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所謂分布式電源系統，是由若干小容量電源模塊組成的一個大容量電源系統。它是利用新型電源理論和技術制成相對小的電源功率模塊，組合成積木式、智能化的大功率電源系統。越來越多的電源系統采用模塊并聯技術，將多個開關電源模塊靈活地并聯組合成大功率分布式電源體系，是目前實現開關電源大功率化的主要途徑。在分布式電源研究和發展領域，美國、德國、英國和日本等國家在技術上處于領先地位，它們的許多發電設備生產公司與電力公司聯合，進行分布式電源技術的商業化實驗。在歐洲，正在研究普及分布式電源的政策，而我國對分布式電源的研究尚處在起步階段。 如今，直流分布式電源系統正以其冗余度高、控制靈活等優點而被廣泛應用于通信領域。文中提出一種基于微網技術的現代通信網分布式供電設計方案。 1 通信網的供電方式 通信網對電源的基本要求是能不間斷地連續供電，因此其供電機制一般由AC—DC整流器、電池組和配電設備構成，標稱值為-48 VDC或24 VDC的不間斷供電系統，然后由DC—DC變換器將標稱值為-48 VDC或24 VDC的電壓變換成電路板所需的各種電壓，如12 VDC和／或5 VDC。從通信網供電方式的發展歷程來看，主要經歷了3個階段，即集中式供電、集散式供電和分布式供電。 (1)集中式供電。用1個或1+1備份方式的大功率不間斷供電系統提供整個通信網所需要的各種電壓。此類供電方式已經基本淘汰。 (2)集散式供電。先由大功率的不間斷供電系統提供統一的-48 VDC或24 VDC，然后集中供給通信網。而在通信網中，設備機架的每個機框都有一個或多個中功率電源板(DC—DC變換器)，將-48VDC或24 VDC的母線電壓轉換成一種或多種電壓，供給本機框的電路板。 (3)分布式供電。先由大功率的不間斷供電系統提供統一的-48 VDC或24 VDC，然后集中給通信網供電。設備機架每塊電路板上各有一個或幾個小功率電源(DC—DC變換器)，將-48 VDC或24 VDC的母線電壓直接轉換成電路板所需的電壓。 相對而言，集中式供電造價最低，但可靠性最差；分布式供電可靠性高、靈活性強、可擴展性好、通用性強，但造價較高；而集散式供電的性能和造價介于兩者之間。目前，各大通信運營商所采用的固定電話系統、移動通信系統等，大都采用集散供電方式。為提高系統的可靠性，所用的電源板采取1+1備份方式，或N+1冗余備份方式。目前集散供電方式是性價比最高的一種供電方式。 隨著新一代數字芯片的出現，現代通信網中通信設備的工作電壓不斷降低。為提高芯片的運行速度、降低功耗，12 VDC及5 VDC的使用日趨減少，而3．3 VDC和2．5 VDC甚至1．8 VDC的使用則開始增加。因此，在低工作電壓時，由DC電壓供電的電阻所產生的壓降明顯增大。此時，采用分布式供電方式成為唯一的解決方法，因為DC—DC電源的分散度越高，工作電流越低，供電的壓降也就越低，從而更適合低壓應用。現代通信網越來越多地采用超大規模集成電路，目前主流的集散式供電方式已不能滿足要求。理想的做法，是采用分布式供電，每塊電路板都由一個獨立的電源進行供電。 2 分布式供電的特點 2.1 優點 分布式供電是通信網供電的發展方向，主要優點包括： (1)性能好、效率高。一方面，由于減少了低電壓、大電流直流輸出線路，線路損耗低，系統效率必然提高；另一方面，各負載所需的電源就地產生，負載與電源距離近，減少了線路阻抗對調整性能的影響，也減少了干擾信號對負載的影響，因而輸出電壓穩定性較好。