5G局站配電智能化差異化保障功能的實現

張 健，王天樂，安 洋

（1.中國電信股份有限公司鎮江分公司網絡操作維護中心，江蘇 鎮江 212000；2.中通服節能技術服務有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著我國通信技術的飛速發展，綜合接入型通信局站，特別是鄉鎮局普遍存在5G綜合接入通信網絡規模不斷擴大，局站功率密度大幅增加，運營商新基建配套投資快速增長。不同等級局站動力系統配套的規范性與安全性，是通信網通暢運營的基礎保障。市電和自備發電機組組成的交流供電系統宜采用集中供電方式，系統接線力求簡單、靈活，操作安全且維護方便。基于原有普遍采用的刀閘人工控制動力、照明雙回路選擇模式，需要從配電回路安全隔離、配電差異化保障、發電機組應急效能、油機投資精確化管控等多個方面進一步深入研究，助力通信生產的高質量發展。新型智能化配電系統整合發電機組帶載容量監測與智能控制、能耗監測、動環監控、照明回路防漏電及觸電等功能，力爭實現5G局站配電改造標準化。

1 配電系統安全與負荷分級

通信局（站）的交流變配電系統是指從市電電源線路進局起，經過高低壓變換，到低壓用電設備進線端的整個電路系統，主要由高壓及低壓配電線路、變配電站（所）及其變配電設備組成[1]。低壓交流供電系統采用三相五線制或單相三線制供電。

為通信局（站）的各種通信設備及保障通信的建筑負荷供電的多種電源設備組成的系統，稱為通信電源系統。該系統由交流供電系統、直流供電系統、防雷接地系統和動力環境監控系統組成。集中供電方式電源系統組成如圖1所示。

1.1 交流配電屏

5G綜合接入局站交流配電電源輸入端通常是市電、油機發電機兩路電源引入，系統還會涉及到分負荷種類計量，因此，對于動力、照明、商用等負荷還需要根據負荷種類分別安排在一起配電。以上方面對低壓系統的結構都會造成比較大的影響，在建設之初就必須綜合考慮，防止后期出現使用不便的問題。對于低壓市電電源與備用發電機組電源之間的切換，最好能夠自動進行，因為只有實現自動化運行，才能真正滿足規范要求，減少停電時間、減少后備電池的配置容量、減少維護人員的工作量[2]。

1.2 發電機組

5G綜合接入型通信局站一般應配置備用發電機組，當市電停電時，用它向交流配電屏和保證建筑負荷等供給220/380 V 交流電。備用發電機組主要采用柴油發電機組，通信局（站）采用了可以無人值守的自動化柴油發電機組，當市電停電時能自動啟動、自動切換加載，在市電恢復后能自動卸載停機。

1.3 局站及負荷分類

在YD/T 1051—2010《通信局（站）電源系統總技術要求》中對通信局（站）根據其重要性、規模大小進行了分類，其中一類通信局（站）的通信生產負荷為一級負荷中特別重要負荷，二類、三類通信局（站）的通信生產負荷為一級負荷，以上負荷均需由兩路電源供電，且應增設應急電源。

2 差異化供電對于柴油發電機的意義

根據圖2可知：柴油發電機通過接收負載側的反饋信號間接調節噴油嘴的供油量，來達到控制轉速穩定電壓的效果。通過控制變量法可推算：供油量恒定，機組轉速隨負載增大而減小；負載恒定，機組轉速隨供油量增大而增大[3]。因此，柴油發電機組運行工況與機組負載有著密切的關系。

考慮到目前各5G局站負載增加，原有柴油發電機組容量逐漸不能滿足局站全部用電，為保證機組運行的穩定性與安全性，故將局站用電分為重要負載與非重要負載兩部分，實施差異化供電。

當機組負載≤60%時，機組剩余容量充足，經延時后帶非重要負載也不會因負載加重而出現機組異常運行的情況。反而當機組負載＜30%時，機油黏度較大，機器摩擦阻力增加，不能起到很好的潤滑作用；同時，因機組整體溫度低，熱脹冷縮效應導致活塞及氣缸部分密封性下降，機油竄入氣缸，造成燒機油現象，這部分機油參與了燃燒，并且在氣門，活塞環等處形成積炭，降低發電機組的功率。考慮到這層因素，在工程建設時期，已經選用了容量相匹配的柴油發電機組，避免出現以上情況。

