1、3G 基站通信电源休眠节能技术应用作者: 金立标 来源: 通信技术与标准2009 年电源专刊 发布时间: 2009-11-26摘 要：本文针对基站内设备的耗能情况，提出了基站通信电源节电工作的必要性，介绍了通信电源休眠节能技术原理。在此基础上，结合通信电源休眠节能技术在实验室的检测数据以及在 3G 基站进行的实际应用结果，验证了通信电源休眠节能模式对基站节能的有效性和可操作性。同时也提出了电源休眠节能技术在实际应用中的注意事项及相关建议。关键词：基站能耗 电源节能 休眠 安全一、概述电信运营企业中节能减排的工作重点主要是减少电力消耗。通信行业通过近年来开展的大量节能降耗的试验和推广工作，已基本
2、明确了通信机房的节能工作重点，主要是空调节电、通信设备节电和机房环境通风隔热等节电措施。根据通信基站的设备配置和实际运行状况统计，基站内的能耗分配基本如下。通信主设备耗电约占 43%，空调用电约占 46%，通信电源设备耗电约占 8%，机房配电照明约占 3%。对通信基站的节能减排工作最核心的部分虽然是通信主设备和机房空调的节电工作，但通信电源的节电同样会进一步降低前级交流配电和机房空调的能耗，因此通信电源的节电也是基站降耗不可忽略的一个部分。对开关电源的节能措施，除了通过技术改进提高不同负载率时整流模块的整体效率特性、降低模块功耗等措施，还可通过对开关电源的能效管理来实现节能。通过对电源模块的休
3、眠管理，提高运行模块的负载率，可以更加合理地利用开关电源的功率曲线，可以实现很好的节能效果。本文重点结合基站开关电源的智能休眠节能试验及在 3G 基站的实际应用，对通信电源的节能效果进行探讨。二、 通信电源的休眠节能原理通信电源节能的关键是要提高系统的整体效率。图 1 是典型的通信电源设备在不同负载率下的效率曲线。从图示效率曲线可以看出，通信电源设备的效率随着负载率的增加整体呈上升趋势。在通信基站的电源配置中，一般都是按系统的最大负载和蓄电池充电电流及 N+1 备份等因素考虑配置的。实际运行中，蓄电池的充电时间对整个电源系统来讲时间是很少的。因此，大部分时间内电源系统工作在 50%以下负载率较
4、低的区间，在基站话务较低的情况下，电源系统的负载率会进一步降低。因此，电源系统的整流模块大部分时间负载率很低，没有工作在最佳效率区间。通过以上分析，对照电源系统的效率曲线可以看出，通过改进电源系统监控模块的管理功能，实现整流模块的智能休眠，使开关电源系统工作在最佳效率区间，可以提高电源系统效率，从而达到节能的目的。原理介绍：如图 1 所示，整流模块的负载率在 A 以下时，此段整流模块的效率比较低；整流模块的负载率在 A、B 之间时，整流模块的工作效率最高；整流模块的负载率在 B 以上时，整流模块的效率也有所降低。整流模块的负载率在 A 以下时，开关电源可通过监控单元关闭部分整流模块，使其处于待
5、机热备份状态，此时其功耗很小，从而使系统中工作的电源模块的负载率保持在 A 点之上；如果整流模块的负载率大于 B 时，若有整流模块因效能管理已处于休眠关闭状态，则监控单元会自动打开关闭的模块，以保证系统整流模块的负载率保持在 A、B 之间，保持电源系统的高效率运行。采用智能休眠功能的电源系统，在停电恢复、模块故障等负载率明显增加的情况下，监控单元应能够在保证系统冗余安全的条件下，有选择地及时打开休眠待机的整流模块，使整个系统始终处于安全可靠的工作状态。同时，为使各整流模块的工作情况相同，避免工作模块长期较高负荷运行造成易损坏的影响，监控单元可对工作整流器、休眠整流器实行定期开关转换，保证各模块
