CN108631434A - 一种通信机房-48v直流供电系统及传统供电系统的改造方法 - Google Patents

一种通信机房-48v直流供电系统及传统供电系统的改造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通信机房‑48V直流供电系统及传统通信机房供电系统的改造方法，所述供电系统包括市电电源，以及连接于市电电源和通信设备之间的主用线缆和备用线缆，所述主用线缆由直径较细的线缆构成，所述备用线缆由直径较粗的线缆构成，所述备用线缆靠近市电电源的一端设有第一AC/DC变换器，所述第一AC/DC变换器连接有蓄电池组；所述主用线缆靠近通信设备的一端设有近端整流模块，所述近端整流模块包括电压比较器、PWM控制器和第二AC/DC变换器。本发明供电系统有效降低了供电线缆电能损耗，减少了线缆铜材的使用量，有效节省了机房线缆敷设空间，降低了线缆重量；并可避免主用线缆和备用线缆上出现电压压差，保证了通信设备的运行安全。

Description

一种通信机房-48V直流供电系统及传统供电系统的改造方法
技术领域
本发明属于通信设备技术领域，涉及一种通信机房-48V直流供电系统及通信机房传统供电系统的改造方法。
背景技术
传统的通信网络核心设备一般采用图1所示的供电系统进行供电，即通过“AC/DC变换器+蓄电池组”的方式进行可靠供电：AC/DC变换器将380V/220V的交流市电转换为48V的直流电，在向通信设备供电的同时，也对蓄电池组充电；一旦市电故障停电，由蓄电池组继续向通信设备供电，实现了对通信设备的连续可靠不间断供电。同时，为了保证供电安全可靠，一般采用双路线缆（主用线缆+备用线缆）引接电源向负荷侧即通信设备供电的模式。
这种传统的供电方式虽然满足了安全性，但是在节能等方面却也有着突出的弊端：
具体地，通信网络核心设备一般都是安装在大型通信枢纽机房内，从产生-48V直流电源的电源端到用电的通信设备端，中间一般都要通过阻燃的电力线缆连接。一般通信机房里的电源设备和通信设备分别是两个独立空间，所以，电力线缆路径较长，最长时可达到上百米。
线缆较长，带来的问题：一是线缆电阻值与长度成正比，距离长则电阻大，大量的电能流经线缆，通过发热的形式消耗能量。二是经过较长距离后，电压损耗大，到达设备侧电压就偏低。为了保证设备的标准供电电压，一般只能采取加大线缆的截面积，也就是布置截面积更大的线缆，或者将多根线缆并联使用，达到加粗线缆、降低电压损耗的效果。如此，不但消耗了大量的铜材，而且，大量的线缆布放，占用了机房线缆走廊的孔洞、桥架等，增加了机房承重等。虽然行业内已经在积极试验240V/336V的高压直流供电模式，但是，目前正在运行的大量48V供电系统，仍然在很长一段时间内是通信核心网络的主要供电设备。因此，对现有通信设备的48V直流供电系统进行节能降耗的改造，十分必要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种能有效节能并减少线缆铜材用量的通信机房-48V直流供电系统。
本发明的另一目的在于提供一种传统通信机房-48V直流供电系统的改造方法。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种通信机房-48V直流供电系统，包括市电电源，以及连接于市电电源和通信设备之间的主用线缆和备用线缆，所述主用线缆由直径较细的线缆构成，所述备用线缆由直径较粗的线缆构成，所述备用线缆靠近市电电源的一端设有用于转换得到48V 直流电的第一AC/DC变换器，所述第一AC/DC变换器连接有蓄电池组；
