通信開關電源休眠節能技術的應用分析

何 霞

（中國鐵塔股份有限公司 廣州市公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

通信開關電源在選擇電源容量時，需要保證負載最大功耗狀態下的供電，同時有足夠的容量用于電池充電，再考慮N+1冗余，然而系統日常運行時的負載率往往較低，無法達到標稱的系統效率，造成了能源的浪費。通信開關電源的節能措施中，可以開展技術改進及加強開關電源能效管理，使整流模塊運行于最佳效率點附近，進而達到節能效果。

1 通信開關電源休眠節能的必要性

在通信企業中，降低電力消耗是實現節能減排的核心。近年來，通過對大量節能降耗測試推廣工作的開展，通信行業中已經明確了通信機房的節能工作，涉及到了機房環境通風隔熱、通信設備節電、空調節電等方面的內容[1]。以常規通信基站的運行情況、設備配置來看，能耗的構成要素主要包括：機房配電照明占比3%、通信電源設備耗電占比8%、空調用電占比46%、通信主設備耗電占比43%。從中能夠看出，通信基站節能減排中，作為保證通信主設備帶載及不間斷運行的通信開關電源節電也不能忽視。因此，在基站降耗工作中，積極開展通信開關電源的休眠節能也有很大的必要性。

現廣州通信基站每日電量大于200 kW·h的站點約4 400個，而廣州公司每日需承載約有15 000多個基站滴水般的耗電。在能源價格不斷上漲、電量增長不可逆轉的形勢下，堅持開源與節流并重，優化節能，降低基站耗電量勢在必行。

2 通信開關電源休眠節能的主要原理

在通信開關電源節能方面，將系統整體效率提高是一個關鍵點。結合不同負載率條件下通信開關電源設備的效率，能夠發現隨著負載率的提升，通信開關電源設備的效率也會增加[2]。通信基站電源配置方面，通常都是根據最大負載、蓄電池充電電流、N+1備份等原則確定。在具體運行時，相對于整個電源系統，蓄電池充電時間很短，所以很多情況下，電源系統都是在50%以下負載率較低的區間內工作。如果基站話務比較低，還會進一步降低電源系統的負載率。因此，在很長時間內，電源系統整流模塊都處于低負載狀態，并未達到最佳工作效率區間。由此能夠看出，結合電源系統效率進行分析，可以改進電源系統監控模塊的管理功能，達到整流模塊智能休眠的效果，保證開關電源系統的工作效率區間最理想，提升電源系統效率，以滿足節能的效果要求。

不同負載率的模塊效率如圖1所示。如果整流模塊的負載率處在A以下，則整流模塊處于較低的效率水平；如果整流模塊的負載率在A、B之間，則整流模塊處于最高的工作效率；如果整流模塊的負載率在B以上，則整流模塊處于降低效率輸出的狀態。當整流模塊的負載率在A以下時，則開關電源可以利用監控單元，將部分整流模塊關閉，調整為待機熱備份的狀態。這種狀態不會產生較高功耗，系統中運行的電源模塊也能保持在A點以上的負載率[3]。此外，如果整流模塊的負載率在B以上，效能管理使整流模塊調整為休眠關閉，那么監控單元可以將關閉的模塊自動打開，從而確保系統整流模塊的負載率始終維持在A、B之間，這樣電源系統的運行效率就能保持在較高水平。

圖1 不同負載率的模塊效率

電源系統應用智能休眠功能后，如果出現負載率明顯增加的情況，如模塊故障、停電恢復后蓄電池充電等狀態時，在確保系統冗余安全的基礎上，監控單元可以將休眠待機整流模塊有選擇性地及時打開，進而保證系統的工作狀態可靠、安全、穩定。監控單元能夠定期開關轉換工作和休眠的整流器，讓各個模塊基本保持相同的工作和待機時長，這樣能夠確保模塊老化進程均勻，工作壽命基本相同[4]。通過將各個整流模塊處于相同工作狀態，防止出現部分模塊長時間高負荷運行而發生損壞的情況。此外，休眠節能技術（見圖2）和傳統的遙控關機技術不同，在模塊休眠部分中，工作運行的只有控制部分。而遙控關機功能只能將直流電源轉直流電源（Direct Current/Direct Current，DC/DC）部分也就是模塊輸出部分關閉，所以會產生一定的損耗，因此休眠節能技術的效果更好。

圖2 休眠節能技術

3 通信開關電源休眠節能技術的測試應用

當前電信運營企業對于新入網的通信電源都提出了明確的要求，必須要具備模塊智能休眠功能，以滿足節能降耗的工作要求。以往的在網運行開關電源基本都沒有整流模塊智能休眠節能管理的功能，對此可以更換升級監控單元控制芯片，使其具備休眠管理的功能。某省兩家主流通信電源廠家基站開關電源開展了休眠節能升級改造測試，后續在基站中大范圍應用。分別在該省兩個地市分公司基站選擇兩種在網運行電源[5]。同種電源各選取3個不同負載率基站，更換監控單元控制芯片，具備整流模塊智能休眠節電功能。將電表安裝在開關電源輸入端，對改造前后不用時間電源耗電量進行統計，測試中確保開關電源沒有和其他交流用電設備連接。注意選取的站點系統負載率不超過50%，負載無較大波動基本不變，每日嚴格在相同時間抄取電表讀數，且使用的電表為高精度，保證數據精準[6]。測試結果如表1所示。