6、的工作时间和待机时间基本一致，以保证所有模块均匀老化，具有相同的工作寿命。另外，休眠节能技术不同于以往的遥控关机技术。如图 2 所示，虚线内为模块的休眠部分，其输入输出部分全部关闭，只有控制部分在工作。而遥控关机功能只是关闭图中的“DC/DC”部分，即模块的输出部分。因此遥控关机状态下模块仍有较多的损耗。三、通信电源休眠节能技术的试验及应用对于新入网的通信电源，目前各电信运营企业基本都已明确提出了具有模块智能休眠功能的要求，这也是当前节能降耗工作的策略之一。对早期在网运行的开关电源大部分都不具备整流模块智能休眠的节能管理功能，但可以通过更换、升级监控单元的控制芯片，实现休眠管理功能。2008
7、年上半年江苏联通对两家主流通信电源厂家的基站开关电源进行了休眠节能的升级改造试验，并在 2009年的 3G基站中进行了大范围实际应用。下面结合基站使用情况及实测数据进行分析。试验分别在两个地市分公司基站选择两种在网运行的电源进行。对同一种电源分别选择三个不同负载率的基站，通过更换监控单元控制芯片实现对整流模块的智能休眠节电功能。试验中在各开关电源输入端安装电表，分别计量节能改造前后各 15天时间电源的实际耗电量。试验前须核查开关电源内未连接其他交流用电设备。另外，为了保证现场测试的效果，在选择试验站时还需注意以下几点：1、尽量选择系统负载率 50以下的站点进行测试。2、尽量选择负载波动小，基本
8、不变化的站点。3、每天抄取电表读数的时间必须严格一致，精确到分钟。4、安装高精度电表，以保证电表读数的准确性。相关试点测试数据见表 1。表 1 基站电源休眠节能试点数据电源品牌 A电源 B电源基站 南京 1 南京 2 南京 3 平均 盐城 1 盐城 2 盐城 3 平均系统配置（50A 模块N 个） 200A 250A 200A 200A 250A 200A总负载电流平均值（A） 31 74 29 44.7 31 42 60 44.3模块负载率（%） 15.5 29.6 14.5 19.9 15.5 17.2 30.0 20.9普通模式日均耗电（KWH） 50.3 107.5 45 67.6 6
9、4.7 79.4 91.3 78.5休眠模式日均耗电（KWH） 47.8 94.3 40.7 60.9 57.2 72.1 89.9 73.1日节电度数（KWH） 2.5 13.2 4.3 6.7 7.5 7.3 1.4 5.4通过以上测试数据可以看出，进行休眠节能试验的两种基站电源的平均负载率都在 20%左右，更换节能管理芯片后，节电效果非常明显。A 电源平均每天节电 6.7度，B 电源每天节电约 5.4度。据此测算，每基站每月节电量为：（5.46.7）30=162201KWH；平均每年每基站节电为：（5.46.7）3012=19442412KWH。按 7000个基站计算，全年可节电 136
10、0.81688.4 万度，可节约电费 1500万元左右。此外还不包括电源能耗降低引起空调能耗的降低。另外，对比“南京 1”和“盐城 1”两个基站的数据可以发现，在相同的负载电流时，A、B 两种电源的静态功耗也相差较大。两个试验基站的系统负载电流都是 31A，但电源系统的日均总耗电相差 14.4KWH。因此，试验结果还说明，通过改进产品设计和生产技术降低整流模块的静态功耗，同样可以实现明显的节能效果。在进行设备采购时，也可以作为一项主要节能指标进行评价。图 3是从动环监控系统获得的“盐城 3”基站的 4个整流模块的负载电流曲线。对应表 1数据，系统负载总电流为 60A，配置两组 500AH蓄电池
11、。通过该曲线数据可以明显看出电源模块休眠关闭以及停电复电后全部开启的工作状态。图 3中 A段之前为 4个整流模块的正常均流工作状态，每个模块电流约为 15A；A 点开始模块 3休眠关闭，另外 3个模块工作电流增至 20A左右；B 点开始进行交流停电，模块全部关闭；C 点恢复交流供电，4 个整流模块全部开启，停止休眠，同时分担负载电流和蓄电池充电电流。每个模块最大电流达到约 40A；到达 D点后，电池充满，模块电流开始下降；到达 E点后，模块 4电流降至零，完全实现软关断休眠，由另外 3个模块均流供电，每个模块电流恢复至停电前的 20A左右。从此曲线可以看出，休眠模块在停电复电后，能够及时开启恢
