基站开关电源模块休眠技术与节能测试

基站开关电源模块休眠技术与节能测试
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摘要：目前移动基站开关电源整流效率低下的配置现状，开关电源模块休眠节能技术的原理，休眠节能的实测效果，以及休眠节能效益和应用分析。

一、
引言
当今我国通信业迅猛发展，大多数通信设备均采用开关电源直流供电方式，出于通信电源系统的安全、可靠性考虑，开关电源系统容量采取整流模块冗余配置，且预留的蓄电池充电容量在正常工作时并不使用，造成整流模块长期处于低负载率工作，转换效率低下，极大地浪费了能源。

目前，各大通信电源供应商都在加强技术研发的力度，加大节能环保的设计投入，通过技术措施，不断提高通信开关电源系统的转换效率，着力降低开关电源系统自身的功耗，其中开关电源整流模块休眠技术就是最近发展起来的一项安全可靠、简便易行的节能技术。

二、
移动基站开关电源运行现状
基站开关电源系统通过整流模块的并联输出，为通信设备提供稳定可靠的能量。

出于通信电源系统的安全、可靠性考虑，系统容量采取整流模块冗余配置。

开关电源系统容量配置的一般原则主要是根据基站现有负载的大小、后备蓄电池容量的大小并考虑系统安全等因数采取N+1来进行系统容量的配置即整流模块的数量。

目前移动基站现有负载一般在10至45A之间，配置两组500AH蓄电池，蓄电池的充电限流值因供应商不同，其充电电流值也不同，一般为蓄电池组容量的
0.1-0.15倍，那么开关电源的最大输出电流约在195A，并考虑基站通信开关电源整流模块N+1配置原则，大部分基站的开关电源系统配置4至6个容量为50A的整流模块。

但是，基站开关电源给蓄电池充电(均衡充电)的时间占整个运行时间的比例很小，绝大部分时间整流模块是处于仅给负载供电和补充蓄电池浮充运行所消耗的自放电。

此时每个整流模块的输出电流很小，长期运行在低效率状态，开关电源自身的能耗比例增大，造成极大的能源浪费。

开关电源整流模块的输出电流在其额定电流的40%-80%区间时，能量转换效率最高。

利用开关电源整流模块休眠技术，根据系统当前的输出电流大小，自动调整整流模块的实际工作模块数量，使“在工作”的整流模块模块运行在效率高的区间，提高整流模块的能量转换效率，降低自身能量消耗，达到开关电源系统总体工作效率提高的目的。

三、
开关电源休眠节能原理
开关电源整流模块的消耗能量包括输出功耗、带载损耗、空载损耗三个部分，其中输出功耗是根据负载电流大小决定的，无法降低能耗；带载损耗取决与整流模块的工作效率，当负载率在合理范围内（40%-80%，如下图），工作效率较高，可通过提高模块工作效率降低带载损耗；空载损耗是负荷未达额定容量造成的，可通过降低整流模块工作数量、提高负载率而降低。

40% -------〉80%
开关电源整流模块休眠技术就是根据负载电流大小，与系统的实配模块数量和容量相比较，通过智能“软开关”技术，来自动调整工作整流模块的数量，使部分模块处于休眠状态，把整流模块调整到最佳负载率条件下工作，从而降低系统的带载损耗和空载损耗，实现节能的目的，见开关电源休眠节能示意图。

休眠状态的整流模块数量可根据负载的变化而动态调整，当负载增大到一定值时，可自动唤醒休眠模块，保证整体输出容量。

同时还可以通过软件设置整流模块的休眠时间和休眠次序,使各整流模块轮换休眠，维持各整流模块的工作时长平均，提高各模块使用寿命。

同时，使用开关电源模块休眠节能技术必须采取必要的安全措施，以保证特殊情况下的系统工作可靠。

如系统应至少保证2块整流模块工作，当系统出现整流模块故障、控制器失效、市电异常、电池均充等情况时，系统应自动取消模块休眠功能，当异常情况消失，系统处于浮充状态时，再启动模块休眠功能，从而保证系统的安全稳定运行。

休眠
休
休
休
系统休眠前
系统休眠后
10A/模块：效率低
30A/模块：效率高
负载率20%
负载率40%—70%
额定输出：50A/模块
开关电源休眠节能示意图
四、
基站开关电源休眠节能测试
（一）测试方案
1、测试目的：
通过模拟基站开关电源在不同负载、不同在线整流模块数的工作状态下，测试开启整流模块休眠前后的输入功率和零线电流，得出具体节电数据分析节电效果，同时模拟交流停电、模块故障、蓄电池充放电等异常情况下，开关电源模块休眠功能的安全保护性能，依此分析对系统安全性的影响。

2、测试环境：
具备模块休眠功能的组合式开关电源，系统容量不低于300A，配置6个50A整流模块，后备蓄电池为2组500AH。

直流负载电流低于15A。

3、测试工具：
电功率测试仪、直流假负载、交直流钳流表、万用表
4、测试方法：
接入直流假负载，调整其输出使开关电源直流总负载电流分别为15、30、45、60、75、90、105、120、135、150A，在分别开启2、3、4、5、6个整流模块工作的情况下，测试开关电源的交流总输入功率和零线电流。