另外，電源的模塊化和標準化設計，提高了電源系統的穩定性和一致性。 (2)可靠性高。一方面，分布式電源可作為備用電源為不間斷供電的用戶提供電能，提高了電網的可靠性，同時由于分布式電源的獨立性，可以使其與電網斷開，依靠分布式電源形成“孤島”單獨為用戶供電；另一方面由于各部分電源相對獨立，采用冗余技術或備用電池比較方便，局部電源功率較小，散熱及安全保護措施也容易實現，部分電源出現故障不會影響系統的正常運行。 (3)適應性強。由于將整個電源系統分散，各部分電源選擇比較靈活，容易實現最佳配置。而且，同一設計方案，稍加修改可用于其他系統。特別的，如果在系統設計后期需要修改方案，也只是局部修改，不必重新設計整個系統，使系統重構容易，減少不必要的浪費。 (4)電磁兼容性能優越。由于電源比較分散，抑制電磁干擾的方案容易實現。例如，大電流與小電流負載隔離，大電流波動不會影響小電流電源，并且可利用系統的控制功能，使幾個功率較大的負載分時啟動，減少系統大電流的沖擊。 (5)擴展性好。分布式電源的模塊化設計，有利于系統功能的擴展。 (6)散熱好。由于每個電源的功率較小，發熱量較低，加上電源的發熱量平均散布在系統的機箱內，散熱比集中式供電更容易、效果更好，電源在低溫工作中更加可靠；而且電源的分散度越高，電源一旦發生故障所影響的范圍亦越小，系統也就越可靠。 (7)整體費用低。分布式供電取消了電力室和電池室，使直流供電設備更接近通信負荷，不僅減小了直流輸電的損耗，提高了系統的可靠性，同時使安裝、運行和維護費用大大降低。 2.2 缺點 盡管分布式電源系統有諸多優點，但仍然存在不足： (1)系統設計比較復雜。分布式系統需要多級變換，前后級之間電壓和電流匹配，同一級各變換模塊之間的均流等都要仔細核算。隨著系統變換級的增多，電源系統運維和管理任務增大。 (2)元器件等材料費用高。因為每個變換級都是一個完整的變換模塊，電源系統的材料費用必然會提高。但是從系統整體來看，分布式電源比集中式電源便宜得多。從維修費用看，集中式電源比分布式電源要高。因為集中式電源發生故障時，整個電源都要更換，而分布式電源只要更換部分模塊；集中式電源發生故障時，整個系統要停機，而分布式電源需要停機可能性較小。另外，集中式電源一般平均無故障時間(MTBF)為1 x 105h，而高密度模塊電源一般為1×106 h。顯然，集中式電源的維修費用較高。 3 分布式供電設計 3.1 供電要求 現代通信網要求更寬的帶寬、更高的數據率、更嚴密的保密措施、更新高的性能、更廣泛的用戶和用戶業務特性，對為其供電的電源系統提出了更高的要求，包括：(1)不間斷地連續供電，滿足供電可靠性指標的要求。(2)在空載或滿載負載回路發生浪涌或市電電壓和頻率波動等情況下，電壓值在容差范圍內。(3)紋波，即直流電源中附加的交流成分，滿足規范要求，不超過規定的限值。(4)實時監控，具有“遙控”、“遙測”、“遙信”和“遙調”四遙功能。(5)經濟實用、擴充性好、通用性強。(6)AC—DC整流模塊和DC—DC變換器性能高，轉換效率高，功率密度大，價格低，便于安裝和維護。 3.2 設計原則 在現代通信網中，分布式供電已成為主流。在供電設計時，應遵循以下原則：(1)既要要滿足現代通信設備對電源的各種功能和技術要求；又要考慮電源系統的操作和維護方便，盡量減少電源種類。(2)為提高電源的效率，減低電源的造價，應盡量減少功率變換模塊的輸入與輸出電壓差。