通信电源系统设计与优化

通信电源系统的设计及优化通信电源系统的设计及优化#通信电源系统的设计及优化通信电源系统的设计及优化iiii的微机控制的综合电力继电保护装置。采用该型继电保护装置使得高压供电系统继电保护的设定更加简单，提高了保护动作的可靠性，亦便于电力维护人员的微机集中监控管理，其装置既有国外引进产品，也有国内产品。3）变电所的操作电源当采用电磁操动机构的断路器时，应采用 220V或110V蓄电池组作为合、分闸直流操作电源；当装有弹簧储能操动机构的断路器时， 宜采用小容量镉镇电池装置作为合、分闸操作电源；小型配电所宜采用弹簧储能操动机构合闸和去分流、 分闸的全交流操作，采用交流操作时，供操作、控制、保护、信号等的所用电源，可引自电压互感器。8.设计案例及分析（系统安全、节能的设备配置）通信枢纽（楼）高压、变配电系统安全、节能设计举例：1）系统组成综合通信枢纽（楼）的高压、变配电系统一般由二路高压（10KV）外电，一套高压开关设备和2台及多台电力变压器组成。2）外市电引入及设备配置i）外市电引入综合通信枢纽（楼）分别从两个独立变电站各引入一路 10kV市电用地埋电缆入局。其中从一个变电站引一路专线，另一路从变电站的10kV公用线上T接。两路市电引自不同的变电站，市电类别为一类。ii）设备配置高压配电室：高压开关设备包括进线柜、测量柜、主受柜、计量柜、由线柜（其中含1台备用），共计11台室内移开式金属铠装封闭高压开关柜。由于该柜所用的高压开关是国外进口产品（或国内替代产品）真空短路器，该真空断路器具有体积小、重量轻、维护方便和安全可靠等优点。另外，该断路器采用弹簧储能操动机构，供合闸和去分流、分闸等全交流操作所用电源引自电压互感器。变压器室：干式变压器近期2台（远期3台）。根据枢纽（楼）交流负荷汇总表，变压器的总容量按满足近期负荷并考虑今后一定的发展负荷需要，并使经常运行负荷不小于其额定容量的50%,最佳运行负荷在其额定容量的 60〜80%之间。配置节能4/yn11结线组别的SCB10型干式变压器2台（远期3台）。3）系统的运行方式及计费该系统由两路高压市电供电，一路作为主用，另一路作为备用。采用备用电源自投、主用电源自复的全自动运行方式（不设母联柜）。即当主用市电停电时，另一路备用市电自动投入，担负全局交流负荷的供电。当主用市电恢复后，自动转换到主用市电供电，备用市电自动退由供电。为了安全切换，二路市电进线开关进行电气连锁和二进线小车柜实现机诫闭锁。本工程采用高压计费方式。在高压侧安装电度计费总表， 低压侧可安装动力、照明计费分表详见通信枢纽（楼）高压、变配电系统图。二、低压配电及油机交流供电系统的设计.低压交流供电的主要技术指标1）低压交流供电的交流电压、频率额定电压220V/380V;额定频率50Hz.2）交流电压波动范围通信设备：额定电压值的+5%~-10%;电源设备（开关电源、UP0:额定电压值的+10%〜-15%;3）交流频率变动范围：额定频率值50Hz±4%;4）交流电压波形畸变率（THD）: <5%;.系统的组成及设备配置1）系统的组成通常从变压器次级以下的低压引由， 低压成套配电设备、和应急备用自动化柴油发电机组及交流馈电线路组成。它向直流供电系统和UPS提供交流输入电源，除此之外，并提供保证建筑负荷（机房空调、保证照明、消防用电等）和一般建筑负荷（一般照明、空调等）的用电。低压配电室：各种低压配电柜、市电 /油机转换屏、功率因数补偿柜等；油机室：柴油发电机组（或燃汽轮发电机组） 、油机/油机转换屏、油机控制屏、输由屏等;电力室：交流配电屏（箱）、UPS。2）设备配置i）低压配电屏的开关容量按远期负荷选定，ii）油机的容量可根据交流负荷汇总表按满足近期负荷并考虑今后一定的发展负荷需要选定。