12、复工作。原信产部通信电源检测中心对 A电源的休眠节能功能测试数据也表明：与正常工作模式相比，通信电源系统在智能休眠工作模式下具有节能功能，相关数据见表 2。表 2 不同负载率时系统效率模块负载率 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 50%正常模式 81.29%86.60%88.88%90.18%91.03%91.74%91.94%92.24%节能模式 91.10%91.79%91.97%92.05%91.96%92.19%91.97%92.27%节省功耗（W）285.2 211.3 162.8 117.4 72.5 41.7 4.8 2.4日均节电（度）6.84 5.07
13、3.91 2.82 1.74 1.00 0.12 0.06表 2为不同负载率时节能前后效率对比和节省功耗的测试数据，图 4为节能前后系统效率曲线。从以上实验结果可看出，采用休眠节能技术后，电源系统稳定，并且效率得到了明显的提升。因此，通过休眠控制可以实现在不同负载条件下系统始终工作在最佳效率状态，达到节能效果。根据表 2数据，20%负载率时系统功耗节能前后降低了 162.8W。据此测算，每基站每天节电量为：162.824/1000=3.9KWH；平均每年每基站节电为：3.9365=1426KWH。由图 5可见，模块负载率越低，休眠节能模式工作时节能越明显。10%负载率时节能后系统功耗可降低一半
14、以上。在 2009年的 3G基站电源建设项目中，对休眠节能技术进行了正式应用。根据后续跟踪的测试也验证了以上试验数据的节能效果。四、休眠节能效果分析对通信电源休眠节能技术的节能效果和实际应用，建议关注以下内容：1、通信电源的节能休眠技术不同于模块关机和遥控关机，可以通过对整流模块的智能开关管理，提高系统运行效率。2、对在网运行的开关电源系统，可通过升级更换管理芯片实现智能休眠的节能功能。对目前新投用的开关电源，主流厂家的产品都已具备智能休眠的节能功能。但由于是新技术应用，因此应在后续使用过程中注意跟踪系统的工作状态，保证系统升级后与后台监控的正常通信，及时发现和解决新系统可能存在的问题，并验证
15、新系统长期工作的稳定性。在保证系统安全运行的前提下，实现节能降耗的目的。3、电源系统新增节能功能，其运行方式（节能或正常）可通过监控模块单元进行选择设定。通过试验验证电源系统的节电功能，但在正式使用时应对电源系统或模块进行适当改进，标明系统及模块的节能工作状态，以防止维护人员的误判；同时对后台软件进行更新，以保证网管人员对动力环境监控系统中电源系统模块数据的正确分析。4、基站电源休眠节能试验结果：通过基站试点，日均节电 5.46.7 度；实验结果表明，日均节电 0.066.8 度，因此实际节能效果非常明显。5、休眠节电措施实施较为方便，可以通过更换控制芯片实现主要节能效果。休眠节能技术可以延长
16、整流模块的使用寿命，从而间接延长电源设备的使用周期，节省投资。6、开关电源系统的节能会降低交流配电和空调耗电，从而带来整个机房更大的节能。五、总结通过本文的探讨和分析，可以得出以下结论：1、开关电源系统在智能休眠节电模式下运行时，可以实现模块的智能休眠控制，从而实现系统稳定运行在较高负载率的节能要求。2、该休眠节电技术对系统负荷较小，负载率较低的的开关电源系统节能效果明显，对负载率较大的系统节能效果不明显。3、基站通信电源由于配置和工作特性，大部分时间没有工作在最佳效率点，因此系统配置的整流模块数量应根据实际负载需求正确配置，避免备份模块太多时造成的能耗浪费。4、不同电源系统的功耗不同，因此电源系统模块本身的效率和功耗应作为设备选型的一项重要节能指标。参考文献：艾默生电源系统节能休眠检测报告
