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探讨通信网络动力需求及开关电源发展趋势

发布时间:2017-9-23 8:49:55    浏览次数:404

一、前言

通信电源是通信网络的关键基础设备。在通信网络发展初期采用的相控整流电源满足的只是基本的稳压供电要求,而在通信事业大发展的十几年中,通信电源行业在强劲需求带动下经历了快速变革。纵观通信电源发展过程,其产品进步主要受两个因素影响:电力电子技术和通信网络设备对动力平台的要求。在现阶段,除了以上两个推动通信电源产品发展的因素之外,节能减排要求是通信电源产品最重要的技术导向,也是对企业社会责任的要求。

通信电源设备作为关键的基础设备,在通信网络应用中需要综合考虑建设成本、运行成本、技术先进性、稳定性、环保等各个方面。自工业和信息化部发放3G牌照以来,运营商之间全业务、全方位的竞争格局已经形成,国内通信行业正在经历市场格局的深远变化。

二、通信电源技术与应用发展历程

通信电源技术的发展与通信设备、商用通信网络的发展息息相关。20世纪70年代,网络通信设备几乎全部采用模拟技术,输入电压范围窄,配置的开口式铅酸蓄电池组需要增加尾电池,对电源设备输出特性要求简单,而对输入特性几乎没有要求。这一时期的通信电源主要采用相控整流技术,一般效率在80%以下,功率因数低于0.85,谐波高于30%,且体积庞大。

20世纪80年代,随着可以宽电压供电的数字程控交换机的引入,对供电质量要求提升;另一方面,电力部门对用电设备输入特性也越来越重视。1994年我国决定大规模发展数字移动通信网之后,网络建设对电源设备提出了新的要求。1994年,在原邮电部要求通信行业推广使用高频开关电源以取代相控电源之后10年时间内,作为第三代通信电源的智能高频开关电源已经完成对第二代通信电源的替代升级,在产品设计、成本控制、制造能力、质量控制等各方面具备相当的成熟度,有效的支撑了商用通信网络的可靠运行。

三、第四代通信用直流电源

目前在网应用的高频开关电源大多采用软开关技术,效率已较相控电源提高了10%以上,日常较低负载率运行效率可达到85%左右。2008年以来,控制技术和器件技术的进步使得更合理的拓扑得以应用,以整流器效率高于96%为显著标志的第四代电源产品开始商用。4年以来,高效电源有了更大的技术进步,产品成熟度已经完全满足通信行业要求。主流厂商现都可以生产高效率开关电源产品,部分行业领先的厂家已经推出了峰值效率高于98%的整流模块(为表述方便,下文将第四代通信用直流电源称为高效直流电源)。

四、第四代通信用直流电源的应用情况

国内电信运营商从2010年开始采用高效直流电源,从应用效果来看,高效直流电源具有更高的可靠性、环境适应能力,并可以有效的降低基站能耗。

1)更高的可靠性

因为产品的能耗降低,所以高效直流电源的发热量降低。相比普通效率电源,高效直流电源发热量降低50%以上。如图1所示,在机房温度25℃~35℃时,高效模块内部关键器件(整流桥、开关器件、主变压器、电解电容)的温度相比普效模块降低约5℃~15℃,从而寿命得到提高。其中对温度最为敏感的电解电容,寿命可提高40%以上。从实际应用的故障率统计数据来看,第四代通信电源产品比普通效率产品低10%~20%。



普效与高效模块热设计、运行温度、寿命对比

2)更好的环境适应能力

随着节能减排的深入,基站运行温度逐步提升,以最大限度的减少制冷能耗。在长期试验取得良好效果之后,提升站点空调的工作温度已经成为运营商节能减排的重要手段。

中国移动颁布的《关于中国移动“2011年绿色行动计划工作的指导意见》中要求80%的基站运行温度提高到30℃,20%的基站运行温度提高到35℃。而随着WLANFTTx的建设,网络不断深入,安装于弱电井、楼梯间等缺乏专门的环境调节设备场合的站点越来越多,温度、湿度、空气洁净度都无法保障。另一方面,户外型站点由于建站速度快,投资运行成本低,近年发展也呈上升态势。站点的发展要求电源设备具备更加良好的环境适应性。

基站现网应用的直流电源允许工作温度范围一般是-5℃~40℃,且日平均气温不高于35℃。而高效模块数字化程度的提高和发热量的显著降低为更加优化的热设计提供了可能,55℃下可满载输出的产品也已在市面出现,最高允许工作温度允许达到65℃。直流电源工作温度范围的提升,可以让电源设备正常工作于弱电井、楼梯间等缺乏专门的环境调节设备的场合,也可以使电源设备正常工作于户外型站点。各厂商的普通效率直流电源在这些场景下工作时,故障率普遍增加30%以上,采用高效直流电源以后,故障率大大降低,可以与普通效率模块在有空调站点运行的故障率持平。

