5G局站配電智能化差異化保障功能的實(shí)現(xiàn)

張 健，王天樂，安 洋

（1.中國(guó)電信股份有限公司鎮(zhèn)江分公司網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.中通服節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著我國(guó)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合接入型通信局站，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)局普遍存在5G綜合接入通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，局站功率密度大幅增加，運(yùn)營(yíng)商新基建配套投資快速增長(zhǎng)。不同等級(jí)局站動(dòng)力系統(tǒng)配套的規(guī)范性與安全性，是通信網(wǎng)通暢運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)保障。市電和自備發(fā)電機(jī)組組成的交流供電系統(tǒng)宜采用集中供電方式，系統(tǒng)接線力求簡(jiǎn)單、靈活，操作安全且維護(hù)方便。基于原有普遍采用的刀閘人工控制動(dòng)力、照明雙回路選擇模式，需要從配電回路安全隔離、配電差異化保障、發(fā)電機(jī)組應(yīng)急效能、油機(jī)投資精確化管控等多個(gè)方面進(jìn)一步深入研究，助力通信生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展。新型智能化配電系統(tǒng)整合發(fā)電機(jī)組帶載容量監(jiān)測(cè)與智能控制、能耗監(jiān)測(cè)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、照明回路防漏電及觸電等功能，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)5G局站配電改造標(biāo)準(zhǔn)化。

1 配電系統(tǒng)安全與負(fù)荷分級(jí)

通信局（站）的交流變配電系統(tǒng)是指從市電電源線路進(jìn)局起，經(jīng)過高低壓變換，到低壓用電設(shè)備進(jìn)線端的整個(gè)電路系統(tǒng)，主要由高壓及低壓配電線路、變配電站（所）及其變配電設(shè)備組成[1]。低壓交流供電系統(tǒng)采用三相五線制或單相三線制供電。

為通信局（站）的各種通信設(shè)備及保障通信的建筑負(fù)荷供電的多種電源設(shè)備組成的系統(tǒng)，稱為通信電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)由交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)和動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成。集中供電方式電源系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 交流配電屏

5G綜合接入局站交流配電電源輸入端通常是市電、油機(jī)發(fā)電機(jī)兩路電源引入，系統(tǒng)還會(huì)涉及到分負(fù)荷種類計(jì)量，因此，對(duì)于動(dòng)力、照明、商用等負(fù)荷還需要根據(jù)負(fù)荷種類分別安排在一起配電。以上方面對(duì)低壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都會(huì)造成比較大的影響，在建設(shè)之初就必須綜合考慮，防止后期出現(xiàn)使用不便的問題。對(duì)于低壓市電電源與備用發(fā)電機(jī)組電源之間的切換，最好能夠自動(dòng)進(jìn)行，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，才能真正滿足規(guī)范要求，減少停電時(shí)間、減少后備電池的配置容量、減少維護(hù)人員的工作量[2]。

1.2 發(fā)電機(jī)組

5G綜合接入型通信局站一般應(yīng)配置備用發(fā)電機(jī)組，當(dāng)市電停電時(shí)，用它向交流配電屏和保證建筑負(fù)荷等供給220/380 V 交流電。備用發(fā)電機(jī)組主要采用柴油發(fā)電機(jī)組，通信局（站）采用了可以無人值守的自動(dòng)化柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)市電停電時(shí)能自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)切換加載，在市電恢復(fù)后能自動(dòng)卸載停機(jī)。

1.3 局站及負(fù)荷分類

在YD/T 1051—2010《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》中對(duì)通信局（站）根據(jù)其重要性、規(guī)模大小進(jìn)行了分類，其中一類通信局（站）的通信生產(chǎn)負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，二類、三類通信局（站）的通信生產(chǎn)負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，以上負(fù)荷均需由兩路電源供電，且應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源。

2 差異化供電對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)的意義

根據(jù)圖2可知：柴油發(fā)電機(jī)通過接收負(fù)載側(cè)的反饋信號(hào)間接調(diào)節(jié)噴油嘴的供油量，來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定電壓的效果。通過控制變量法可推算：供油量恒定，機(jī)組轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增大而減小；負(fù)載恒定，機(jī)組轉(zhuǎn)速隨供油量增大而增大[3]。因此，柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況與機(jī)組負(fù)載有著密切的關(guān)系。

考慮到目前各5G局站負(fù)載增加，原有柴油發(fā)電機(jī)組容量逐漸不能滿足局站全部用電，為保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，故將局站用電分為重要負(fù)載與非重要負(fù)載兩部分，實(shí)施差異化供電。