當機組負載在60%～80%時，機組處于最佳運行狀態（發電機組在額定負載75%的工況下耗油最低）。此時，機組水溫在80℃左右，油溫在90～110℃左右，運行正常。因此，本次差異化供電將機組負載60%～80%設為分界點，以確保機組處在最佳運行狀態。

當機組負載在80%～100%時，機組已經接近滿載。此時，機組的運行狀態隨著負載的增加而發生明顯改變：機油溫度隨機組散熱量增加而上升，機油黏稠度下降，油膜不易形成，從而造成潤滑不良，同樣會造成氣缸套密封性下降，機油上竄，燃燒機油，形成積炭等現象，此時機組的功率下降；冷卻水溫度隨機組散熱量增加而上升，機組冷卻系統大循環開啟，若熱量繼續增加，冷卻水接近沸騰，會導致機組高溫停機等事故；大量的熱無處傳遞，導致周圍環境溫度升高，發電機部分線圈絕緣層老化[4]。

當機組負載＞100%時，機組已經超載。除了油溫、水溫升高導致的上述故障外，機組轉子劇烈振動，導致轉子部分機械磨損，勵磁部分因轉子的振動導致輸出電壓不穩；機組整體溫度高，各部位金屬零件易產生熱塑性形變，大大降低機組整體使用壽命及發電效率，且發電機組超載運行時長不超過1 h/12 h。

3 通信配電差異化保障

交流電源系統應對通信局（站）提供一般用和保證用的建筑負荷用電。保證建筑負荷是指通信用空調設備、保證照明、消防電梯、消防水泵等，建筑一般負荷是指一般空調、一般照明及其他備用發電機組不保證的負荷。

3.1 差異化保障要點

合理配置冗余 ，優化配置模型，強化應急手段，提高利用效率，提高運營效益，提升運營價值。依據通信局站電源、空調系統可靠性模型計算，供電、供冷系統可靠性指標與業務保障等級相匹配[5]。依據業務等級、客戶等級，結合網絡和業務保護機制及外市電可靠性現狀。

3.2 綜合樓設計的總體思路

（1）首先了解綜合樓類型、建設單位意圖及當地供電局的規定，確定外市電的運行方式（幾路、如何聯絡、計費方式等）。

（2）與相關專業協調，取得負荷情況，確定變配電系統的容量。

（3）根據變配電系統容量情況初步設計系統，并與相關專業協調確定變配電系統的安裝位置，綜合樓內的走線通道等。

（4）以上可研部分的內容基本結束，初設部分僅是根據更加詳細和準確的基礎數據對可研的深化和細化。

（5）根據初設確定的系統，提出變配電的一次系統圖及訂貨圖、技術規范書。

（6）對土建相關專業提出工藝對土建要求圖（初步，待設備訂貨后再經過修改為正式施工圖）。

（7）根據上述已確定的方案進行施工圖設計，如圖3所示。

3.3 器件選擇

低壓配電設備的保護功能，具有長延時、短延時、瞬時3段保護。對于斷路器、接觸器的脫扣方式選取分勵脫扣，手動、電子方式。 低壓系統的分級保護功能，選擇塑殼斷路器和微型斷路器。ATS選擇PC級，市電、發電負荷監測控制選擇智能電表、PLC 控制器。

4 智能化配電的實現方式

目前配電系統通過人工現場投切負荷的方式控制負載率，如采用PLC自動控制方案，可緩解投資及現場維護壓力，在用系統中亦可通過加裝裝置實現本系統智能控制功能。

4.1 主要解決的問題

（1）集中配電模式下通信保障回路與一般照明回路存在的相互影響。

（2）市電停電自動化發電，發電機組易超載運行。

（3）發電機組配置功率最大化應用。

（4）發電機組投資短缺過程中的維護實際困難。

（5）照明用電回路人身安全防護。

4.2 智能化功能實現原理

本系統通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）來實現自動判斷與動作。本文主要從硬件層面及軟件層面進行闡述。

4.2.1 硬件層面

硬件層面主要由智能儀表、PLC、開關電源（AC220 V轉DC24 V）、繼電器、接觸器等4個部分組成，原理如圖4所示。

圖4 硬件層面回路

（1）智能儀表用來顯示柴油發電機的電流、電壓、電能等各項參數，另一方面將采集到的發電機的實時電流，通過Modbus通信協議傳輸到PLC中。

（2）PLC用于讀取智能儀表中的電流參數，通過協議轉換和參數處理，將讀取到的電流值轉換成浮點數，輸入到PLC的輸入接口中，然后PLC內部進行邏輯判斷，將結果輸入到輸出接口中。