采用高效直流电源,可以为通信网络的深度覆盖提供更好的供电保障。

3)更低的能耗水平

全球气候变暖对世界的影响已经越来越深入,节能减排是全球每个企业和每个人应当承担的社会责任。1992年通过的《联合国气候变化框架公约》和1997年通过并于2005年生效的《京都议定书》强化了全社会所有团体、组织、企业和个人的责任。

另一方面,2008年以来通信网络再次高速发展,2011年底三大运营商基站总量已达180万,较2008年增长近4倍。虽然多载波功率放大、分布式基站等技术的广泛应用有效降低了单站点能耗,电费仍然成为运营商综合成本当中增加最快的部分。通信网络能耗的进一步下降成为运营商履行社会责任和降低运营成本的共同要求。具体到开关电源产品,最主要的技术目标是提高其能源转换效率。

目前,普通效率直流电源主要的节能手段为休眠节能,日常工作效率约为90%,另有约20%站点的电源设备因建设较早无法应用该技术,实际运行效率更低,约85%。而高效直流电源系统工作效率可到95%以上。

站点的实际运行情况的对比数据见表1,三个基站负荷均为2103W,分别采用高效直流电源、普通效率直流电源和早期直流电源。


基站采用不同电源能耗对比

*:此处空调制冷耗电是指在主设备和其他设备之外,开关电源设备耗电而引起空调制冷的耗电量。

按以上实际的运行测试情况计算,基站因选用高效电源所增加投资,两年左右可以回收;采用高效电源改造老旧站点,两年半即可收回设备投资。目前高效开关电源采购成本比普通效率开关电源产品增加较多,主要原因国内采购高效模块较少,在厂家实现规模化的生产之后,投资回报周期将进一步缩短。

除已采用高效的约站点外,全网其他约160万站点如采用高效开关电源替代现有电源,年可节约用电约29亿度。除基站外,国内全网还有约5万套分立电源,目前能效水平普遍不高,且不适用休眠节能功能,如全部采用高效电源,年可节约用电也将超过20亿度。可以看到,虽然单站年节电仅几千度,但滴水成海,第四代电源的效率提高对于日益庞大的通信网络能耗控制意义非凡。

4) 第四代通信电源国内发展情况

虽然应用效果很好,但国内运营商高效直流电源的采购规模一直不高于直流电源总量的10%,分立式电源中高效电源的采购比例更低。国内运营商资本开支压力逐年增大,对设备采购的初期投入控制较严。采用高效直流电源初期投入每套电源增加30004000元,但是从长远来看,其TCO要大大优于采用普通效率直流电源,一般情况下,两年左右即可以收回初期增加的设备投资。

国内通信行业还处于发展期,电源设备的应用仍然保持较大规模;现有开关电源使用时间最长超过了15年,今后将逐步进入替代更换期。针对国内通信行业的开关电源应用,应改变以低价为导向的采购模式,需要综合考虑建设成本、运行成本、技术先进性、稳定性、环保等各个方面。作为大型国有企业,电信运运营商应主动承担社会责任。建议在今后的集采中停止采购普效电源产品,全面采购第四代高效率电源产品;针对在网老旧设备,采用第四代高效率电源产品分批进行逐步替换。

五、 世界主要运营商能耗及电源应用情况

根据各自年报,中国运营商和欧洲主要运营商单位收入的能耗情况见表2和表3。虽然各运营商各 自的业务构成、业务资费、能耗成本对该能效值存在影响,但仍可看出我们的能耗水平还远高于欧洲同行,这也说明我们的节能降耗还有较大的提升空间。


中国运营商单位收入能耗情况


欧洲主要运营商单位收入能耗情况

另一方面,目前在国内的通信电源设备采购中,产品的效率指标并未得到充分重视,实际采购的电源产品仍以第三代普通效率电源产品为主。相对比之下,欧洲主要运营商在2011年起,高效率电源设备的采购比例即达到了80%以上,远高于国内应用比例。近年国外主要运营商通信电源招标效率指标要求见表4

国外主要运营商通信电源招标效率指标要求

六、 结束语

电信行业重组后运营商的竞争格局正在经历变化,日益庞大、不断深入发展的通信网络对于承载其运行关键设备的通信电源也提出了新的要求。能耗、体积、环境适应性等特性影响到整个网络的部署、可靠性和商用价值,正越来越受到运营商关注。得益于器件、控制技术和电力电子拓扑研究的进展,新一代数字化高效率通信电源设备顺应这些要求,正在成为承载通信网络的主要力量,也是实现节能减排的主要技术手段。

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