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通信網(wǎng)動(dòng)力需求及開關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)探討

作者: 時(shí)間:2013-03-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、前言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/175437.htm

是通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。在通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期采用的相控整流電源滿足的只是基本的穩(wěn)壓供電要求,而在通信事業(yè)大發(fā)展的十幾年中,行業(yè)在強(qiáng)勁需求帶動(dòng)下經(jīng)歷了快速變革??v觀發(fā)展過程,其產(chǎn)品進(jìn)步主要受兩個(gè)因素影響:電力電子技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)動(dòng)力平臺(tái)的要求。在現(xiàn)階段,除了以上兩個(gè)推動(dòng)通信電源產(chǎn)品發(fā)展的因素之外,節(jié)能減排要求是通信電源產(chǎn)品最重要的技術(shù)導(dǎo)向,也是對(duì)企業(yè)社會(huì)責(zé)任的要求。

通信電源設(shè)備作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)備,在通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要綜合考慮建設(shè)成本、運(yùn)行成本、技術(shù)先進(jìn)性、穩(wěn)定性、環(huán)保等各個(gè)方面。自工業(yè)和信息化部發(fā)放3G牌照以來,運(yùn)營(yíng)商之間全業(yè)務(wù)、全方位的競(jìng)爭(zhēng)格局已經(jīng)形成,國(guó)內(nèi)通信行業(yè)正在經(jīng)歷市場(chǎng)格局的深遠(yuǎn)變化。

二、通信電源技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展歷程

通信電源技術(shù)的發(fā)展與通信設(shè)備、商用通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展息息相關(guān)。20世紀(jì)70年代,網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備幾乎全部采用模擬技術(shù),輸入電壓范圍窄,配置的開口式鉛酸蓄電池組需要增加尾電池,對(duì)電源設(shè)備輸出特性要求簡(jiǎn)單,而對(duì)輸入特性幾乎沒有要求。這一時(shí)期的通信電源主要采用相控整流技術(shù),一般效率在80%以下,功率因數(shù)低于0.85,諧波高于30%,且體積龐大。

20世紀(jì)80年代,隨著可以寬電壓供電的數(shù)字程控交換機(jī)的引入,對(duì)供電質(zhì)量要求提升;另一方面,電力部門對(duì)用電設(shè)備輸入特性也越來越重視。1994年我國(guó)決定大規(guī)模發(fā)展數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)之后,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)電源設(shè)備提出了新的要求。1994年,在原郵電部要求通信行業(yè)推廣使用高頻以取代相控電源之后10年時(shí)間內(nèi),作為第三代通信電源的智能高頻已經(jīng)完成對(duì)第二代通信電源的替代升級(jí),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成本控制、制造能力、質(zhì)量控制等各方面具備相當(dāng)?shù)某墒於?,有效的支撐了商用通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。

三、第四代通信用直流電源

目前在網(wǎng)應(yīng)用的高頻大多采用軟開關(guān)技術(shù),效率已較相控電源提高了10%以上,日常較低負(fù)載率運(yùn)行效率可達(dá)到85%左右。2008年以來,控制技術(shù)和器件技術(shù)的進(jìn)步使得更合理的拓?fù)涞靡詰?yīng)用,以整流器效率高于96%為顯著標(biāo)志的第四代電源產(chǎn)品開始商用。4年以來,高效電源有了更大的技術(shù)進(jìn)步,產(chǎn)品成熟度已經(jīng)完全滿足通信行業(yè)要求。主流廠商現(xiàn)都可以生產(chǎn)高效率開關(guān)電源產(chǎn)品,部分行業(yè)領(lǐng)先的廠家已經(jīng)推出了峰值效率高于98%的整流模塊(為表述方便,下文將第四代通信用直流電源稱為高效直流電源)。

四、第四代通信用直流電源的應(yīng)用情況

國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商從2010年開始采用高效直流電源,從應(yīng)用效果來看,高效直流電源具有更高的可靠性、環(huán)境適應(yīng)能力,并可以有效的降低基站能耗。

1)更高的可靠性

因?yàn)楫a(chǎn)品的能耗降低,所以高效直流電源的發(fā)熱量降低。相比普通效率電源,高效直流電源發(fā)熱量降低50%以上。如圖1所示,在機(jī)房溫度25℃~35℃時(shí),高效模塊內(nèi)部關(guān)鍵器件(整流橋、開關(guān)器件、主變壓器、電解電容)的溫度相比普效模塊降低約5℃~15℃,從而壽命得到提高。其中對(duì)溫度最為敏感的電解電容,壽命可提高40%以上。從實(shí)際應(yīng)用的故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,第四代通信電源產(chǎn)品比普通效率產(chǎn)品低10%~20%。

