一种通信基站电源设备智能防护系统的设计与实现

摘 要：文章通过对户外基站的电源设备损毁的现场勘测和测试实验，提出了保障户外电源设备安全运行智能防护方法：500-3000V雷击感应电压和地电位反击电压自动监测与拦截技术；通信基站设备工作状态自动获取、智能处理、多网传输以及自动反馈修正技术；通信基站交流电源与备用电源之间的带负荷可靠切换技术，并通过大量的应用验证了本设计的合理性。

关键词：雷击感应电压；通信基站；电源设备

引言

各种各样的通信网络已完全覆盖了世界的每一个角落，通信基站的安全运行是各个运营商关注的焦点。但是，由于历史原因、运营商的运营机制以及技术力量的多方面限制，确保通信基站安全运行所付出的代价是惨重的。我国三大运营商中，每一个运营商在一个省（直辖市）内的基站数量大致在数千（5000到10000）个左右。这些通信基站大部分分布在偏远的地带，基本处于无人值守的状态。所处的地理环境、气候环境、人文环境以及电力环境极其复杂甚至是恶劣。所以保证其安全运行是每一个运营商头疼的问题。据不完全统计，通信基站的安全运行维护费用占据了运营商运营费用的50%以上。近几年，随着通信基站数量的不断增加，其运行维护费用还在节节攀高。通信基站一旦建成，其工作寿命会长达20年甚至更久。因此通信基站的安全运行自其建成之期就一直存在，且随着工作年限越久，所需要的维护成本就越高。有关通信基站设备安全运行的理论研究可以说充斥通信学术领域，各研究机构分别提出了各种理论完善的解决方案和实现模型。但对于工程实际中的故障原因还没完全了解，因此诸多理论方案虽然完美，但基本上是束之高阁，没有被用于工程实际之中。

1 安全防护关键问题分析

1.1 雷击电压防护分析

根据我国现有通信基站设备防雷规范（GB50343、YD5068-98规范标准），通信基站内所有设备的防雷措施针对的防雷感应电压区起始间是3000V以上。对于3000V以下至500V的这一雷击感应电压区间，通信基站内的所有设备几乎都没有任何防护措施。而恰恰就是在这一区间所发生的通信基站设备毁损情况，占了通信基站设备故障量的70%以上。这也就是说，当前通信基站设备的毁损情况大都是在防雷系统安好的条件下发生的现象。

目前通信基站的防雷措施几乎全部是针对直击雷设计的。如避雷针，浪涌保护器等。对于二次雷击基本上没有有效的防护措施。而实际工程中，本项目发现，造成通信基站设备雷击灾害的主要原因恰恰是二次雷击的感应效应所引起的超限电压。

相邻两通信基站之间因接地电阻的不同引起的地电位反击是造成通信基站设备故障的关键原因之一。从理论上讲，要彻底解决这个问题的办法是将相邻通信基站的接地网实行等电位连接。但是，由于历史的原因，同一处地点、院落，往往是几家通信运营商的基站和铁塔共存。这涉及到多个运营商之间的利益协调，因此无法顺畅实现这一方案。

1.2 电网异常情况分析

农村电网的复杂多变的恶劣情况是通信基站设备故障发生的关键原因之一。农村电网复杂多变主要表现为：电压异常波动；断相；动力线中的中性线断路。原因是：

其一、农村电网普遍存在着线路老化，线损大、电压不稳定、管理不完善等突出问题。用电高峰期间，供电部门为了弥补线路老化和线损大等问题，往往采用提高供电周率和电压的方式加大供电能力，这样就形成了在供电的近段电压持续维持增高的情况。如遇用电突然下降，供电部门往往来不及调整，便造成供电电压的猛升，有时甚至高达20%-30%。

其二、用电高峰期，农电供应部门为了保证某一处的电力供应，往往采用断掉一相、甚至两相线路的方式。由于通信基站电源设备大多采用三相交流。单个电源模块的用电基本单相220V交流，电源设备正常工作时，电源模块的使用排列为由A＼B＼C＼的三相交流线路的平均分担。例如某一基站的直流供电电流为60A，使用额定30A的电源模块三个，每个模块平均分担的电流约20A左右，余量超过30%，足以应付一般的停电后在开机充电的情况。但是在一相断路的情况下，三个模块就剩下两个，这两个模块的供电电流就由原来的20A，变成30A，达到模块电流的使用极限。实际上由于受使用年限和多次维修的影响，有相当多的电源模块的技术性能早已大幅下降，不足以维持正常的使用，这时如果发生停电再启动的情况，两个模块所承担的实际负载电流将会大幅度增大，在这种情况下电源模块的损坏就再所难免了。如果此刻有两相线路断相，三块模块的60A电流，将全部由一块模块承担，这种情况下的电源模块必定要烧坏。

其三、三相动力线中的中性线断路的情况会更加糟糕，它会使原来加在各模块间的220V的相电压，突然大幅度升高（特定情况下最高可升至380V左右）。而中性线断相的情况在农村电网的发生概率始终居高不下。表1记录了石家庄某通信基站所用农村电网电压异常波动和电网断相情况。

