通信網(wǎng)動力需求及開關(guān)電源發(fā)展趨勢探討

一、前言

通信電源是通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備。在通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期采用的相控整流電源滿足的只是基本的穩(wěn)壓供電要求，而在通信事業(yè)大發(fā)展的十幾年中，通信電源行業(yè)在強(qiáng)勁需求帶動下經(jīng)歷了快速變革?？v觀通信電源發(fā)展過程，其產(chǎn)品進(jìn)步主要受兩個因素影響：電力電子技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對動力平臺的要求。在現(xiàn)階段，除了以上兩個推動通信電源產(chǎn)品發(fā)展的因素之外，節(jié)能減排要求是通信電源產(chǎn)品最重要的技術(shù)導(dǎo)向，也是對企業(yè)社會責(zé)任的要求。

通信電源設(shè)備作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)備，在通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要綜合考慮建設(shè)成本、運(yùn)行成本、技術(shù)先進(jìn)性、穩(wěn)定性、環(huán)保等各個方面。自工業(yè)和信息化部發(fā)放3G牌照以來，運(yùn)營商之間全業(yè)務(wù)、全方位的競爭格局已經(jīng)形成，國內(nèi)通信行業(yè)正在經(jīng)歷市場格局的深遠(yuǎn)變化。

二、通信電源技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展歷程

通信電源技術(shù)的發(fā)展與通信設(shè)備、商用通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展息息相關(guān)。20世紀(jì)70年代，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備幾乎全部采用模擬技術(shù)，輸入電壓范圍窄，配置的開口式鉛酸蓄電池組需要增加尾電池，對電源設(shè)備輸出特性要求簡單，而對輸入特性幾乎沒有要求。這一時期的通信電源主要采用相控整流技術(shù)，一般效率在80%以下，功率因數(shù)低于0.85，諧波高于30%，且體積龐大。

20世紀(jì)80年代，隨著可以寬電壓供電的數(shù)字程控交換機(jī)的引入，對供電質(zhì)量要求提升;另一方面，電力部門對用電設(shè)備輸入特性也越來越重視。1994年我國決定大規(guī)模發(fā)展數(shù)字移動通信網(wǎng)之后，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對電源設(shè)備提出了新的要求。1994年，在原郵電部要求通信行業(yè)推廣使用高頻開關(guān)電源以取代相控電源之后10年時間內(nèi)，作為第三代通信電源的智能高頻開關(guān)電源已經(jīng)完成對第二代通信電源的替代升級，在產(chǎn)品設(shè)計、成本控制、制造能力、質(zhì)量控制等各方面具備相當(dāng)?shù)某墒於?，有效的支撐了商用通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。

三、第四代通信用直流電源

目前在網(wǎng)應(yīng)用的高頻開關(guān)電源大多采用軟開關(guān)技術(shù)，效率已較相控電源提高了10%以上，日常較低負(fù)載率運(yùn)行效率可達(dá)到85%左右。2008年以來，控制技術(shù)和器件技術(shù)的進(jìn)步使得更合理的拓?fù)涞靡詰?yīng)用，以整流器效率高于96%為顯著標(biāo)志的第四代電源產(chǎn)品開始商用。4年以來，高效電源有了更大的技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)品成熟度已經(jīng)完全滿足通信行業(yè)要求。主流廠商現(xiàn)都可以生產(chǎn)高效率開關(guān)電源產(chǎn)品，部分行業(yè)領(lǐng)先的廠家已經(jīng)推出了峰值效率高于98%的整流模塊(為表述方便，下文將第四代通信用直流電源稱為高效直流電源)。

四、第四代通信用直流電源的應(yīng)用情況

國內(nèi)電信運(yùn)營商從2010年開始采用高效直流電源，從應(yīng)用效果來看，高效直流電源具有更高的可靠性、環(huán)境適應(yīng)能力，并可以有效的降低基站能耗。

1)更高的可靠性

因為產(chǎn)品的能耗降低，所以高效直流電源的發(fā)熱量降低。相比普通效率電源，高效直流電源發(fā)熱量降低50%以上。如圖1所示，在機(jī)房溫度25℃～35℃時，高效模塊內(nèi)部關(guān)鍵器件(整流橋、開關(guān)器件、主變壓器、電解電容)的溫度相比普效模塊降低約5℃～15℃，從而壽命得到提高。其中對溫度最為敏感的電解電容，壽命可提高40%以上。從實際應(yīng)用的故障率統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，第四代通信電源產(chǎn)品比普通效率產(chǎn)品低10%～20%。