通信網(wǎng)動(dòng)力需求及開關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)探討

圖1 普效與高效模塊熱設(shè)計(jì)、運(yùn)行溫度、壽命對(duì)比

2)更好的環(huán)境適應(yīng)能力

隨著節(jié)能減排的深入,基站運(yùn)行溫度逐步提升,以最大限度的減少制冷能耗。在長(zhǎng)期試驗(yàn)取得良好效果之后,提升站點(diǎn)空調(diào)的工作溫度已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商節(jié)能減排的重要手段。

中國(guó)移動(dòng)頒布的《關(guān)于中國(guó)移動(dòng)“2011年綠色行動(dòng)計(jì)劃”工作的指導(dǎo)意見》中要求80%的基站運(yùn)行溫度提高到30℃,20%的基站運(yùn)行溫度提高到35℃。而隨著WLAN、FTTx的建設(shè),網(wǎng)絡(luò)不斷深入,安裝于弱電井、樓梯間等缺乏專門的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備場(chǎng)合的站點(diǎn)越來越多,溫度、濕度、空氣潔凈度都無法保障。另一方面,戶外型站點(diǎn)由于建站速度快,投資運(yùn)行成本低,近年發(fā)展也呈上升態(tài)勢(shì)。站點(diǎn)的發(fā)展要求電源設(shè)備具備更加良好的環(huán)境適應(yīng)性。

基站現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的直流電源允許工作溫度范圍一般是-5℃~40℃,且日平均氣溫不高于35℃。而高效模塊數(shù)字化程度的提高和發(fā)熱量的顯著降低為更加優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)提供了可能,55℃下可滿載輸出的產(chǎn)品也已在市面出現(xiàn),最高允許工作溫度允許達(dá)到65℃。直流電源工作溫度范圍的提升,可以讓電源設(shè)備正常工作于弱電井、樓梯間等缺乏專門的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的場(chǎng)合,也可以使電源設(shè)備正常工作于戶外型站點(diǎn)。各廠商的普通效率直流電源在這些場(chǎng)景下工作時(shí),故障率普遍增加30%以上,采用高效直流電源以后,故障率大大降低,可以與普通效率模塊在有空調(diào)站點(diǎn)運(yùn)行的故障率持平。

采用高效直流電源,可以為通信網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋提供更好的供電保障。

3)更低的能耗水平

全球氣候變暖對(duì)世界的影響已經(jīng)越來越深入,節(jié)能減排是全球每個(gè)企業(yè)和每個(gè)人應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。1992年通過的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和1997年通過并于2005年生效的《京都議定書》強(qiáng)化了全社會(huì)所有團(tuán)體、組織、企業(yè)和個(gè)人的責(zé)任。

另一方面,2008年以來通信網(wǎng)絡(luò)再次高速發(fā)展,2011年底三大運(yùn)營(yíng)商基站總量已達(dá)180萬,較2008年增長(zhǎng)近4倍。雖然多載波功率放大、分布式基站等技術(shù)的廣泛應(yīng)用有效降低了單站點(diǎn)能耗,電費(fèi)仍然成為運(yùn)營(yíng)商綜合成本當(dāng)中增加最快的部分。通信網(wǎng)絡(luò)能耗的進(jìn)一步下降成為運(yùn)營(yíng)商履行社會(huì)責(zé)任和降低運(yùn)營(yíng)成本的共同要求。具體到開關(guān)電源產(chǎn)品,最主要的技術(shù)目標(biāo)是提高其能源轉(zhuǎn)換效率。

目前,普通效率直流電源主要的節(jié)能手段為休眠節(jié)能,日常工作效率約為90%,另有約20%站點(diǎn)的電源設(shè)備因建設(shè)較早無法應(yīng)用該技術(shù),實(shí)際運(yùn)行效率更低,約85%。而高效直流電源系統(tǒng)工作效率可到95%以上。

站點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行情況的對(duì)比數(shù)據(jù)見表1,三個(gè)基站負(fù)荷均為2103W,分別采用高效直流電源、普通效率直流電源和早期直流電源。

表1 基站采用不同電源能耗對(duì)比

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*:此處空調(diào)制冷耗電是指在主設(shè)備和其他設(shè)備之外,開關(guān)電源設(shè)備耗電而引起空調(diào)制冷的耗電量。

按以上實(shí)際的運(yùn)行測(cè)試情況計(jì)算,基站因選用高效電源所增加投資,兩年左右可以回收;采用高效電源改造老舊站點(diǎn),兩年半即可收回設(shè)備投資。目前高效開關(guān)電源采購(gòu)成本比普通效率開關(guān)電源產(chǎn)品增加較多,主要原因國(guó)內(nèi)采購(gòu)高效模塊較少,在廠家實(shí)現(xiàn)規(guī)?;纳a(chǎn)之后,投資回報(bào)周期將進(jìn)一步縮短。

