨立的系統，保持其溫度在15～25 ℃。

3.2 構建風電互補發電系統

根據工信部的文件，大力應用新能源技術，針對當前太陽能供電不足和風能不穩定的現象，就要增加其額定容量，同時建立新能源與市電互補供電系統。在實際應用中，優先使用清潔能源，當受到氣象條件影響供電不足的時候，使用市電進行補充。清潔能源發電量高于負載量時，向電網輸電，提高電能利用率。例如，采用光儲聯合發電系統，系統使用光伏裝置連接電網，用于向電網輸電[8]。儲能裝置處于充電模式時電網向系統輸送電能，處于放電模式時向電網輸電。考慮到移動通信基站的負荷波動小，因此要采用控制系統進行需量電費管理。本設計采用風光互補供電系統，結構如圖1所示。風機大葉片帶動齒輪轉動，快速切割磁力線，獲得交流電能。使用太陽能電池板穩定獲得直流電，由逆變器將直流電轉換為交流電。為實現智能調節，控制系統需實時反饋并且調節日照、風力以及負載耗電等指標。

圖1 風電互補發電系統圖

3.3 構建智能通風系統

基站內部溫度調節也對節能效果有著巨大的影響，過高過低的溫度都會造成能耗增加，甚至產生“掉站”現象。目前多數機房都是通過空調降溫，其能耗能占到基站的50%左右。因此要推廣智能通風等新技術，采用空氣循環、過濾和冷卻控制，利用室內外溫差，不需制冷直接引入冷空氣，排除熱空氣，如LTE節能技術[9]。系統平時采用自動化模式，設定好溫度閾值，室溫小于最小值時關閉空調和風機，當室溫處于閾值之間，室外濕度在閾值80%之內時，打開風機，當室溫高于閾值時打開空調關閉風機。

引入新風能技術，在通信機房內建立新風系統，充分利用自然冷源。當室外溫度較高時直接引入冷風進行冷卻，當室外溫度較高時啟動空調系統。為了提高節能效率，還可以使用雙循環節能空調設備，如采用完全節能泵模式還可以實現55%以上的節能。此外，可采用非電空調制冷技術將溴化鋰溶液加熱，水先于溴化鋰蒸發冷凝之后再次和溴化鋰相融，實現降低目的，其節能效果能夠達到30%以上。采用風扇智能調速，系統中安裝溫度傳感器，通過改變風扇電壓等方式調節轉速，其節能效果可高達70%。同時也要適當減小機房面積，并且加裝分布式熱管空調和冷卻設備，提高節能效果。

3.4 實現數字化智能控制

為了及時了解通信電源的能耗狀態，使用數字技術和傳感器技術提升電氣自動化控制水平，實現精準核算。例如太陽能發電將削峰填谷技術和數字化控制相結合，對基站實施峰值削波，在峰電階段，控制空調系統不工作直到閾值再開啟，其原理如圖2所示。多余太陽能發電可以利用蓄電池進行存儲，以應對特殊天氣。考慮到通信工程的復雜環境，要實現其高效節能，就要充分利用電氣自動化和智能化技術，對通信電源實現全面的數字化控制。通過引入新型的微處理器和電源管理系統對通信電源進行節能自動化控制，發揮自我診斷和修復功能，提升節能效率，如采用ARM最優控制算法來提高開關電源的效率[10]。通信電源可以采用分布式監控方式和模塊化設計，實現電池的均浮充轉換、電量管理、節能運行、電池測試以及停電后的來電預限流控制等，維護人員可以直接在操作界面上完成電池維護的工作。

圖2 太陽能發電功率配置

4 結 論

我國是通信大國，每年通信電源系統電能消耗巨大，高效節能技術的研發應用迫在眉睫。因此在未來的研究中，要加大對電池管理技術、智能控制技術、計算機算法以及站點級節能技術的研發，從而推動通信行業的健康穩定發展。