圖1 普效與高效模塊熱設(shè)計、運(yùn)行溫度、壽命對比

2)更好的環(huán)境適應(yīng)能力

隨著節(jié)能減排的深入，基站運(yùn)行溫度逐步提升，以最大限度的減少制冷能耗。在長期試驗取得良好效果之后，提升站點(diǎn)空調(diào)的工作溫度已經(jīng)成為運(yùn)營商節(jié)能減排的重要手段。

中國移動頒布的《關(guān)于中國移動“2011年綠色行動計劃”工作的指導(dǎo)意見》中要求80%的基站運(yùn)行溫度提高到30℃，20%的基站運(yùn)行溫度提高到35℃。而隨著WLAN、FTTx的建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)不斷深入，安裝于弱電井、樓梯間等缺乏專門的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備場合的站點(diǎn)越來越多，溫度、濕度、空氣潔凈度都無法保障。另一方面，戶外型站點(diǎn)由于建站速度快，投資運(yùn)行成本低，近年發(fā)展也呈上升態(tài)勢。站點(diǎn)的發(fā)展要求電源設(shè)備具備更加良好的環(huán)境適應(yīng)性。

基站現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的直流電源允許工作溫度范圍一般是-5℃～40℃，且日平均氣溫不高于35℃。而高效模塊數(shù)字化程度的提高和發(fā)熱量的顯著降低為更加優(yōu)化的熱設(shè)計提供了可能，55℃下可滿載輸出的產(chǎn)品也已在市面出現(xiàn)，最高允許工作溫度允許達(dá)到65℃。直流電源工作溫度范圍的提升，可以讓電源設(shè)備正常工作于弱電井、樓梯間等缺乏專門的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的場合，也可以使電源設(shè)備正常工作于戶外型站點(diǎn)。各廠商的普通效率直流電源在這些場景下工作時，故障率普遍增加30%以上，采用高效直流電源以后，故障率大大降低，可以與普通效率模塊在有空調(diào)站點(diǎn)運(yùn)行的故障率持平。

采用高效直流電源，可以為通信網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋提供更好的供電保障。

3)更低的能耗水平

全球氣候變暖對世界的影響已經(jīng)越來越深入，節(jié)能減排是全球每個企業(yè)和每個人應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會責(zé)任。1992年通過的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和1997年通過并于2005年生效的《京都議定書》強(qiáng)化了全社會所有團(tuán)體、組織、企業(yè)和個人的責(zé)任。

另一方面，2008年以來通信網(wǎng)絡(luò)再次高速發(fā)展，2011年底三大運(yùn)營商基站總量已達(dá)180萬，較2008年增長近4倍。雖然多載波功率放大、分布式基站等技術(shù)的廣泛應(yīng)用有效降低了單站點(diǎn)能耗，電費(fèi)仍然成為運(yùn)營商綜合成本當(dāng)中增加最快的部分。通信網(wǎng)絡(luò)能耗的進(jìn)一步下降成為運(yùn)營商履行社會責(zé)任和降低運(yùn)營成本的共同要求。具體到開關(guān)電源產(chǎn)品，最主要的技術(shù)目標(biāo)是提高其能源轉(zhuǎn)換效率。

目前，普通效率直流電源主要的節(jié)能手段為休眠節(jié)能，日常工作效率約為90%，另有約20%站點(diǎn)的電源設(shè)備因建設(shè)較早無法應(yīng)用該技術(shù)，實際運(yùn)行效率更低，約85%。而高效直流電源系統(tǒng)工作效率可到95%以上。

站點(diǎn)的實際運(yùn)行情況的對比數(shù)據(jù)見表1，三個基站負(fù)荷均為2103W，分別采用高效直流電源、普通效率直流電源和早期直流電源。

表1 基站采用不同電源能耗對比

*：此處空調(diào)制冷耗電是指在主設(shè)備和其他設(shè)備之外，開關(guān)電源設(shè)備耗電而引起空調(diào)制冷的耗電量。

按以上實際的運(yùn)行測試情況計算，基站因選用高效電源所增加投資，兩年左右可以回收;采用高效電源改造老舊站點(diǎn)，兩年半即可收回設(shè)備投資。目前高效開關(guān)電源采購成本比普通效率開關(guān)電源產(chǎn)品增加較多，主要原因國內(nèi)采購高效模塊較少，在廠家實現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)之后，投資回報周期將進(jìn)一步縮短。