當(dāng)機(jī)組負(fù)載≤60%時(shí)，機(jī)組剩余容量充足，經(jīng)延時(shí)后帶非重要負(fù)載也不會(huì)因負(fù)載加重而出現(xiàn)機(jī)組異常運(yùn)行的情況。反而當(dāng)機(jī)組負(fù)載＜30%時(shí)，機(jī)油黏度較大，機(jī)器摩擦阻力增加，不能起到很好的潤(rùn)滑作用；同時(shí)，因機(jī)組整體溫度低，熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致活塞及氣缸部分密封性下降，機(jī)油竄入氣缸，造成燒機(jī)油現(xiàn)象，這部分機(jī)油參與了燃燒，并且在氣門，活塞環(huán)等處形成積炭，降低發(fā)電機(jī)組的功率。考慮到這層因素，在工程建設(shè)時(shí)期，已經(jīng)選用了容量相匹配的柴油發(fā)電機(jī)組，避免出現(xiàn)以上情況。

當(dāng)機(jī)組負(fù)載在60%～80%時(shí)，機(jī)組處于最佳運(yùn)行狀態(tài)（發(fā)電機(jī)組在額定負(fù)載75%的工況下耗油最低）。此時(shí)，機(jī)組水溫在80℃左右，油溫在90～110℃左右，運(yùn)行正常。因此，本次差異化供電將機(jī)組負(fù)載60%～80%設(shè)為分界點(diǎn)，以確保機(jī)組處在最佳運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)機(jī)組負(fù)載在80%～100%時(shí)，機(jī)組已經(jīng)接近滿載。此時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)隨著負(fù)載的增加而發(fā)生明顯改變：機(jī)油溫度隨機(jī)組散熱量增加而上升，機(jī)油黏稠度下降，油膜不易形成，從而造成潤(rùn)滑不良，同樣會(huì)造成氣缸套密封性下降，機(jī)油上竄，燃燒機(jī)油，形成積炭等現(xiàn)象，此時(shí)機(jī)組的功率下降；冷卻水溫度隨機(jī)組散熱量增加而上升，機(jī)組冷卻系統(tǒng)大循環(huán)開啟，若熱量繼續(xù)增加，冷卻水接近沸騰，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組高溫停機(jī)等事故；大量的熱無處傳遞，導(dǎo)致周圍環(huán)境溫度升高，發(fā)電機(jī)部分線圈絕緣層老化[4]。

當(dāng)機(jī)組負(fù)載＞100%時(shí)，機(jī)組已經(jīng)超載。除了油溫、水溫升高導(dǎo)致的上述故障外，機(jī)組轉(zhuǎn)子劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部分機(jī)械磨損，勵(lì)磁部分因轉(zhuǎn)子的振動(dòng)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)；機(jī)組整體溫度高，各部位金屬零件易產(chǎn)生熱塑性形變，大大降低機(jī)組整體使用壽命及發(fā)電效率，且發(fā)電機(jī)組超載運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)不超過1 h/12 h。

3 通信配電差異化保障

交流電源系統(tǒng)應(yīng)對(duì)通信局（站）提供一般用和保證用的建筑負(fù)荷用電。保證建筑負(fù)荷是指通信用空調(diào)設(shè)備、保證照明、消防電梯、消防水泵等，建筑一般負(fù)荷是指一般空調(diào)、一般照明及其他備用發(fā)電機(jī)組不保證的負(fù)荷。

3.1 差異化保障要點(diǎn)

合理配置冗余 ，優(yōu)化配置模型，強(qiáng)化應(yīng)急手段，提高利用效率，提高運(yùn)營(yíng)效益，提升運(yùn)營(yíng)價(jià)值。依據(jù)通信局站電源、空調(diào)系統(tǒng)可靠性模型計(jì)算，供電、供冷系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與業(yè)務(wù)保障等級(jí)相匹配[5]。依據(jù)業(yè)務(wù)等級(jí)、客戶等級(jí)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)保護(hù)機(jī)制及外市電可靠性現(xiàn)狀。

3.2 綜合樓設(shè)計(jì)的總體思路

（1）首先了解綜合樓類型、建設(shè)單位意圖及當(dāng)?shù)毓╇娋值囊?guī)定，確定外市電的運(yùn)行方式（幾路、如何聯(lián)絡(luò)、計(jì)費(fèi)方式等）。

（2）與相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)，取得負(fù)荷情況，確定變配電系統(tǒng)的容量。