iii）交流配电屏的容量按近期负荷选定，.系统的运行方式及功率因数补偿1）运行方式市电正常时，有市电向全局（站）的负荷供电，当市电停电时，则由备用油机自动启动发电向全局（站）的通信负荷和其它保证负荷（机房空调、照明、动力）供电，市电与油机供电的转换在低压配电屏（ATS）上自动进行，其转换采用电气和机诫连锁装置。市电恢复正常后，油机自动停机转至市电供电。另外，考虑到变压器的维修， 变压器配置2或多台，每台变压器的低压供电分系统间设有联络设备可进行转换，以保证局站设备用电的可靠性。每供电分系统中配制有：受电屏、联络屏、无功功率补偿屏、电源转换屏（ATS）和多台馈电屏等。油机供电系统配置有：油机转换屏（ ATS）,油机输由屏及油机自动控制屏等。柴油发电机组一般近期配置一台进口机组，在油机室予留远期油机机位一个。为了满足油机一天（ 8小时）左右时间运行的需要，多在室外设置地下储油罐一个，油机的自动供油系统由室外的地下油罐和油机室内的日用量燃油自动补给箱组成。2）功率因数补偿根据《全国供用电规则》的规定，高压供电的大型用户，功率因数要求在0.90以上，通信局（站）的功率因数多数偏低和滞后，应在提高用电自然功率因数的基础上，根据其具体情况，多在低压侧设计和装置无功功率自动补偿设备，采用集中或分散补偿方式，经补偿后，其功率因数可在 0.9以上。.交流负荷的种类、性质、计算与统计1）交流负荷的种类交流负荷的种类有：动力（包括通信）、照明、空调和电热等2）交流负荷的性质交流负荷的性质有保证（重要）非保证（一般）负荷之分：保证（重要）负荷：通信负荷（直流供电系统所需的交流负荷和UPS）、机房照明、机房空调、消防（电梯、水泵、风机等）非保证（一般）负荷：普通照明（节日、道路）、办公空调、生活用电等。3）交流负荷的计算i）交流设备负荷单相P=220xIxcos0三相P=1.732x380xI及cos0其中:Ia负荷相电流；cosa功率因数（0.85）ii）直流供电系统所需用的交流负荷P=[2.35xNxI（均）+48xI（负）]/不其中:N一电池组的只数（24只）；1（均）一电池组的（10或20小时率）均充电流；1（负）一负荷电流；刀一开关电源的效率（0.9）。4）交流负荷（功率）的统计（交流负荷统计汇总表）i）各通信设备（交换、传输、基站等）由直流系统供电所需用的交流负荷统计；ii）各通信设备（数据、信令、网管、监控、计费等）所需ups供电的交流负荷统计；iii）空调、照明及其它建筑交流负荷统计（也可按建筑面积进行交流负荷统计）。.交流供电系统的配线方式交流供电系统的配线方式有三大类：TN系统一中性点重复接地系统）TN-S三相五线制TN-C-S三相四线后五线制TN-C三相四线制TT系统一中性点直接接地系统IT系统一中性点不接地系统通信局（站）通常采用TN-S三相五线制，即三个相线（A、B、C）一个中性线（N）和一个保护地线（PE）.主要低压设备及器件的选用）主要低压设备i）低压配电屏低压配电屏有受电屏、联络屏、无功功率补偿屏、电源转换屏（ATS）、馈电屏等。通信局（站）采用抽由式低压配电屏较多。ii）自动化柴油发电机组通信局（站）通常采用自动化柴油发电机组， 其自动化性能有自动启动、自动转换、自动保护、自动（故障）停机、自动充电和自动补充燃油。2）主要器件i）空气断路器空气断路器主要参数有额定电流、额定工作电压、额定极限短路分断能力及保护。低压配电屏中的空气断路器多用国内生产的引进产品。ii）自动转换开关（ATS）电源屏中的自动转换开关（ATS）目前采用国外进口的产品较多。iii）母线槽在低压配电系统变压器次级至受电屏、二列分供电系统问的联络等，可采用密集型母线槽连接安装，可减少大量电力电缆的敷设安装。7.