除已采用高效的約站點(diǎn)外，全網(wǎng)其他約160萬站點(diǎn)如采用高效開關(guān)電源替代現(xiàn)有電源，年可節(jié)約用電約29億度。除基站外，國內(nèi)全網(wǎng)還有約5萬套分立電源，目前能效水平普遍不高，且不適用休眠節(jié)能功能，如全部采用高效電源，年可節(jié)約用電也將超過20億度?？梢钥吹剑m然單站年節(jié)電僅幾千度，但滴水成海，第四代電源的效率提高對于日益龐大的通信網(wǎng)絡(luò)能耗控制意義非凡。

4) 第四代通信電源國內(nèi)發(fā)展情況

雖然應(yīng)用效果很好，但國內(nèi)運(yùn)營商高效直流電源的采購規(guī)模一直不高于直流電源總量的10%，分立式電源中高效電源的采購比例更低。國內(nèi)運(yùn)營商資本開支壓力逐年增大，對設(shè)備采購的初期投入控制較嚴(yán)。采用高效直流電源初期投入每套電源增加3000～4000元，但是從長遠(yuǎn)來看，其TCO要大大優(yōu)于采用普通效率直流電源，一般情況下，兩年左右即可以收回初期增加的設(shè)備投資。

國內(nèi)通信行業(yè)還處于發(fā)展期，電源設(shè)備的應(yīng)用仍然保持較大規(guī)模;現(xiàn)有開關(guān)電源使用時間最長超過了15年，今后將逐步進(jìn)入替代更換期。針對國內(nèi)通信行業(yè)的開關(guān)電源應(yīng)用，應(yīng)改變以低價為導(dǎo)向的采購模式，需要綜合考慮建設(shè)成本、運(yùn)行成本、技術(shù)先進(jìn)性、穩(wěn)定性、環(huán)保等各個方面。作為大型國有企業(yè)，電信運(yùn)運(yùn)營商應(yīng)主動承擔(dān)社會責(zé)任。建議在今后的集采中停止采購普效電源產(chǎn)品，全面采購第四代高效率電源產(chǎn)品;針對在網(wǎng)老舊設(shè)備，采用第四代高效率電源產(chǎn)品分批進(jìn)行逐步替換。

五、 世界主要運(yùn)營商能耗及電源應(yīng)用情況

根據(jù)各自年報，中國運(yùn)營商和歐洲主要運(yùn)營商單位收入的能耗情況見表2和表3。雖然各運(yùn)營商各自的業(yè)務(wù)構(gòu)成、業(yè)務(wù)資費(fèi)、能耗成本對該能效值存在影響，但仍可看出我們的能耗水平還遠(yuǎn)高于歐洲同行，這也說明我們的節(jié)能降耗還有較大的提升空間。

表2 中國運(yùn)營商單位收入能耗情況

表3 歐洲主要運(yùn)營商單位收入能耗情況

另一方面，目前在國內(nèi)的通信電源設(shè)備采購中，產(chǎn)品的效率指標(biāo)并未得到充分重視，實際采購的電源產(chǎn)品仍以第三代普通效率電源產(chǎn)品為主。相對比之下，歐洲主要運(yùn)營商在2011年起，高效率電源設(shè)備的采購比例即達(dá)到了80%以上，遠(yuǎn)高于國內(nèi)應(yīng)用比例。近年國外主要運(yùn)營商通信電源招標(biāo)效率指標(biāo)要求見表4。

表4 國外主要運(yùn)營商通信電源招標(biāo)效率指標(biāo)要求

六、 結(jié)束語

電信行業(yè)重組后運(yùn)營商的競爭格局正在經(jīng)歷變化，日益龐大、不斷深入發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)對于承載其運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備的通信電源也提出了新的要求。能耗、體積、環(huán)境適應(yīng)性等特性影響到整個網(wǎng)絡(luò)的部署、可靠性和商用價值，正越來越受到運(yùn)營商關(guān)注。得益于器件、控制技術(shù)和電力電子拓?fù)溲芯康倪M(jìn)展，新一代數(shù)字化高效率通信電源設(shè)備順應(yīng)這些要求，正在成為承載通信網(wǎng)絡(luò)的主要力量，也是實現(xiàn)節(jié)能減排的主要技術(shù)手段。