所述主用线缆靠近通信设备的一端设有近端整流模块，所述近端整流模块包括电压比较器、PWM控制器和用于转换得到48V 直流电的第二AC/DC变换器，所述第二AC/DC变换器连接于主用线缆上，所述电压比较器的同相输入端分别连接备用线缆和PWM控制器的同相输入端，所述电压比较器的反相输入端连接第二AC/DC变换器的输出端，所述电压比较器的输出端连接PWM控制器的反相输入端，所述PWM控制器的输出端连接第二AC/DC变换器的输入端。
进一步地，所述备用线缆的截面积是主用线缆的4-6倍。
进一步地，所述第二AC/DC变换器与通信设备之间通过较粗的线缆相连接。
一种传统通信机房-48V直流供电系统的改造方法，是将原较粗的主用线缆替换为前述供电系统中较细的主用线缆，将原连接市电电源的AC/DC变换器连接于备用线缆靠近市电电源的一端并作为前述供电系统的第一AC/DC变换器使用，在主用线缆靠近通信设备的一端设置前述供电系统的近端整流模块。
一、本发明直流供电系统及传统供电系统改造方法的原理分析
本发明仍然通过较长的线缆，从较远的市电电源处引接电源。电源处配套有蓄电池组，在市电故障时，能通过蓄电池组提供后备电源，保证通信设备的连续供电，保证了通信网络的安全稳定运行。
通信设备的主用电源，变更为不再从远处AC/DC变换器处引接，而是通过较细的线缆从380/220V的市电电源直接引接，到达通信设备近端后，加装一个 “近端整流模块”，整流为-48V的直流电后向通信设备供电。
此外，对于通信设备来说，主、备两路供电线缆，应该尽量做到电压平衡。这是因为，早期的或者部分后期的设备，为了降低成本，厂家对电源的配置水平较低，主、备两路电源没有完全隔离，如果主备线缆上存在电压差，一是可能形成环流导致安全隐患，二是主备线缆供电切换时可能导致电压跃变，通信业务瞬间可能受到影响。所以，本方案的核心也就是使用改造过的近端整流模块，实现节能的目的。近端整流模块通过隔离采样后，将通信设备的 A口电压（主用线缆提供）、B口电压（备用线缆提供）输入电压比较器，经过比较后输出的控制信号，送到近端整流模块的控制电路里，以此控制近端整流模块的脉宽调制（PWM）的过程。整个系统形成负反馈。
通过上述改造，当A口电压高于B口电压时，通过电压比较器输出控制信号，PWM控制器通过调整使得第二AC/DC变换器输出电压降低。经过负反馈的作用，使得A口电压最终跟踪B口电压，且与其基本一致，从而消除了通信设备（负荷侧）的主、备用线缆电源压差，对设备的安全运行不构成影响。
对改造方法而言，通信设备（即负荷侧）无论是主用线缆还是备用线缆，都是接在标准的-48V直流上，所以现有的通信设备不做任何改造，避免因此可能造成的额外投资和通信业务中断，这样，就保证了本发明改造方案的可行性。
二、系统安全性能分析
（1）系统正常时：直流-48V双电源供电
因为近端整流模块的“电压跟随”功能，所以输出的电压（A端口）与远端第一AC/DC变换器输送到通信设备电源接口（B端口）的电压基本一致，通信设备无电源告警，通信业务正常。
（2）第一AC/DC变换器及蓄电池组全面故障：近端整流模块供电
B端口掉电时，因为A端口电压正常，所以，通信设备有“备用电源故障”告警，但能正常运行，通信业务正常不受影响。因为双路供电完全独立，因此，改造后的方案，比传统的单系统双路供电安全可靠性大大提高。
（3）近端整流模块故障：开关电源供电
A端口掉电，但因为B端口的第一AC/DC变换器及蓄电池组正常工作，所以，通信设备有“主用电源故障”告警，但仍然能正常运行，通信业务正常不受影响。而且此时市电闪断，因B端口供电有蓄电池组后备，所以仍然安全。
（4）市电停电：蓄电池组供电
当市电停电时，A端口掉电， B端口电压由蓄电池组系统提供，所以仍然正常，此时通信设备有“主用电源故障”告警，通信业务正常不受影响。
三、系统经济效益分析
（1）线缆发热耗能比较
电流通过线缆导体的时候会产生热量，同时也消耗电能。载流线缆的发热公式如下：