目前通信基站的开关电源系统均有设计有过压、过流、欠压保护功能。然而这些保护功能仅仅是在输入电压发生情况时，例如发生二次感应雷击效应、过压、欠压、等危害情况，开关电源系统停止对基站二次供电设备48V的直流输出（此时通信基站主设备的供电自动转为备用蓄电池供电）。输入到开关电源系统的危害输入电压并没有得到有效消除，因此仍处基站的开关电源于上电工作状态，这样的情况下基站开关电源系统本身被击毁可能性非常大。

通信基站开关电源系统故障发生示意图如图1所示。

1.3 备用电源防护分析

当前绝大多数通信基站的交流供电系统均采用常开型动合式接触器或空气开关进行动力电源的断合控制，当通信电源因异常输入电压执行保护后，通信设备的供电转为蓄电池供电。一旦蓄电池能量耗尽，常开型动合式接触器或空气开关断开。此时，即使是交流供电恢复正常，也无法为后面的通信主设备提供48V直流电源。必须需要人工现场干预。这必然使通信基站停滞正常工作的时间延长，严重影响通信服务质量。

当基站遭遇频繁停电、长时间断电或其他异常原因所导致的通信基站交流电源系统停止直流48V输出后，对基站设备的供电实际上已经转入备用电池组供电。由于基站至今尚不能根据供电状况的变化，对正在运行的设备进行功耗及负荷调整。基站内通信设备在正常下的高耗电状况并未得到相应的改变。由此不仅不能维持较长时间的电池供电，还极易造成蓄电池长时间的过量放电，加速蓄电池的损坏。

综上所述，文章通过大量的资料检索和对三大运营商部分通信基站的多年勘测、实验以及技术改造后总结出以下几点：

（1）通信基站中的BTS主设备系统、传输系统、天馈线系统等设施的软、硬件故障的发生概率要比基站内的开关电源系统小得多，这主要是由于这些设备所采取的供电来自基站开关电源系统输出的二次直流48V供电。自身的运行状态和外界输入的交流动力电源完全是隔离的。因此雷击、异常电压波动、断相等现象，都不会直接影响到这些设备的正常工作。通信基站设备中，最容易发生安全故障的系统是其开关电源系统。

（2）通信基站设备主要的故障原因之一是由于雷击强感应电压引起，特别是二次雷击感应电压引起。

（3）原因之二是由于农村电网复杂多变的情况导致，如农村电网电压随机异常波动、农村电网断相。

（4）原因之三是各运营商通信基站之间的相互作用导致。主要是地电位反击引起的通信基站设备故障。

2 智能防护系统设计

2.1 系统原理

针对上述几点总结，文章提出的解决方案是：以通信基站交流电源系统安全运行为核心，以输入电压异常波动为触发信号，主动拦截因二次雷击、地电位反击以及交流电压波动或断相给通信基站主设备可能带来的损毁。通过动环监控网络（上行链路）与通信设备监控网络（0时隙）实现远程管理和自动控制。文章提出的解决方案以及与原通信基站系统、网管中心之间的关系如图2所示。由图2可知，文章的解决方案包括两部分：基站端和监控端。核心部分是基站端。

基站端系统完成对通信基站设备安全运行的防护工作。其中：（1）主控系统完成基站端整体系统的统一控制，接收来自其他子系统传递的数据信息，执行动合式断导器的断开与闭合。当系统交流输入电压因某种原因（二次雷击感应电压、地电位反击、电网异常波动、断相等）发生异常且超过安全阈值时，主系统将切断其380V交流输出，通信设备的供电转为蓄电池供电。从而实现对通信基站设备的安全防护。（2）欠压断相检测系统实现：交流输入电压的欠压分析；交流输入电网的断相分析；交流输入电网中性线断开分析。（3）数据智能处理系统的主要功能是：分析决断哪些系统状态、参数数据需要传递到网管中心；记录每次异常发生的情况，并对历史数据进行分析，得出所处通信基站异常情况发生的潜在规律，便于通信基站维护部门能根据规律更好的主动的开展维护工作；根据异常具体情况，弹性式设置对通信基站设备实行保护的持续时间长短。（4）电压超限检测系统实现对交流输入电压超限异常的检测分析。观察电压超限持续时间和超限幅度，从而判断引起超限的原因，并将检测分析结果传给数据智能处理系统。（5）保护定时系统的功能是一个定时器。本系统对于定时器的定时精度要求很低，精度能在1分钟左右即可。但对于定时器的可靠性要求很高，因此定时控制电路采用3级锁扣式结连方式，即使一级定时电路偶然失效，还会有两级控制最终将电路恢复。（6）网络接口系统负责本系统基站端和监控端的数据传输。

本系统监控端的主要功能如下：（1）接收来自基站端传输过来的状态数据，并存储。（2）下传指令修正通信基站设备的耗电负荷参数。（3）对本系统基站端实现开关机。（4）向网管中心上报异常信息。

