通信電源關鍵技術的應用及發展探究

徐 晗，姜秀紅，楊寶龍

（1.國網吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春 130000；2.中國移動通信集團吉林有限公司網絡部網絡優化中心，吉林 長春 130000）

0 引 言

通信設施建設范圍不斷擴大的背景下，通信電源發揮著重要作用，其不僅可以提供通信設備運行所需的電能，而且可以保證整個通信系統正常運行。通信電源具有結構復雜、供電種類多、供電對象多的特點，涉及多種支撐技術。只有相關技術協同發揮作用，才可以保證通信電源正常可靠運行。因此，探究通信電源關鍵技術具有非常突出的現實意義。

1 通信電源

通信電源是整個通信網絡的關鍵基礎設施，也是通信系統的核心，穩定可靠的通信電源是通信系統安全可靠運行的關鍵。根據供電形式的不同，通信電源可以劃分為直流供電通信電源和交流供電通信電源。其中，直流供電通信電源包括-48 V 和+24 V；交流供電通信電源包括220 V 單相交流電和380 V 三相交流電等[1]。

根據通信電源的運行過程，通信電源具有小型、可靠、穩定以及高效等特點。其中小型主要指體積小和重量輕；可靠主要指通信電源在多環節多重備份，保證電源系統與通信設備的可靠性；穩定主要指電源電壓、雜音、瞬變電壓穩定且處于運行變化范圍內；高效主要指通信電源供電效率較高。

2 通信電源關鍵技術

2.1 APFC 技術

有源功率因數校正（Active Power Factor Correction，APFC）技術是通信電源的關鍵技術，具有重量輕、體積小、輸入電壓范圍寬、效率高以及功率因數高的優良特點。有源功率因數校正技術又稱為有源開關型補償法，是直流/直流（Direct-current/Direct-current，DC/DC）變換型電流的變形，主體為高頻DC/DC 變換器，全波整流后的輸入交流電壓可以經DC/DC 進行變換。同時，輸入電流平均值可以自動跟蹤全波直流電壓基準，確保輸出電壓處于穩定狀態，在有效控制單位功率因數的同時，實現恒壓輸出。

根據主電路形式，有源功率因數校正可以劃分為單相軟開關校正、單相硬開關校正等。其中，單相軟開關校正包括零電流開關變換和零電壓轉變換等，借助諧振電感作用導通開關管，開關管電流應力較低；單相硬開關校正是非隔離型校正，包括升壓型、降壓型、升降壓型3 種，以電感電流為輸出，經開關管門極驅動信號，對輸入電流變化的適應能力較強。

2.2 熱插拔式高頻逆變并聯UPS 電源技術

熱插拔式高頻逆變并聯不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）技術又稱為高頻機技術，本質上是電壓控制型逆變器和電流控制型逆變器的混合并聯系統。該系統由電池變換器、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）高頻整流器、旁路以及逆變器等幾個部分組成，具有重量小、功耗小、體積小的特點[2]。UPS 電源多用于變電站故障數據設備、控制系統、應急電源以及數據通信等重要負載的不間斷供電，熱插拔式高頻逆變并聯UPS 技術則基于UPS 電源和模塊化思維，進一步控制系統體積，提高電源靈活性、通用性以及動態響應速度，為系統便捷組合、安裝、設計以及互換提供支持。

2.3 防雷技術

防雷技術是通信電源的關鍵技術，也是通信電源系統長期穩定發揮效益的保障。常用的防雷技術主要是安裝防雷元器件，如消雷器、接閃器、避雷器等，抑制直擊雷浪涌電流與電網電壓波動干擾[3]。根據通信電源負荷性質對應類別，在應用防雷技術時，需要采取以下措施：首先，需要配套選擇分級衰減雷擊殘壓法（或分級衰減雷擊能量法），在通信電源前端架空線放入標稱泄放電流路，經電流路釋放高壓脈沖，從而緩解累積電流，實現通信電源設備的首級防護；其次，安裝交流屏防雷保護設施，吸收雷電磁脈沖、感應瞬時高壓脈沖以及配電前端高壓脈沖；最后，全面安裝防雷器裝置，吸收通信電源內部過電壓，將其控制在安全電壓范圍內。

3 通信電源關鍵技術的應用

3.1 APFC 技術的應用

在通信電源系統交流輸入側，應用有源功率因數校正技術，可以抑制諧波，避免傳輸損耗或線路過載，為電網安全、穩定、高效運行提供保障。有源功率因數校正技術通常可以將通信電源總諧波含量抑制在5%以內，使通信電源功率因數不低于0.9。

以單相有源功率因數校正技術應用為例，其運行模式包括應用射隨器的電流非連續工作方式和應用乘法器的電流連續工作方式，根據通信電源輸出功率差異可以選擇不同的運行方式。

對于輸出功率低于700 W 的通信電源，選擇應用射隨器的電流非連續工作方式。射隨器本質上是共集電極放大器，其電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點。在電壓增益接近1，并且輸入信號與輸出信號同相的情況下，輸入信號和輸出信號大小相差較小，可以隔離阻抗變換。根據射隨器的特點，可以將其放入通信電源輸出電路，從而彌補器件輸出電流小與負載攜帶能力不足的問題，控制后級電路對前級電路的不利影響，匹配電路負載攜帶能力與前級阻抗、后級阻抗[4]。