Q=I 2 RT
显见，线缆发热量Q与I为载的电流的二次方成正比，与线缆的阻抗R也成正比。
忽略电源变换的损耗以及功率因数cosφ的影响，根据能量守恒的原则，电能量无论是直流还是交流，功率也应该相等。所以，同一套设备需要的电功率，直流的电流值I D 和交流电流I A 的比例关系如下：
P=U D I D =3U A I A
带入额定电压值：直流电压值U D =53V ，交流电压值U A =220V，得出：
I D /I A =3*220/53=12.453倍，二次方后为155倍。
线路电阻 R=ρL/S，因供电线路单程距离不变，交流线缆与直流线缆因单位面积载流量相等，因此，主用线缆即交流线缆的截面积SA 、备用线缆即直流线缆的截面积SD，主用线缆阻值RA与备用线缆阻值RD的关系如下：S D /S A ≈12.453 ，R A /R D ≈12.453。
代入发热公式Q=I 2 RT，得出 Q D /Q A =12.453。
因平衡三相交流线路中3根相线线缆承载电流，中性线正常时无电流通过，而直流供电时正负极两根线缆均通过电流，所以，还需考虑修正系数2/3，即，实际的Q D /Q A =12.453* 2/3=8.3倍。即输送同样功率的电能，-48V的直流线路的发热量是380/220V的交流线路的8.3倍。
（2）铜缆的有色金属消耗
由前面推导出线缆的截面比例关系S D /S A ≈12.453，考虑到实际敷设线路时直流2芯、三相交流5芯，加上修正系数2/5，实际铜材消耗量备用线缆约为主用线缆的5倍。即输送同样功率的电能，-48V的直流线路消耗的铜材消耗量是380/220V的交流线路的5倍。
（3）线缆走廊及孔洞、桥架的占用及承重
同样，由前面推导出线缆的截面比例关系S D /S A ≈5，即输送同样功率的电能，-48V的直流线路比380/220V的交流线路，敷设线缆时占用的槽道、桥架、孔洞都是5倍的关系，而且，机房总承重也是5倍的关系。
综上可见，本发明的有益效果在于：有效降低了供电线缆电能损耗，减少了线缆铜材的使用量，有效节省了机房线缆敷设空间，降低了线缆重量；系统供电安全可靠性较之前有了更大提高，可避免主用线缆和备用线缆上出现电压压差，保证了通信设备的运行安全。
附图说明
图1为改造前通信机房-48V直流供电系统的结构示意图；
图2为本发明通信机房-48V直流供电系统的结构示意图；
图中，1-市电电源，2-主用线缆，3-备用线缆，4-第一AC/DC变换器，5-蓄电池组，6-近端整流模块，7-电压比较器，8-PWM控制器，9-第二AC/DC变换器，10-通信设备。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图2所示，一种通信机房-48V直流供电系统，包括市电电源1，以及连接于市电电源1和通信设备10之间的主用线缆2和备用线缆3，主用线缆2由直径较细的线缆构成，备用线缆3由直径较粗的线缆构成，备用线缆3靠近市电电源1的一端设有用于转换得到48V 直流电的第一AC/DC变换器4，第一AC/DC变换器4连接有蓄电池组5；
主用线缆2靠近通信设备10的一端设有近端整流模块6，近端整流模块6包括电压比较器7、PWM控制器8和用于转换得到48V 直流电的第二AC/DC变换器9，第二AC/DC变换器9连接于主用线缆2上，电压比较器7的同相输入端分别连接备用线缆3和PWM控制器8的同相输入端，电压比较器7的反相输入端连接第二AC/DC变换器9的输出端，电压比较器7的输出端连接PWM控制器8的反相输入端，PWM控制器8的输出端连接第二AC/DC变换器9的输入端。
进一步地，备用线缆3的截面积是主用线缆2的4-6倍。
进一步地，第二AC/DC变换器9与通信设备10之间通过较粗的线缆相连接。