根據表1能夠得知，兩種參與休眠節能試驗的基站電源均為20%左右的平均負載率，使用節能管理芯片更換后，取得了顯著的節電效果。其中，A電源和B電源的每日節電分別為6.7 kW·h和5.4 kW·h。以B站為例，每個基站每月的節電量約為162 kW·h，每年的節電量約為1 944 kW·h，相當于關閉2個120萬kW的中型發電廠，約為2個中型城市的用電量。模塊休眠的應用不僅具有巨大的經濟效益，更有巨大的環保效益和社會效益。

通過比較基站1和基站4的數據能夠得知，如果負載電流相同，兩種不同電源也會存在較大的靜態功耗差異。兩個測試基站都是31 A的系統負載電流，而電源系統日均總耗電的差距是14.4 kW·h。

模塊負載電流曲線如圖3所示，利用動環監控系統，對基站6中4個整流模塊負載電流的變化情況加以考慮，結合表1的數據可知，系統負載總電流為60 A，配置了2組500 Ah蓄電池。根據數據能夠對電源模塊在休眠關閉、停電復電后全部開啟的工作狀態進行了解。例如，在A點之前，4個整流模塊都是均流運行，每個模塊都有15 A的電流；在A點之后，模塊3休眠關閉，其余3個模塊的電流均增加到20 A；在B點之后，開始交流停電，所有模塊關閉；C點時恢復交流供電，4個整流模塊都開啟，休眠停止，對負載電流、蓄電池充電電流等同時分擔，每個模塊中最大可達到40 A的電流；在D點之后，電池充電完成，模塊電流降低；在E點之后，模塊4的電流變為0，完全軟關斷休眠，其余3個模塊以均流的方式供電，每個模塊的電流變為停電之前20 A。據此能夠了解到，在停電復電之后，休眠模塊也能夠及時開啟并將工作恢復[7]。

圖3 模塊負載電流曲線

表1 基站電源休眠節能測試數據

對于A電源的休眠節能功能，有關部門檢測中心也進行了相應的測試，結果顯示，相比于正常工作狀態，智能休眠工作狀態下的通信電源系統能發揮明顯的節能效果。在應用了休眠節能技術之后，電源系統能夠保持穩定，同時還明顯增加了效率。因此，在不同負載條件下，休眠控制都能保證系統最佳工作效率狀態，同時滿足節能要求。此外，在負載率越低的情況下，采用休眠節能工作模式就能夠達到越明顯的節能效果[8]。例如，當運行狀態負載率為10%時，在節能之后，可以降低50%的系統功耗，效果十分顯著。

4 通信開關電源休眠節能技術的效果分析

在通信開關電源休眠節能技術中，為了保證良好的節能效果和實際應用，應當對幾個方面的內容重點關注。在通信開關電源中，休眠節能技術與遙控關機、模塊關機等有所差異，可以針對整流模塊進行智能開關管理，提升系統運行效率。如果通信開關電源系統是在網運行狀態，則可以將其管理芯片進行升級更換，達到智能休眠的節能效果[9]。當前主流廠家提供的各種常用新型開關電源中，大多數都具備了智能休眠節能的功能。但由于技術應用較新，所以在未來應用中應對系統工作狀態做好監測，確保系統升級之后，可以和后臺監控保持良好通信，及時發現和解決新系統的各種問題，并驗證新系統長期工作的穩定性。這樣能夠在達到節能降耗效果的同時，也為系統運行的安全性提供保證。

在電源系統中增加節能功能，借助監控模塊單元的作用進行正常運行模式或節能運行模式的設定。測試驗證電源系統節電功能后，在實際應用中還要進一步改進電源系統模塊，標記好系統模塊節能工作狀態，以免維修人員判斷錯誤。及時更新后臺軟件，使管理人員可以對相關數據準確分析[10]。通過對電源休眠節能效果的測試，基站試點顯示日均節電可達到5.4～6.7 kW·h，測試結果顯示日均節電為0.06～6.80 kW·h，表明達到了理想的實際節能效果。休眠節電實施具有便利性，節能效果的實現可利用控制芯片更換達成。運用休眠節能技術能夠延長整流模塊的使用壽命和電源設備的使用周期，實現了成本節約。通過運用開關電源節能系統，能夠有效減少交流配電和空調的耗電，從而達到更好的整體節能效果。

5 結 論

在通信開關電源控制中，應用休眠節能技術具有很大的必要性，是實現通信領域降低能耗的重要手段。很多研究表明，休眠節能技術可以發揮出理想的效果，將智能休眠節電模式應用于開關電源系統，可保證模塊智能休眠控制，保持穩定運行，同時滿足節能要求。此外，實際應用中要考慮不同的配置及工作特性，選取最合理的方案。