有关解决方案说明以下几点：（1）本系统基站端是与通信基站空调系统呈并联关系。也就是说通信基站空调系统并不在保护范围之内。主要原因是：a.空调系统若在本系统的保护范围之内，当处于保护状态时，空调系统也将停止工作，若保护时间过长，将导致基站机房温湿度超出规定范围，可能导致或加速通信设备的损坏；b.通信基站空调系统交流输入直接取自配电盘，只要架空电力线在进入机房之前的外部防雷设计规范，那么空调系统遭受雷击感应电压的袭击概率是很小的；c.空调系统在启动时瞬间负载过大，对本系统自身安全不利。（2）本项目解决方案的基站端系统由蓄电池组供电。为了减小对蓄电池的影响，本系统的工作耗能和静态耗能都要较低方可。（3）基站端的主控系统在保护状态结束时，会通过闭合动合式断导器恢复对通信设备的交流供电。如果在保护状态结束之前，蓄电池能量耗尽，此时本系统基站端失去工作电压。但由于我们采用常闭式动合断导器控制方式，当本系统基站端失去工作电压时，常闭式动合断导器自动闭合，无须人工干预。（4） 本系统基站端通过动环监控网络实现与监控端系统连接，通过通信设备监控信道（0时隙）实现对通信设备耗电负荷参数的自动修正。（5）基站端系统由于处于强干扰环境下，因此从设计上必须采用高冗余电路指标设计，所有关键技术标准和元器件性能标准，在正常额定标准的基础上再提高一到两个数量级，确保稳定性和可靠性。

2.2 硬件系统

主控系统完成基站端整体系统的统一控制，接收来自其他子系统传递的数据信息，执行动合式断导器的断开与闭合。当系统交流输入电压因某种原因（二次雷击感应电压、地电位反击、电网异常波动、断相等）发生异常且超过安全阈值时，主系统将切断其380V交流输出，通信设备的供电转为蓄电池供电。从而实现对通信基站设备的安全防护。

主控系统的基本功能框图以及与其他子系统的关系如图3所示。

数据智能处理系统的主要功能是：分析决断哪些系统状态、参数数据需要传递到网管中心；记录每次异常发生的情况，并对历史数据进行分析，得出所处通信基站异常情况发生的潜在规律，便于通信基站维护部门能根据规律更好的主动的开展维护工作；根据异常具体情况，弹性式设置对通信基站设备实行保护的持续时间长短。其基本功能框图如图4所示。

由图4可以看出，数据智能处理系统以数据库为核心，由规律学习模块实现对数据的智能分析，找出本基站故障发生的规律。数据更新模块实现数据的添加、查寻、删减等基本操作。状态设置模块完成对保护定时的弹性设置。数据选择模块完成选择性上传数据的功能。

保护定时系统的功能是一个定时器。本系统对于定时器的定时精度要求很低，精度能在1分钟左右即可。但对于定时器的可靠性要求很高，因此定时控制电路采用三级锁扣式结连方式，即使一级定时电路偶然失效，还会有两级控制最终将电路恢复。

2.3 软件系统

软件系统分为两大部分：一是基站端固化在嵌入式设备里的软件系统；二是运行于网络监控中心监控终端电脑上的监控软件。下面分这两部分分别叙述其大致的构架。

基站端系统有两种状态：工作状态和待机状态。在待机状态下，除主控系统的部分电路和网络接口子系统在工作以外，其余所有电路均没有工作。动合式断导器处于常闭状态，交流电源直接进入到通信基站交流电源系统。在待机状态下，主控系统还负责接收来自网络中心的开机命令。一旦接收到网络或来自开关按钮的开机命令，系统则从待机状态转入工作状态。工作状态下所有子系统均在工作。此时各个子系统的工作流程如图6所示。数据智能处理子系统负责对各种状态信息、异常信息进行分析、存储和判断。其工作的主要流程如下（图6）。

本系统监控端是运行于网络中心监控终端电脑上的网络然间，该软件与原有的动力环境监控软件配合使用。主要完成以下几个功能：接收来自基站端的异常信息和状态信息；重要异常产生报警和进一步上报；数据存储和界面显示；通过动环监控网络给本系统基站端发送开关机指令；通过通信设备监控信道（0时隙）给通信设备发送负荷修正指令。

3 结束语

文章设计了一种通信基站电源设备的智能防护系统，文中对基站电源设备产生故障的原因进行了分析，并提出了系统解决方案。该系统在通信基站和电力系统的电源防护系统中具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]张亚丽，徐忠宇.移动通信基站电源故障分析[J].信息化纵横，2009，3（60）：28-32.

[2]谢碧栋，秦中勤.高山通信基站机房雷电电磁感应的防护[J].广东气象，2014，4（15）：12-16.

[3]吴明.浅析通信基站电源设备安全运行防护原理与解决办法[J].信息通信技术，2009，12（12）：38-42.