（3）根據(jù)變配電系統(tǒng)容量情況初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并與相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)確定變配電系統(tǒng)的安裝位置，綜合樓內(nèi)的走線通道等。

（4）以上可研部分的內(nèi)容基本結(jié)束，初設(shè)部分僅是根據(jù)更加詳細(xì)和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)可研的深化和細(xì)化。

（5）根據(jù)初設(shè)確定的系統(tǒng)，提出變配電的一次系統(tǒng)圖及訂貨圖、技術(shù)規(guī)范書。

（6）對(duì)土建相關(guān)專業(yè)提出工藝對(duì)土建要求圖（初步，待設(shè)備訂貨后再經(jīng)過修改為正式施工圖）。

（7）根據(jù)上述已確定的方案進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，如圖3所示。

3.3 器件選擇

低壓配電設(shè)備的保護(hù)功能，具有長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)3段保護(hù)。對(duì)于斷路器、接觸器的脫扣方式選取分勵(lì)脫扣，手動(dòng)、電子方式。 低壓系統(tǒng)的分級(jí)保護(hù)功能，選擇塑殼斷路器和微型斷路器。ATS選擇PC級(jí)，市電、發(fā)電負(fù)荷監(jiān)測(cè)控制選擇智能電表、PLC 控制器。

4 智能化配電的實(shí)現(xiàn)方式

目前配電系統(tǒng)通過人工現(xiàn)場(chǎng)投切負(fù)荷的方式控制負(fù)載率，如采用PLC自動(dòng)控制方案，可緩解投資及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)壓力，在用系統(tǒng)中亦可通過加裝裝置實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)智能控制功能。

4.1 主要解決的問題

（1）集中配電模式下通信保障回路與一般照明回路存在的相互影響。

（2）市電停電自動(dòng)化發(fā)電，發(fā)電機(jī)組易超載運(yùn)行。

（3）發(fā)電機(jī)組配置功率最大化應(yīng)用。

（4）發(fā)電機(jī)組投資短缺過程中的維護(hù)實(shí)際困難。

（5）照明用電回路人身安全防護(hù)。

4.2 智能化功能實(shí)現(xiàn)原理

本系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷與動(dòng)作。本文主要從硬件層面及軟件層面進(jìn)行闡述。

4.2.1 硬件層面

硬件層面主要由智能儀表、PLC、開關(guān)電源（AC220 V轉(zhuǎn)DC24 V）、繼電器、接觸器等4個(gè)部分組成，原理如圖4所示。

圖4 硬件層面回路

（1）智能儀表用來顯示柴油發(fā)電機(jī)的電流、電壓、電能等各項(xiàng)參數(shù)，另一方面將采集到的發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)電流，通過Modbus通信協(xié)議傳輸?shù)絇LC中。

（2）PLC用于讀取智能儀表中的電流參數(shù)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換和參數(shù)處理，將讀取到的電流值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，輸入到PLC的輸入接口中，然后PLC內(nèi)部進(jìn)行邏輯判斷，將結(jié)果輸入到輸出接口中。

（3）開關(guān)電源用于將主回路的交流220 V電壓轉(zhuǎn)換成用于PLC輸出接口的直流24 V工作電壓。

（4）繼電器的線圈與PLC的輸出接口、開關(guān)電源DC 24 V電源共同組成一個(gè)回路，當(dāng)PLC的輸出接口動(dòng)作時(shí)，繼電器線圈得電吸合，然后將繼電器的常開輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)傳輸?shù)浇佑|器回路中。

（5）接觸器的線圈與繼電器的常開輔助觸點(diǎn)以及交流220 V電源共成一個(gè)回路，當(dāng)繼電器的常開觸點(diǎn)變成閉合時(shí)，接觸器線圈得電吸合，對(duì)主回路進(jìn)行合閘，合閘操作執(zhí)行完畢。

4.2.2 軟件層面

軟件層面主要由主程序4個(gè)（OBI）、參數(shù)處理、Modbus數(shù)據(jù)采集、切換邏輯四部分組成。

主程序（OBI）是程序的主體，每一個(gè)項(xiàng)目都必須并且只能有一個(gè)主程序。在主程序中可以調(diào)用各個(gè)子程序，如圖5所示。

圖5 主程序（OBI）

參數(shù)處理用于將智能儀表中讀取的數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù),然后通過邏輯運(yùn)算得到每相的電流。

