現(xiàn)代通信網(wǎng)的分布式供電設(shè)計(jì)

摘要 分析了通信網(wǎng)的供電方式，討論了分布式供電的優(yōu)缺點(diǎn)以及現(xiàn)代通信網(wǎng)的供電要求。提出了一種能滿足現(xiàn)代通信設(shè)備供電要求分布式供電方案，對從事現(xiàn)代通信網(wǎng)供電設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員有一定指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 現(xiàn)代通信網(wǎng)；分布式供電；供電方式

    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(gè)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(gè)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(shí)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(jìn)行分布式電源技術(shù)的商業(yè)化實(shí)驗(yàn)。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(diǎn)而被廣泛應(yīng)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(jì)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(jī)制一般由AC—DC整流器、電池組和配電設(shè)備構(gòu)成，標(biāo)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(biāo)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(gè)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(gè)或1+1備份方式的大功率不間斷供電系統(tǒng)提供整個(gè)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(jī)架的每個(gè)機(jī)框都有一個(gè)或多個(gè)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(jī)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(jī)架每塊電路板上各有一個(gè)或幾個(gè)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(jià)最低，但可靠性最差；分布式供電可靠性高、靈活性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好、通用性強(qiáng)，但造價(jià)較高；而集散式供電的性能和造價(jià)介于兩者之間。目前，各大通信運(yùn)營商所采用的固定電話系統(tǒng)、移動(dòng)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(jià)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(yùn)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(shí)，由DC電壓供電的電阻所產(chǎn)生的壓降明顯增大。此時(shí)，采用分布式供電方式成為唯一的解決方法，因?yàn)镈C—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(yīng)用?，F(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(gè)獨(dú)立的電源進(jìn)行供電。

2 分布式供電的特點(diǎn)
2．1 優(yōu)點(diǎn)
    分布式供電是通信網(wǎng)供電的發(fā)展方向，主要優(yōu)點(diǎn)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(fù)載所需的電源就地產(chǎn)生，負(fù)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(hào)對負(fù)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，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(shí)由于分布式電源的獨(dú)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(dú)為用戶供電；另一方面由于各部分電源相對獨(dú)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(hù)措施也容易實(shí)現(xiàn)，部分電源出現(xiàn)故障不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
    (3)適應(yīng)性強(qiáng)。由于將整個(gè)電源系統(tǒng)分散，各部分電源選擇比較靈活，容易實(shí)現(xiàn)最佳配置。而且，同一設(shè)計(jì)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(jì)后期需要修改方案，也只是局部修改，不必重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)重構(gòu)容易，減少不必要的浪費(fèi)。
    (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(shí)現(xiàn)。例如，大電流與小電流負(fù)載隔離，大電流波動(dòng)不會(huì)影響小電流電源，并且可利用系統(tǒng)的控制功能，使幾個(gè)功率較大的負(fù)載分時(shí)啟動(dòng)，減少系統(tǒng)大電流的沖擊。
    (5)擴(kuò)展性好。分布式電源的模塊化設(shè)計(jì)，有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。
    (6)散熱好。由于每個(gè)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(jī)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(fèi)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(fù)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(shí)使安裝、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用大大降低。
2．2 缺點(diǎn)
    盡管分布式電源系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在不足：
    (1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。分布式系統(tǒng)需要多級(jí)變換，前后級(jí)之間電壓和電流匹配，同一級(jí)各變換模塊之間的均流等都要仔細(xì)核算。隨著系統(tǒng)變換級(jí)的增多，電源系統(tǒng)運(yùn)維和管理任務(wù)增大。
    (2)元器件等材料費(fèi)用高。因?yàn)槊總€(gè)變換級(jí)都是一個(gè)完整的變換模塊，電源系統(tǒng)的材料費(fèi)用必然會(huì)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(fèi)用看，集中式電源比分布式電源要高。因?yàn)榧惺诫娫窗l(fā)生故障時(shí)，整個(gè)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(shí)，整個(gè)系統(tǒng)要停機(jī)，而分布式電源需要停機(jī)可能性較小。另外，集中式電源一般平均無故障時(shí)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(fèi)用較高。

3 分布式供電設(shè)計(jì)
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(yán)密的保密措施、更新高的性能、更廣泛的用戶和用戶業(yè)務(wù)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(biāo)的要求。(2)在空載或滿載負(fù)載回路發(fā)生浪涌或市電電壓和頻率波動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)控，具有“遙控”、“遙測”、“遙信”和“遙調(diào)”四遙功能。(5)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、擴(kuò)充性好、通用性強(qiáng)。(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(jià)格低，便于安裝和維護(hù)。
3．2 設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，應(yīng)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(hù)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(jià)，應(yīng)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(shí)功率的數(shù)值很可觀，沒有功率余量的電源很可能使整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)崩潰。因此，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(yīng)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(fù)載與電源之間的距離，以降低電源系統(tǒng)的造價(jià)，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(jì)
    從功能的角度看，一個(gè)完整的現(xiàn)代通信網(wǎng)由業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)和支撐網(wǎng)3部分組成。其中，業(yè)務(wù)網(wǎng)包括固定電話網(wǎng)、移動(dòng)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。

    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(jì)方案是將整個(gè)通信網(wǎng)的供電系統(tǒng)按功能劃分成若干個(gè)分布式供電單元(相當(dāng)于微網(wǎng))，即每種業(yè)務(wù)網(wǎng)或傳送網(wǎng)或支撐網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)分布式供電單元，包括電話網(wǎng)供電單元、移動(dòng)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(gè)供電單元正常情況下并網(wǎng)運(yùn)行，在主電網(wǎng)故障時(shí)可以脫網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)或設(shè)備替代。

    在每個(gè)供電單元中，首先若干個(gè)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(gè)機(jī)架中每個(gè)機(jī)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(shí)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(shí)際的供電設(shè)計(jì)中，還可以考慮在此基礎(chǔ)上將以上的每個(gè)供電單元，根據(jù)功能再進(jìn)一步細(xì)化成若干個(gè)粒度較小的供電單元，例如，固定電話網(wǎng)供電單元可以進(jìn)一步細(xì)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(luò)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(jìn)行劃分。例如，用戶設(shè)備供電單元可以按容量再細(xì)化成多個(gè)微小粒度的供電單元。
3．4 DC—DC變換模塊的設(shè)計(jì)
    采用分布式供電時(shí)，DC—DC變換模塊成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。DC—DC變換模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是更高性能、更高轉(zhuǎn)換效率、更高功率密度和更低價(jià)格。為此，必須采用最先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和最先進(jìn)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(shí)，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(yán)格要求，包括低內(nèi)阻、低紋波、軟啟動(dòng)、防浪涌、防開關(guān)機(jī)過沖、支持熱插拔、提供冗余備份等，更嚴(yán)格的還要求包括上／下電順序控制、實(shí)時(shí)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(jì)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(yīng)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。