對于輸出功率超出700 W 的通信電源，選擇應用乘法器的電流連續工作方式，應用乘法器的電流連續工作流程如圖1 所示。

圖1 應用乘法器的電流連續工作流程

3.2 熱插拔式高頻逆變并聯UPS 電源技術應用

熱插拔式高頻逆變并聯UPS 電源技術的電壓控制逆變單元負責提供輸入所需的電壓，電流控制型逆變單元根據電壓控制型逆變單元的輸出電壓波形輸出負載所需的交流電流。交流電流輸出期間，全部逆變器自動均流，并且并聯逆變器不干擾整個并聯系統的諧振頻率和輸出電壓波形，確保諧波環流處于較低水平[5]。熱插拔式高頻逆變并聯UPS 電源技術的核心部件是高頻開關整流器，其直接關乎電源穩定性。與傳統電力通信電源系統模塊相比，高頻UPS 電源技術利用高頻開關整流器代替可控硅相控整流器，兼具高功率和高頻化特征，可以在提高電力通信電源運行效率的同時降低后期電力供給故障率。

熱插拔式高頻逆變并聯UPS 電源技術的應用過程中，為規避因多臺逆變器開關管開關模式存在差異而引發直流電源短路問題，在并聯狀態且逆變器直流電壓保持一致的情況下，將各逆變模塊單元的1 個濾波電抗器劃分為2 個濾波電抗器，以對稱方式連接。在對稱連接情況下，根據熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源各模塊輸出功率無差向電壓無差發展的要求，以平均功率為參考值，經控制器調節電壓的頻率和幅值，實現2 個功率控制環在原有電壓瞬時值內環和有效值外環的疊加。此外，自動檢測逆變器工作臺數的同時，快速計算平均功率，以便在系統突增（或減少）通信設備時實現熱插拔。對于突然卸除負載擾動逆變器并聯系統的情況，依據電壓電流雙閉環控制下的瞬時均流控制思維，將系統工作狀態切換至滑模控制，實現2 臺逆變器均分負載，促使逆變器環流快速下降，再將并聯系統的工作模式轉換至比例、積分、微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制，將環流控制到0，期間輸出公共母線的輸出電壓保持不變，從而獲得良好穩態精度。

3.3 防雷技術應用

防雷技術應用過程中，根據國家規定的通信電源防雷保護3 級保護制度，可以選擇不同額定同流容量的避雷器。

對于通信電源的1 級防雷保護，需要依據泄放電流25 kA 的標準，選擇適宜避雷器，避免雷電流進入架空線路對通信設備造成損壞。

對于通信電源的2 級防雷保護，需要依據泄放電流20 kA 的標準，將三相電源防雷器安裝到通信電源柜，吸收配電前端的高壓脈沖，避免雷擊對通信電源造成損壞。同時，定期檢測電源防雷器的工作狀態，并立即更換元件損壞的防雷器，確保防雷技術正常應用。

對于通信電源的3 級防雷保護，需要依據泄放電流10 kA 的標準，將直流防雷器安裝到直流通信電源配電柜，吸收通信電源過電壓與電磁脈沖，將傳導雷電流控制在允許范圍內。

此外，在通信電源連接電子設備情況下，選擇截面積超出25 mm2且長度盡可能短的線路進行設備接地，盡快釋放電路因雷擊感應而產生的大量脈沖能量，避免設備端口電位差過高對設備安全造成影響。

4 通信電源關鍵技術的發展方向

4.1 高度可靠性

在信息化時代，要求通信電源供電的電力設備數量不斷攀升，對電力資源供應的要求更加多樣，通信電源故障的不確定性停電會直接危害電力設備，傳統通信電源故障所采取的全面停電、高頻率、長周期等檢修方式不利于通信電源的推廣運用[6]。未來，通信電源關鍵技術的可靠性將進一步提高，且具備快速診斷、分析、報告事故原因以及恢復電力資源供應的能力。例如，當前單機模式的通信電源平均無故障時間為100 000 h，現場平均維護時間在2 h 左右，而未來通信電源現場維護時間接近0 h，滿足電源可靠性要求。

4.2 智能化

現有的通信電源關鍵技術采用半自動化應用模式，關鍵技術支撐的交流系統和直流系統采用人工維護方式，不利于長期維護管理，且技術應用成本較高。未來，通信電源關鍵技術將朝著智能化方向發展，引入智能監控器，全面實時監控通信電源，并自動將監控信息上傳到信息共享平臺上，全程支持IEC 61850通信規約。同時，建立專家智能管理系統，將專家智能管理與固定數據庫和實時數據庫融合，在線輸出通信供電方案，降低供電成本。

4.3 集中化

目前，通信電源在電力系統中受到高度關注，通信電源設備控制水平得到了一定的提升。但是，針對通信電源關鍵技術的研究相對滯后，傳統通信電源關鍵技術分散設計問題突出，通信電源對應的直流電源系統、交流電源系統、UPS 系統采取分散設計，獨立組屏，無法實現系統管理，也無法適應新型通信發展需要，甚至威脅電源系統可靠性。未來，通信電源關鍵技術將朝著集中化和系統化方向發展，依托通信用電源統一平臺，整合交流電源和直流電源，統一監控、設計、生產、調試以及服務，實現通信電源一體化。

5 結 論

高速發展的數字化時代背景下，人們對通信電源供電電力設備的需求不斷增加，對電力資源供應穩定性提出了更高的要求。在熱插拔式高頻逆變并聯UPS 技術、防雷技術、有源功率因數校正技術應用的基礎上，應根據可靠性和智能化發展要求，持續引入現代化技術設備，對通信電源進行可靠擴容，為提高通信電源應用效率提供保障。