浮點(diǎn)換算如圖6所示。計(jì)算電流如圖7所示。

圖6 浮點(diǎn)計(jì)算

圖7 電流計(jì)算

Modbus數(shù)據(jù)采集用于PLC與智能儀表通信，采集智能儀表中的數(shù)據(jù)，并將其數(shù)據(jù)傳入到參數(shù)處理程序中。本程序中的波特率設(shè)置為19 200，無奇偶校驗(yàn)，地址為10，如圖8所示。

圖8 Modbus數(shù)據(jù)采集

切換邏輯為本系統(tǒng)的核心子程序，主要用來將發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)電流與非重要負(fù)載分合閘閾值進(jìn)行比較，并通過延時(shí)進(jìn)行PLC輸出接口的分合閘動(dòng)作。

閾值設(shè)置如下：

當(dāng)In（實(shí)時(shí)電流）≤60%的油機(jī)額定輸出電流時(shí)，且這種狀態(tài)維持10 min，此時(shí)PLC對(duì)接觸器進(jìn)行合閘控制，將非重要負(fù)載通電。

當(dāng)In（實(shí)時(shí)電流）≥80%的油機(jī)額定輸出電流時(shí)，且這種狀態(tài)維持5 min，此時(shí)PLC對(duì)接觸器進(jìn)行斷開控制，將非重要負(fù)載斷電。

發(fā)電機(jī)額定電流60%～80%換算，如圖9所示。

圖9 額定電流60%～80%換算

In（實(shí)時(shí)電流）≤60%的油機(jī)額定輸出電流時(shí)，且這種狀態(tài)維持10 min，此時(shí)PLC對(duì)接觸器進(jìn)行合閘控制，如圖10所示。

圖10 In（實(shí)時(shí)電流）≤60%的油機(jī)額定輸出電流

In（實(shí)時(shí)電流）≥80%的油機(jī)額定輸出電流時(shí)，且這種狀態(tài)維持5 min，此時(shí)PLC對(duì)接觸器進(jìn)行斷開控制，如圖11所示。

圖11 In（實(shí)時(shí)電流）≥80%的油機(jī)額定輸出電流

緊急情況下，當(dāng)實(shí)際需要干預(yù)PLC系統(tǒng)工作，強(qiáng)行將非重要負(fù)載合閘時(shí)，本系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)切換模式，即切換到手動(dòng)模式后，PLC系統(tǒng)不再工作，不再進(jìn)行自動(dòng)操作，可通過人工操作，將后端非重要負(fù)載通電。

4.3 局站照明類供電安全

本項(xiàng)目重點(diǎn)研究配電結(jié)構(gòu)對(duì)人身安全以及通信網(wǎng)配電回路的影響。現(xiàn)有局站配電為了滿足與供電側(cè)的上下級(jí)配置關(guān)系，以及通信動(dòng)力回路特性，開關(guān)電源回路漏電流保護(hù)需大于70 mA，一般情況下市電總斷路器漏電流設(shè)定在250 mA以上，無法滿足人身安全防護(hù)要求。同時(shí)，照明回路漏電易導(dǎo)致市電總斷路器跳閘保護(hù)。因此，配電系統(tǒng)采用三相或單相漏電保護(hù)開關(guān)裝置，對(duì)辦公、營(yíng)業(yè)及局房照明供電，保護(hù)電流為30 mA.

4.4 與傳統(tǒng)配電優(yōu)缺點(diǎn)比較

PLC自動(dòng)負(fù)荷控制裝置以及配電分路改造，實(shí)施難度較小，成本可控。250 A/380 V加交流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化配電屏，如采用單機(jī)架設(shè)備配置（負(fù)荷容量、分路數(shù)量、控制采集滿足CD類局站需求），通過智能化、集成化手段，節(jié)省空間及投資，同時(shí)融合動(dòng)環(huán)、能耗、觸電保護(hù)等功能，符合通信動(dòng)力IT化與智能化發(fā)展方向與安全運(yùn)行技術(shù)要求，按交流配電屏使用年限具備10年以上生命周期，達(dá)成降本增效的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

本研究拓展了PLC自動(dòng)控制場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)控制在通信網(wǎng)中小型配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，發(fā)電機(jī)組負(fù)載率的控制由自身過載停機(jī)保護(hù)轉(zhuǎn)為系統(tǒng)性的智能化控制，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)安全與能耗AI控制積累經(jīng)驗(yàn)。下階段計(jì)劃與動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)，依托現(xiàn)有大數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)AI控制，推動(dòng)配電系統(tǒng)從自動(dòng)化向智能化、模塊化發(fā)展。