设计应注意的问题1）功率因数与无功功率补偿当通信局站负荷的功率因数低于 0.7时，应在低压侧安装无功功率（电容）自动补偿装置，并配置一定比例的电抗器，电容器的补偿容量：Qc=Pjs（tg巾1-tg巾2）式中：Qc电容器补偿容量（KVAR）;Pjs总有功功率计算负荷（KW）;tg巾1补偿前自然功率因数COS巾1相角巾1的正切；tg巾2—要求达到的功率因数COS巾2相角巾2的正切；经补偿后，其功率因数应达到供电部门的规定要求， 否则，供电部门可拒绝接电或停止供电。2）三相交流负荷平衡三相负荷的不平衡往往造成中性线电流较大， 使得电力电缆发热，因此，三相交流负荷要求尽量平衡。3）谐波电流现在，通信局（站）的实际负载多为非线性，因此，不可避免地产生谐波电流，为此在选择电源设备（开关电源和UPS）上,应特别注意此指标，应满足相关规定要求，尽量减少谐波电流带来的不利影响。4）交流导线截面的选择电力电缆截面的选择在输电线路较短时， 通常根据长期允许最大载流量并进行敷设方式和环境温度系数的修正后选定；若供电距离较远时，除按以上方法选择外，还应满足电压损失△ U%C5%勺校验。由于三相负荷的不平衡，以及谐波电流干扰的影响，往往中性线电流较大，使得电力电缆发热严重。为安全考虑，要求选择电力电缆的截面时，三根相线与中性线的截面同粗（包括配电屏上的母线排也一样）。8.设计案例及分析（油机安装及降噪的设计考虑）通信局站大功率柴油发电机组的安装及降噪设计举例：1）油机房土建工艺要求及油机的安装i）油机房土建工艺要求•油机基础的大小、位置、承重、抗震、排污处理；•油机室进、排风口的面积；油机室地槽（供油、水管、电缆安装敷设用）的大小、位置;油机室门洞的大小、尺寸；ii）油机的安装油机冷却系统（导风罩）的安装油机排烟系统的安装排烟管、消声器、弹簧管的安装及应用油机燃油供油系统的安装燃油日用油箱的大小、安装位置、油管的管料及根数；油机维修保养通道大小、距离；2）油机降噪的设计考虑,油机基础的抗震与减振垫的应用；油机室进、排风口的消噪处理；油机排气管安装的消噪处理（消声器、弹簧管的应用）；油机室内（墙）壁的吸声降噪处理；油机室门窗的隔音降噪处理。经消噪声处理后，应满足中华人民共和国 GB3096-1993《城市区域环境噪声标准》的要求，同时，机组由于消噪声工程所引起的功率损失应小于机组额定功率的 5%三、交流不间断电源系统（UPS）的设计1.ups种类及主要技术指标1）UPS种类按工作方式分：有在线式、离线式；按工作状态分：有静止式、旋转式；按容量大小分：小容量v15KVA（单相、单进单曲或三进单由）；大、中容量15〜400KVA（三相、三进三由）。2）主要技术指标i）交流电压输入范围220V/380VAC（-15%〜+10%）;ii）频率输入允许范围50Hz±4%;iii）频率同步范围 ±0.5、±1、±1.5、±2Hz;iv）谐波失真（THD）<5%v）功率因数>0.8（在额定线性负载时）；vi）效率>90%（>100KVA）;>85%（>10〜100KVA）;>80%（<10KVA）vii）软启动10〜15S内爬升到额定功率；而）噪声w60dB（A）（V100KVA）;w70dB（A）（>100KVA）ix）MTBF>2X10000h（设备）；>1X100000h（系统）.线路构成、工作原理及应用1）线路构成UPS线路由主回路、静态旁路和维修旁路构成。主回路由整流器、逆变器、蓄电池组及静态开关组成；静态旁路有静态电子开关组成；维修旁路由维修空气开关组成。详见 UPS线路图。2）工作原理及应用UPS工作原理是：当有市电时，市电经由整流器直流输由，一向逆变器供电，二向蓄电池组浮充电；逆变器将直流再变成交流输由，逆变器的交流输生是很“纯正”、没有其它干扰的“正弦波”。