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所謂分布式電源系統(tǒng)，是由若干小容量電源模塊組成的一個大容量電源系統(tǒng)。它是利用新型電源理論和技術(shù)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(tǒng)。越來越多的電源系統(tǒng)采用模塊并聯(lián)技術(shù)，將多個開關(guān)電源模塊靈活地并聯(lián)組合成大功率分布式電源體系，是目前實現(xiàn)開關(guān)電源大功率化的主要途徑。在分布式電源研究和發(fā)展領(lǐng)域，美國、德國、英國和日本等國家在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，它們的許多發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)公司與電力公司聯(lián)合，進行分布式電源技術(shù)的商業(yè)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(tǒng)正以其冗余度高、控制靈活等優(yōu)點而被廣泛應用于通信領(lǐng)域。文中提出一種基于微網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代通信網(wǎng)分布式供電設(shè)計方案。 1 通信網(wǎng)的供電方式 通信網(wǎng)對電源的基本要求是能不間斷地連續(xù)供電，因此其供電機制一般由AC—DC整流器、電池組和配電設(shè)備構(gòu)成，標稱值為-48 VDC或24 VDC的不間斷供電系統(tǒng)，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(wǎng)供電方式的發(fā)展歷程來看，主要經(jīng)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(tǒng)提供整個通信網(wǎng)所需要的各種電壓。此類供電方式已經(jīng)基本淘汰。 (2)集散式供電。先由大功率的不間斷供電系統(tǒng)提供統(tǒng)一的-48 VDC或24 VDC，然后集中供給通信網(wǎng)。而在通信網(wǎng)中，設(shè)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(zhuǎn)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(tǒng)提供統(tǒng)一的-48 VDC或24 VDC，然后集中給通信網(wǎng)供電。設(shè)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(zhuǎn)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(tǒng)、移動通信系統(tǒng)等，大都采用集散供電方式。為提高系統(tǒng)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(shù)字芯片的出現(xiàn)，現(xiàn)代通信網(wǎng)中通信設(shè)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(chǎn)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(xiàn)代通信網(wǎng)越來越多地采用超大規(guī)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(yōu)點 分布式供電是通信網(wǎng)供電的發(fā)展方向，主要優(yōu)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(tǒng)效率必然提高；另一方面，各負載所需的電源就地產(chǎn)生，負載與電源距離近，減少了線路阻抗對調(diào)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(wěn)定性較好。另外，電源的模塊化和標準化設(shè)計，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)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(wǎng)的可靠性，同時由于分布式電源的獨立性，可以使其與電網(wǎng)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(shù)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(xiàn)，部分電源出現(xiàn)故障不會影響系統(tǒng)的正常運行。 (3)適應性強。由于將整個電源系統(tǒng)分散，各部分電源選擇比較靈活，容易實現(xiàn)最佳配置。而且，同一設(shè)計方案，稍加修改可用于其他系統(tǒng)。特別的，如果在系統(tǒng)設(shè)計后期需要修改方案，也只是局部修改，不必重新設(shè)計整個系統(tǒng)，使系統(tǒng)重構(gòu)容易，減少不必要的浪費。 (4)電磁兼容性能優(yōu)越。由于電源比較分散，抑制電磁干擾的方案容易實現(xiàn)。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(tǒng)的控制功能，使幾個功率較大的負載分時啟動，減少系統(tǒng)大電流的沖擊。 (5)擴展性好。分布式電源的模塊化設(shè)計，有利于系統(tǒng)功能的擴展。 (6)散熱好。由于每個電源的功率較小，發(fā)熱量較低，加上電源的發(fā)熱量平均散布在系統(tǒng)的機箱內(nèi)，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(fā)生故障所影響的范圍亦越小，系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)有諸多優(yōu)點，但仍然存在不足： (1)系統(tǒng)設(shè)計比較復雜。分布式系統(tǒng)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(tǒng)變換級的增多，電源系統(tǒng)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(tǒng)的材料費用必然會提高。