（3）開關電源用于將主回路的交流220 V電壓轉換成用于PLC輸出接口的直流24 V工作電壓。

（4）繼電器的線圈與PLC的輸出接口、開關電源DC 24 V電源共同組成一個回路，當PLC的輸出接口動作時，繼電器線圈得電吸合，然后將繼電器的常開輔助觸點的狀態傳輸到接觸器回路中。

（5）接觸器的線圈與繼電器的常開輔助觸點以及交流220 V電源共成一個回路，當繼電器的常開觸點變成閉合時，接觸器線圈得電吸合，對主回路進行合閘，合閘操作執行完畢。

4.2.2 軟件層面

軟件層面主要由主程序4個（OBI）、參數處理、Modbus數據采集、切換邏輯四部分組成。

主程序（OBI）是程序的主體，每一個項目都必須并且只能有一個主程序。在主程序中可以調用各個子程序，如圖5所示。

圖5 主程序（OBI）

參數處理用于將智能儀表中讀取的數值轉換成浮點數,然后通過邏輯運算得到每相的電流。

浮點換算如圖6所示。計算電流如圖7所示。

圖6 浮點計算

圖7 電流計算

Modbus數據采集用于PLC與智能儀表通信，采集智能儀表中的數據，并將其數據傳入到參數處理程序中。本程序中的波特率設置為19 200，無奇偶校驗，地址為10，如圖8所示。

圖8 Modbus數據采集

切換邏輯為本系統的核心子程序，主要用來將發電機實時電流與非重要負載分合閘閾值進行比較，并通過延時進行PLC輸出接口的分合閘動作。

閾值設置如下：

當In（實時電流）≤60%的油機額定輸出電流時，且這種狀態維持10 min，此時PLC對接觸器進行合閘控制，將非重要負載通電。

當In（實時電流）≥80%的油機額定輸出電流時，且這種狀態維持5 min，此時PLC對接觸器進行斷開控制，將非重要負載斷電。

發電機額定電流60%～80%換算，如圖9所示。

圖9 額定電流60%～80%換算

In（實時電流）≤60%的油機額定輸出電流時，且這種狀態維持10 min，此時PLC對接觸器進行合閘控制，如圖10所示。

圖10 In（實時電流）≤60%的油機額定輸出電流

In（實時電流）≥80%的油機額定輸出電流時，且這種狀態維持5 min，此時PLC對接觸器進行斷開控制，如圖11所示。

圖11 In（實時電流）≥80%的油機額定輸出電流

緊急情況下，當實際需要干預PLC系統工作，強行將非重要負載合閘時，本系統設置了手動/自動切換模式，即切換到手動模式后，PLC系統不再工作，不再進行自動操作，可通過人工操作，將后端非重要負載通電。

4.3 局站照明類供電安全

本項目重點研究配電結構對人身安全以及通信網配電回路的影響。現有局站配電為了滿足與供電側的上下級配置關系，以及通信動力回路特性，開關電源回路漏電流保護需大于70 mA，一般情況下市電總斷路器漏電流設定在250 mA以上，無法滿足人身安全防護要求。同時，照明回路漏電易導致市電總斷路器跳閘保護。因此，配電系統采用三相或單相漏電保護開關裝置，對辦公、營業及局房照明供電，保護電流為30 mA.

4.4 與傳統配電優缺點比較

PLC自動負荷控制裝置以及配電分路改造，實施難度較小，成本可控。250 A/380 V加交流配電系統標準化配電屏，如采用單機架設備配置（負荷容量、分路數量、控制采集滿足CD類局站需求），通過智能化、集成化手段，節省空間及投資，同時融合動環、能耗、觸電保護等功能，符合通信動力IT化與智能化發展方向與安全運行技術要求，按交流配電屏使用年限具備10年以上生命周期，達成降本增效的目標。

5 結 論

本研究拓展了PLC自動控制場景，實現PLC自動控制在通信網中小型配電系統中的應用，發電機組負載率的控制由自身過載停機保護轉為系統性的智能化控制，為進一步實現動力系統安全與能耗AI控制積累經驗。下階段計劃與動環監控系統強關聯，依托現有大數據可實現AI控制，推動配電系統從自動化向智能化、模塊化發展。