当市电停电时，则由蓄电池组向逆变器直流输入供电，使逆变器不间断地向负载交流供电。其持续不间断交流供电时间可根据用户的需要（0.5〜1小时）。当逆变器故障或超载发生时，可立即将负载从逆变器回路转到静态旁路上去，中间完全没有间断。若需维修时，可转到维修旁路上去供电。UPS主要应用于数据通信、计费、网管、监控等设备的交流不间断供电。.工作方式及输入、输由配电1）工作方式：有单一式、并联冗余式和并联热备份三种。i）并机条件：实现二台或多台UPS在同一负载侧的同时输出,就必需保证每台UPS的输由同频率（50Hz）、同相位、同幅值，并且，并机系统中各台输由应保证由力大致相同，实现均流。ii）并机方式：有双机串联备用（又称主从机热备份） 、冗余并联和多机并联三种方式。使用较多的为 1+1并联冗余方式。2）输入、输由配电i）输入分单输入和双输入二种。单输入（公共输入）即UPS的整流器和旁路输入公共一个进线端子，对UPS输入的控制只需一个空气开关。双输入（分离输入）即UPS的整流器和旁路输入分别使用一个进线端子，对UPS输入的控制只需二个空气开关。整流器输入一般是三相三线制输入，旁路输入一般是三相四线制输入。ii）输由：有单母线配电和双母线配电二种。单母线配电是目前UPS供电系统普遍采用的一种输由配电方案，即单机或多机的冗余并联后输由都是送至一条交流母线上，各个用电设备都该母线上引线。双母线配电主要用于输由线路较长， 用电设备特别重要的场所（如大型金融中心等）。即二条独立的母线都向同一负载供电，该负载可从二路交流电源母线上输入，当一路供电（故障）中断时，另一路仍能保证负载正常工作。.设计步骤UPS容量的选定UPS容量的选定应根据计算的需要满足的最大交流负荷功率确定，备用设备的配置，应根据通信负荷的重要性确定。2）后备时间的选定后备时间的选定应根据《电源设计规范》蓄电池放电小时数配置规定，根据通信局站的类型和市电供电的类别确定。3）蓄电池容量的选定・规范法（理论法）《电源设计规范》中4.3.4条的方法计算选定（略）。・恒功率法主要根据蓄电池生产厂家提供的电池单元额定放电功率 （瓦/单元）计算查表选定。.设计应注意的问题UPS几个指标的了解逆变器电压输入范围（窗口电压）、逆变器效率、功率因数等指标的了解，以便进行设计计算。UPS进曲线及安装方式多数大、中型UPS为电缆下进下曲线方式，如采用防静电地板，应根据UPS的重量设计制作安装支架或托架。另外，UPS主机与电池组之间距离应尽量短，并且，每组电池至各自主机的电缆应作到等长度。UPS蓄电池容量的配置考虑到局站内的交流供电系统一般为集中式供电，因此，应与同局中的-48V直流供电系统的允许放电时间取得一致。.设计案例及分析（IDC机房UPS系统可靠性提高的策略）IDC机房UPS系统可靠性提高的策略举例：从可靠性公式A=MTBF/MTBF+MTTR中可以得由UPS系统可靠性提高的策略：一是从设备本身考虑；二是从外部工作环境条件考虑，其具体策略如下：1）UPS设备本身高可靠、易维护i）UPS的输入抗干扰性（适应能力）强；交流输入电压和频率允许变动范围宽、频率跟踪范围宽，说明适应能力强（不仅能吃细粮，也能吃粗粮） ，在恶劣电网的环境下也能工作，从而可减少电池的放电频次、延长电池的使用寿命。另外，在油机供电时， UPS也能稳定运行。ii）多级防雷、多重安全保护，有效防止浪涌和雷击等因素导致设备硬件损坏情况的发生；iii）整机可靠性（MTBF）高；iv）易维护的模块化设计，便于日常维护和故障处理，缩短维护时间。v）智能化的电池管理，延长电池的使用寿命2）外部工作环境条件的考虑i）并联冗余系统设计通常1+1并联冗余系统设计不仅提高了系统的可靠性，而且单机故障可现场维修。