但是從系統(tǒng)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(fā)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(fā)生故障時，整個系統(tǒng)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(shè)計 3.1 供電要求 現(xiàn)代通信網(wǎng)要求更寬的帶寬、更高的數(shù)據(jù)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(yè)務特性，對為其供電的電源系統(tǒng)提出了更高的要求，包括：(1)不間斷地連續(xù)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(fā)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(nèi)。(3)紋波，即直流電源中附加的交流成分，滿足規(guī)范要求，不超過規(guī)定的限值。(4)實時監(jiān)控，具有“遙控”、“遙測”、“遙信”和“遙調(diào)”四遙功能。(5)經(jīng)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(zhuǎn)換效率高，功率密度大，價格低，便于安裝和維護。 3.2 設(shè)計原則 在現(xiàn)代通信網(wǎng)中，分布式供電已成為主流。在供電設(shè)計時，應遵循以下原則：(1)既要要滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對電源的各種功能和技術(shù)要求；又要考慮電源系統(tǒng)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(xiàn)代通信網(wǎng)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(shù)值很可觀，沒有功率余量的電源很可能使整個數(shù)字系統(tǒng)崩潰。因此，設(shè)計時要留有一定的余量，即降額使用。(4)根據(jù)現(xiàn)代通信網(wǎng)中的各種功能部件分別設(shè)計穩(wěn)壓電路，盡量采用按功能分布式方案。例如，數(shù)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(tǒng)的造價，提高電源系統(tǒng)的抗干擾度和可靠性。 3.3 分布式供電結(jié)構(gòu)設(shè)計 從功能的角度看，一個完整的現(xiàn)代通信網(wǎng)由業(yè)務網(wǎng)、傳送網(wǎng)和支撐網(wǎng)3部分組成。其中，業(yè)務網(wǎng)包括固定電話網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、FR網(wǎng)、局域網(wǎng)ATM網(wǎng)和Internet等；傳送網(wǎng)包括SDH和光傳送網(wǎng)；支撐網(wǎng)包括信令網(wǎng)、管理網(wǎng)和同步網(wǎng)如圖1所示。 圖1 現(xiàn)代通信網(wǎng)的功能組成 根據(jù)現(xiàn)代通信網(wǎng)的功能組成，借鑒微網(wǎng)技術(shù)，一種可行的設(shè)計方案是將整個通信網(wǎng)的供電系統(tǒng)按功能劃分成若干個分布式供電單元(相當于微網(wǎng))，即每種業(yè)務網(wǎng)或傳送網(wǎng)或支撐網(wǎng)構(gòu)成一個分布式供電單元，包括電話網(wǎng)供電單元、移動網(wǎng)供電單元、FR網(wǎng)供電單元、局域網(wǎng)供電單元、ATM網(wǎng)供電單元和Internet供電單元、SDH供電單元、光傳送網(wǎng)供電單元、信令網(wǎng)供電單元、管理網(wǎng)供電單元和同步網(wǎng)供電單元等，如圖2所示。每個供電單元正常情況下并網(wǎng)運行，在主電網(wǎng)故障時可以脫網(wǎng)單獨運行，從而提高了系統(tǒng)供電的可靠性。另外，電池組(BAT)可以采用其他的儲能系統(tǒng)或設(shè)備替代。 圖2 現(xiàn)代通信網(wǎng)分布式供電結(jié)構(gòu) 在每個供電單元中，首先若干個中小功率的AC-DC高頻開關(guān)整流模塊采用N+1冗余方式并聯(lián)，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(lián)，提供統(tǒng)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(xiàn)代通信網(wǎng)的功能組成實現(xiàn)分布式供電的方案，可以滿足現(xiàn)代通信網(wǎng)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(shè)計中，還可以考慮在此基礎(chǔ)上將以上的每個供電單元，根據(jù)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(wǎng)供電單元可以進一步細化為用戶設(shè)備供電單元、中繼設(shè)備供電單元、交換網(wǎng)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(jù)容量進行劃分。例如，用戶設(shè)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(shè)計 采用分布式供電時，DC-DC變換模塊成為設(shè)計的關(guān)鍵。DC-DC變換模塊的設(shè)計目標是更高性能、更高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和最先進的軟開關(guān)(ZVS和ZCS)同步整流技術(shù)、磁芯技術(shù)和MCU／DSP技術(shù)等。同時，由于現(xiàn)代通信網(wǎng)中通信設(shè)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(nèi)阻、低紋波、軟啟動、防浪涌、防開關(guān)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(jiān)控等。 4 結(jié)束語 采用分布式供電是現(xiàn)代通信網(wǎng)通信設(shè)備供電的發(fā)展方向。針對現(xiàn)代通信網(wǎng)的供電要求，制定供電設(shè)計原則，嘗試提出了一分布式供電結(jié)構(gòu)，以滿足現(xiàn)代通信網(wǎng)對電源和供電要求。分布式電源和微網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，是應對未來通信網(wǎng)通信設(shè)備供電中出現(xiàn)的新問題的一種解決途徑。 |