除已采用高效的約站點(diǎn)外,全網(wǎng)其他約160萬站點(diǎn)如采用高效開關(guān)電源替代現(xiàn)有電源,年可節(jié)約用電約29億度。除基站外,國(guó)內(nèi)全網(wǎng)還有約5萬套分立電源,目前能效水平普遍不高,且不適用休眠節(jié)能功能,如全部采用高效電源,年可節(jié)約用電也將超過20億度??梢钥吹?,雖然單站年節(jié)電僅幾千度,但滴水成海,第四代電源的效率提高對(duì)于日益龐大的通信網(wǎng)絡(luò)能耗控制意義非凡。

4) 第四代通信電源國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

雖然應(yīng)用效果很好,但國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商高效直流電源的采購(gòu)規(guī)模一直不高于直流電源總量的10%,分立式電源中高效電源的采購(gòu)比例更低。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商資本開支壓力逐年增大,對(duì)設(shè)備采購(gòu)的初期投入控制較嚴(yán)。采用高效直流電源初期投入每套電源增加3000~4000元,但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,其TCO要大大優(yōu)于采用普通效率直流電源,一般情況下,兩年左右即可以收回初期增加的設(shè)備投資。

國(guó)內(nèi)通信行業(yè)還處于發(fā)展期,電源設(shè)備的應(yīng)用仍然保持較大規(guī)模;現(xiàn)有開關(guān)電源使用時(shí)間最長(zhǎng)超過了15年,今后將逐步進(jìn)入替代更換期。針對(duì)國(guó)內(nèi)通信行業(yè)的開關(guān)電源應(yīng)用,應(yīng)改變以低價(jià)為導(dǎo)向的采購(gòu)模式,需要綜合考慮建設(shè)成本、運(yùn)行成本、技術(shù)先進(jìn)性、穩(wěn)定性、環(huán)保等各個(gè)方面。作為大型國(guó)有企業(yè),電信運(yùn)運(yùn)營(yíng)商應(yīng)主動(dòng)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。建議在今后的集采中停止采購(gòu)普效電源產(chǎn)品,全面采購(gòu)第四代高效率電源產(chǎn)品;針對(duì)在網(wǎng)老舊設(shè)備,采用第四代高效率電源產(chǎn)品分批進(jìn)行逐步替換。

五、 世界主要運(yùn)營(yíng)商能耗及電源應(yīng)用情況

根據(jù)各自年報(bào),中國(guó)運(yùn)營(yíng)商和歐洲主要運(yùn)營(yíng)商單位收入的能耗情況見表2和表3。雖然各運(yùn)營(yíng)商各自的業(yè)務(wù)構(gòu)成、業(yè)務(wù)資費(fèi)、能耗成本對(duì)該能效值存在影響,但仍可看出我們的能耗水平還遠(yuǎn)高于歐洲同行,這也說明我們的節(jié)能降耗還有較大的提升空間。

表2 中國(guó)運(yùn)營(yíng)商單位收入能耗情況

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表3 歐洲主要運(yùn)營(yíng)商單位收入能耗情況

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另一方面,目前在國(guó)內(nèi)的通信電源設(shè)備采購(gòu)中,產(chǎn)品的效率指標(biāo)并未得到充分重視,實(shí)際采購(gòu)的電源產(chǎn)品仍以第三代普通效率電源產(chǎn)品為主。相對(duì)比之下,歐洲主要運(yùn)營(yíng)商在2011年起,高效率電源設(shè)備的采購(gòu)比例即達(dá)到了80%以上,遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)應(yīng)用比例。近年國(guó)外主要運(yùn)營(yíng)商通信電源招標(biāo)效率指標(biāo)要求見表4。

表4 國(guó)外主要運(yùn)營(yíng)商通信電源招標(biāo)效率指標(biāo)要求

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六、 結(jié)束語

電信行業(yè)重組后運(yùn)營(yíng)商的競(jìng)爭(zhēng)格局正在經(jīng)歷變化,日益龐大、不斷深入發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于承載其運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備的通信電源也提出了新的要求。能耗、體積、環(huán)境適應(yīng)性等特性影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的部署、可靠性和商用價(jià)值,正越來越受到運(yùn)營(yíng)商關(guān)注。得益于器件、控制技術(shù)和電力電子拓?fù)溲芯康倪M(jìn)展,新一代數(shù)字化高效率通信電源設(shè)備順應(yīng)這些要求,正在成為承載通信網(wǎng)絡(luò)的主要力量,也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要技術(shù)手段。



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