ii）双母线配电系统设计使输入配电、UPS系统、输由配电实现完全冗余，彻底消除单点供电易引起的故障问题。iii）实现网络化集中监控、管理和维护实时进行系统的各种电气参数的监控， 管理和维护，可大大节省人力和维护成本iv）适宜的工作环境（温、湿度和防尘）iv）适宜的工作环境（温、湿度和防尘）,降低设备的故障率。四、-48V宜流供电系统的设计（略）.系统的组成及工作方式太阳能电池新能源供电系统由太阳能电池方阵、 充电控制器和蓄电池组三部分组成。其工作方式是白天太阳光照射到太阳能电池上，将太阳能转换成电能对蓄电池浮充并向通信设备供电， 夜晚无阳光时，由蓄电池组放电来维持通信设备的正常工作， 其工作方式为半浮充供电方式。详见太阳能电池供电系统图。.太阳能电池方阵功率的计算及安装角度1）太阳能电池方阵功率的计算太阳能电池方阵由若干个太阳能电池板（子阵）并联而成；太阳能电池板（子阵）由若干个太阳能电池组件串、并联而成；而太阳能电池组件由若干个太阳能电池单体串、并联而成。一般生产厂家提供的产品为组件。太阳能电池方阵功率的计算方法有多种， 《电源设计规范》中介绍了一种方法，这里不在赘述，本次结合例子（从厂家提供的组件产品由发）介绍另一计算方法。2）电池方阵安装角度电池方阵安装角度为其背面与地平面的夹角等于当地的地理纬度，春分以后的夹角等于地理纬度减 11°45',秋分以后的夹角等于地理纬度加11°45'。.蓄电池容量的计算及其选择1）蓄电池容量的计算Qc=1.25DQ/k式中：Qc一蓄电池容量（AH）,1.25—安全系数，D当地最长连续阴雨天数。 Q—日耗电量（AH）,k一修正系数2）蓄电池的选择太阳能电池新能源供电系统应选择自放电率低，在室外放置的蓄电池要求其具有耐低温、少维护型密封蓄电池。4.设计应注意的问题1）在设计太阳能电池供电系统前，应首先收集通信站所在的当地相关气象资料（年平均日照小时、当地最长连续阴雨天数） ；同时要了解该通信站的负荷大小及拟选用的太阳能电池组件参数；2）在风光互补地区，根据当地的气象条件、地理位置、风力资源情况，往往将风力发电与太阳能电池组成混合供电系统，以充分利用当地自然能源，减少系统投资成本。3）电池方阵的安装位置一般在不遮阳光的屋顶或铁塔上，其方阵平面应始终对准太阳（自动跟踪）或其背面与地平面的夹角等于当地的地理纬度，春分以后的夹角等于地理纬度减 11°45',秋分以后的夹角等于地理纬度加 11°45'。4.设计案例及分析（风光互补新能源的供电）风光互补新能源供电系统设计举例。风光互补新能源供电系统一般用于无市电或市电缺乏的偏

僻地区的通信中继站（如移动通信基站、光缆、微波中继站），其设计步骤：i）基本资料的收集与了解通信设备工作电压及负荷情况：为 -48V,直流负荷为6A。当地气象资料：年平均日照小时为3000h、最长连续阴雨天数7天以及风力资源情况。拟选用太阳能电池组件参数： 工作电压为16.8V,工作电流为3.28A,峰值功率为55W。根据上述情况，计算太阳能电池方阵功率及蓄电池组的容量。ii）太阳能电池方阵功率的计算①求生太阳能电池需提供的发电量，确定太阳能电池组件的并联数Np（9组）②求生太阳能电池的发电电压， 确定太阳能电池组件的串联数Ns（4组）。③确定太阳能电池组件总数 Nm（36组）④确定方阵功率Pm（1980w）⑤若还考虑风力发电， 则将风力发电量相应减去， 即可得由太阳能电池的发电量和方阵功率。ii）蓄电池组容量的计算蓄电池组的容量主要决定于负载每天的耗电量和当地最长连续阴雨天数。即：Qc=1.25DQ/k=783(AH)(取=783(AH)(取800AH)六、防雷与接地系统通信局（站）的防雷与接地系统应采用联合接地方式， 即通信设备的工作接地、保护接地和建筑物防雷接地共同组合一个联合地网。