本实施例中，电压比较器7和PWM控制器8采用现有电路模块即可。
本发明通信机房-48V直流供电系统的工作过程如下：
正常情况下，主用线缆2和备用线缆3同时工作，分别承担50%的供电量。相较于传统方式，本发明主用线缆2直接连接380/220V市电电源1进行供电，不再预先转换为48V直流电供电，因供电电压提升，线缆相应可采用较细的线缆，以降低电能损耗和铜材用量。电流经过近端整流模块6处时，经第二AC/DC变换器9的整流作用，交流电在靠近通信设备10一端就近转换为直流电并对设备进行直流供电。当主用线缆2出现故障断电时，备用电缆3承担全部供电负荷。当市电电源1停电时，蓄电池组5开始供电，保证设备的不间断供电。
特别地，近端整流模块6将通信设备10的 A口电压（主用线缆提供）和B口电压（备用线缆提供）同时输入电压比较器7，经过比较后输出的控制信号送到PWM控制器8，实现线缆电压的脉宽调制；具体地，当A口电压高于B口电压时， PWM控制器8通过调整使得第二AC/DC变换器9输出电压降低，经过负反馈的作用， A口电压最终跟踪B口电压，且与其基本一致，进而消除了通信设备10（负荷侧）的主、备用线缆电源压差，避免主备线缆形成环流造成安全隐患，并可避免主备线缆切换时可能出现的电压跃变，从而保障了设备的运行安全。
实施例2
一种传统通信机房-48V直流供电系统的改造方法，是将原较粗的主用线缆替换为实施例1供电系统中较细的主用线缆，将原连接市电电源的AC/DC变换器连接于备用线缆靠近市电电源的一端并作为实施例1供电系统的第一AC/DC变换器使用，在主用线缆靠近通信设备的一端设置实施例1供电系统的近端整流模块。
改造过程中，保留了原来的备用线缆，将原主用线缆变更为较细的线缆并用于交流电的传输，在主用线缆靠近通信设备的一端增设了近端整流模块以做到主备线缆的电压平衡。这种改造方式可避免将主用线缆和备用线缆同时停用，保障通信设备的不间断供电，并最大程度的保留了原有设备；且改造过程中不需要对通信设备进行改造，大大降低了改造成本，提高了改造方法的可行性。

Claims (4)

1.一种通信机房-48V直流供电系统，其特征在于，包括市电电源，以及连接于市电电源和通信设备之间的主用线缆和备用线缆，所述主用线缆由直径较细的线缆构成，所述备用线缆由直径较粗的线缆构成，所述备用线缆靠近市电电源的一端设有用于转换得到48V 直流电的第一AC/DC变换器，所述第一AC/DC变换器连接有蓄电池组；
所述主用线缆靠近通信设备的一端设有近端整流模块，所述近端整流模块包括电压比较器、PWM控制器和用于转换得到48V 直流电的第二AC/DC变换器，所述第二AC/DC变换器连接于主用线缆上，所述电压比较器的同相输入端分别连接备用线缆和PWM控制器的同相输入端，所述电压比较器的反相输入端连接第二AC/DC变换器的输出端，所述电压比较器的输出端连接PWM控制器的反相输入端，所述PWM控制器的输出端连接第二AC/DC变换器的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种通信机房-48V直流供电系统，其特征在于，所述备用线缆的截面积是主用线缆的4-6倍。
3.根据权利要求1所述的一种通信机房-48V直流供电系统，其特征在于，所述第二AC/DC变换器与通信设备之间通过较粗的线缆相连接。
4.一种传统通信机房-48V直流供电系统的改造方法，其特征在于，是将原较粗的主用线缆替换为权利要求1所述较细的主用线缆，将原连接市电电源的AC/DC变换器连接于备用线缆靠近市电电源的一端并作为权利要求1的第一AC/DC变换器使用，在主用线缆靠近通信设备的一端设置权利要求1所述的近端整流模块。
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