(3)現代通信網大量采用VLSI芯片，而VLSI芯片的電壓電流都是脈沖波形，雖然平均功率不大，但瞬時功率的數值很可觀，沒有功率余量的電源很可能使整個數字系統崩潰。因此，設計時要留有一定的余量，即降額使用。(4)根據現代通信網中的各種功能部件分別設計穩壓電路，盡量采用按功能分布式方案。例如，數字電路、模擬電路、大功率輸出電路應采取分別供電的方式，盡量減少這些電源之間的相互影響。(5)盡量減少負載與電源之間的距離，以降低電源系統的造價，提高電源系統的抗干擾度和可靠性。 3.3 分布式供電結構設計 從功能的角度看，一個完整的現代通信網由業務網、傳送網和支撐網3部分組成。其中，業務網包括固定電話網、移動通信網、FR網、局域網ATM網和Internet等；傳送網包括SDH和光傳送網；支撐網包括信令網、管理網和同步網如圖1所示。 圖1 現代通信網的功能組成 根據現代通信網的功能組成，借鑒微網技術，一種可行的設計方案是將整個通信網的供電系統按功能劃分成若干個分布式供電單元(相當于微網)，即每種業務網或傳送網或支撐網構成一個分布式供電單元，包括電話網供電單元、移動網供電單元、FR網供電單元、局域網供電單元、ATM網供電單元和Internet供電單元、SDH供電單元、光傳送網供電單元、信令網供電單元、管理網供電單元和同步網供電單元等，如圖2所示。每個供電單元正常情況下并網運行，在主電網故障時可以脫網單獨運行，從而提高了系統供電的可靠性。另外，電池組(BAT)可以采用其他的儲能系統或設備替代。 圖2 現代通信網分布式供電結構 在每個供電單元中，首先若干個中小功率的AC-DC高頻開關整流模塊采用N+1冗余方式并聯，將220VAC或380 VAC變成-48 VDC或24VDC；然后與一組或二組中小容量的電池組并聯，提供統一不間斷的-48 VDC或24 VDC；然后通過DC匯流母排，給每個機架中每個機框中的每塊電路板上的DC—DC變換電路供電，DC—DC變換電路將-48 VDC或24 VDC變換為所在電路板所需的12 VDC和／或5 VDC和／或3．3VDC和／或2．5VDC和／或1．8 VDC等。 以上是一種按照現代通信網的功能組成實現分布式供電的方案，可以滿足現代通信網的供電要求。但是，此方案分布的廣度和深度不夠，所劃分的供電單元粒度過大。在實際的供電設計中，還可以考慮在此基礎上將以上的每個供電單元，根據功能再進一步細化成若干個粒度較小的供電單元，例如，固定電話網供電單元可以進一步細化為用戶設備供電單元、中繼設備供電單元、交換網絡供電單元和中央控制供電單元等。粒度更小的分布式供電方案，還可以根據容量進行劃分。例如，用戶設備供電單元可以按容量再細化成多個微小粒度的供電單元。 3.4 DC-DC變換模塊的設計 采用分布式供電時，DC-DC變換模塊成為設計的關鍵。DC-DC變換模塊的設計目標是更高性能、更高轉換效率、更高功率密度和更低價格。為此，必須采用最先進的拓撲結構和最先進的軟開關(ZVS和ZCS)同步整流技術、磁芯技術和MCU／DSP技術等。同時，由于現代通信網中通信設備大量采用VLSI芯片，還要考慮到由此帶來的低電壓、大電流對芯片供電提出的嚴格要求，包括低內阻、低紋波、軟啟動、防浪涌、防開關機過沖、支持熱插拔、提供冗余備份等，更嚴格的還要求包括上／下電順序控制、實時監控等。 4 結束語 采用分布式供電是現代通信網通信設備供電的發展方向。針對現代通信網的供電要求，制定供電設計原則，嘗試提出了一分布式供電結構，以滿足現代通信網對電源和供電要求。分布式電源和微網技術的結合，是應對未來通信網通信設備供電中出現的新問題的一種解決途徑。 |