按照中华人民共和国信息产业部标准 YD5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》有关规定进行设计。.综合通信楼的防雷与接地综合通信楼的防雷接地系统应采用联合接地方式， 组成联合地网，并“优化地网面积”、“机房均压等电位连接”和“有效过电压保护”的综合防雷接地系统方案。.移动通信基站的防雷与接地移动基站的接地电阻值往往偏高，不过，大量统计数据表明，并不是接地电阻越小，遭受雷害的概率也越小，雷害同接地电阻值并不是必然对应的关系，对于移动基站地网的工频接地电阻要求由原先的5Q放宽到10Q,对少数大地电阻率很高的基站不限制工频接地电阻，而要求地网达到雷电最大有效冲击半径 （20m）,并同时提高电源第一级过电压保护和设备端口的保护水平，作为补偿措施。通信局（站）接地系统电阻值要求接地系统电阻值（Q）适用范围/1综合枢纽楼、汇接局、万门以上程控交换局/5地球站等/10［移动通信基站、光缆、微波无人中继站等七、电源集中监控系统（略）八、环境保护与抗震加固1.环境保护随着经济的不断发展、科学技术的不断提高、社会的不断进步，当今人们对自己的生活空间、居住和工作环境都提由了越来越高的要求，不仅水、空气污染已引起人们的高度重视，同样、噪声等污染在一些地区和场所也是人们关注的焦点。水和空气污染属化学性污染，为一物质公害，噪声属物理性污染，为感觉性公害，它们都威胁着人类的身体健康。为此，解决好通信局站的空气和噪声污染，尤其是油机的噪声问题具有十分重要的意义。1）空气污染通信局站现所配置的蓄电池组多为阀控式密封铅酸蓄电池，采用低电压恒压充电方式，正常工作时无酸气溢生，对环境不会构成污染。同时，对蓄电池采用智能化的管理和维护，可大大延长电池的使用寿命。2）噪声通信局站所配置的大功率柴油发电机组工作运转噪声一般都在100dBA以上，需要进行降噪声处理，以满足中华人民共和国GB3096-1993《城市区域环境噪声标准》的要求。同时，机组由于消噪声工程所引起的功率损失应小于机组额定功率的 5%

类别区域昼间夜间0疗养区、高级别墅和宾馆区50401居住、文教机关区55452居住、商业、工业混杂区60503工业区65554交通干线道路两侧区7055LAeq:dB)城市五类区域环境噪声标准值（等效声级另外，在选择UPS高频开关电源等设备时，也要考虑其噪声指标应满足相关规定要求。2.抗震加固在要求抗震设防的通信局（站），加固措施按YD5059-2006《通信设备安装抗震设计规范》 设计。包括蓄电池组的抗震加固、电源设备机架的抗震加固等。九、电源系统常见的问题及改进补救措施电源系统常见的问题主要表现在安全、可靠性和性能指标达不到规定要求，针对所存在的问题，提由对系统进行必要地改进、补救、完善和提高的具体措施如下：.交流供电系统）市电停电次数较多、时间较长架设外市电专线或将原先的一路市电进线改为二路市电进线，以提高市电的可用性。2）市电电压不稳、波动较大适当选择变压器的变压比和电压分接头；变压器容量较大时，可将普通电力变压器改为有载调压变压器；变压器容量较小时，可在低压进线端前，增加一交流自动稳压器，以保证市电电压的稳定。3）主要设备（变压器、油机）及器件（断路器）发热严重根据负荷增加的情况，适当增大主供设备（变压器、油机）及主要器件（断路器）的容量，以减少设备和器件的发热；抑制线路上谐波电流的影响。4）三相电流严重不平衡，零线电流过大、供电线路发热严重降低三相负荷的不对称度，尽量使其分配平衡，减少零线电流的产生。变压器选择△/y结线组别，可使零序电流减小;抑制线路上谐波电流的影响；零线与相线选择同线径大小的电力电缆线，以应对零线电流过大、发热严重的问题。5）功率因数偏低（V0.8）大、中型通信局站的自然功率因数值通常