（二）测试结果
2008年6月，我们对巢湖移动公司清溪和花集两个基站的开关电源作休眠节能测试，在同等条件下，对比休眠前后消耗的电能。

开关电源型号：DUM-48/50C；整流模块型号：DZY-48/50C；生产厂家：北京动力源公司。

其中清溪基站的负载为15A，后备蓄电池组500AH两组，配置6个整流模块；花集基站的负载为14A，后备蓄电池组500AH两组，配置6个整流模块。

以清溪基站为例，测试数据如下。

直流负载电流(A)开启模
块总数
休眠
模块
数
休眠前零
线电流(A)
休眠后
零线电
流(A)
休眠后零
线电流增
大值（A）
休眠前输
入功率
(KW)
休眠后输
入功率
(KW)
节电率
(%)
节电量
（W）
15（5%）210.589 0.725 0.136 1.000 0.965 3.500 35.000 320.171 0.800 0.629 1.060 0.985 7.075 75.000 430.275 0.960 0.685 1.100 1.010 8.182 90.000 540.395 0.930 0.535 1.135 1.025 9.692 110.000 650.355 0.950 0.595 1.190 1.035 13.025 155.000
30 (10%)210.835 1.420 0.585 1.890 1.840 2.646 50.000 320.145 1.470 1.325 1.900 1.800 5.263 100.000 430.341 1.460 1.119 1.950 1.870 4.103 80.000 540.390 1.540 1.150 1.998 1.890 5.405 108.000 650.287 1.780 1.493 2.040 1.900 6.863 140.000
45 (15%)20 1.406 1.400 -0.006 2.750 2.750 0.000 0.000 310.016 1.362 1.346 2.800 2.750 1.786 50.000 420.575 1.310 0.735 2.800 2.760 1.429 40.000 530.637 1.486 0.849 2.860 2.760 3.497 100.000 640.320 1.471 1.151 2.920 2.800 4.110 120.000
60 (20%)310.180 1.823 1.643 3.600 3.580 0.556 20.000 420.767 1.762 0.995 3.640 3.600 1.099 40.000 530.801 1.848 1.047 3.700 3.620 2.162 80.000
640.320 1.826 1.506 3.740 3.640 2.674 100.000
75 (25%)300.211 0.210 -0.001 4.480 4.480 0.000 0.000 410.495 0.281 -0.214 4.530 4.500 0.662 30.000 520.930 0.253 -0.677 4.540 4.520 0.441 20.000 630.320 0.215 -0.105 4.600 4.540 1.304 60.000
90 (30%)300.245 0.262 0.017 5.320 5.320 0.000 0.000 40 1.153 1.605 0.452 5.360 5.360 0.000 0.000 51 1.116 1.662 0.546 5.390 5.380 0.186 10.000 620.326 1.600 1.274 5.450 5.380 1.284 70.000
105 (35%)40 1.316 1.783 0.467 6.250 6.250 0 0.000 51 1.088 1.294 0.206 6.280 6.230 0.796 50.000 620.335 1.810 1.475 6.300 6.280 0.317 20.000
120 (40%)40 1.444 1.427 -0.017 7.120 7.110 0.140 10.000 50 1.127 1.368 0.241 7.200 7.140 0.833 60.000 610.274 1.351 1.077 7.220 7.160 0.831 60.000
135 (45%)40 1.718 1.714 -0.004 7.950 7.950 0.000 0.000 50 1.390 1.385 -0.005 7.970 7.970 0.000 0.000 600.355 0.378 0.023 7.990 7.990 0.000 0.000
150 (50%)60 1.525 1.524 -0.001 8.830 8.840 -0.113 -10.000 600.405 0.402 -0.003 8.850 8.850 0.000 0.000
检测中没有遇到同一个整流模块在相邻第次的试验中休眠，也没有遇到多个整流模块在三相交流电源中的不平衡保护。

在开关电源模块休眠功能的安全保护性能测试中，在模拟交流停电、模块故障、蓄电池充放电等异常情况下，开关电源均可临时关闭休眠功能，保证系统安全工作在可靠条件下。

（三）节能分析：
1、配置容量数一定（如6只整流模块）时负载率与节电率关系：
直流负载电流(A)开启模块总
数
休眠模块数
休眠前输入功
率(KW)
休眠后输入功
率(KW)
节电量（W）节电率(%)
1565 1.190 1.03515513.025
3065 2.040 1.900140 6.863
4564 2.920 2.800120 4.110
6064 3.740 3.640100 2.674
7563 4.600 4.54060 1.304
9062 5.450 5.38070 1.284
10562 6.300 6.280200.317
120617.2207.160600.831
135607.9907.99000.000
150608.8508.85000.000
分析结论1：在开启模块数一定的情况下，随着负载电流的增大，负载率增大，
进入休眠的模块数越少，节电量和节电率也逐渐降低。

2、负载电流一定（如15A）：
直流负载电
流(A)开启模块
总数
休眠模块数
休眠前输入功
率(KW)
休眠后输入功
率(KW)
节电量（W）节电率(%)
1521 1.000 0.965 35.000 3.500 32 1.060 0.985 75.000 7.075 43 1.100 1.010 90.000 8.182 54 1.135 1.025 110.000 9.692 65 1.190 1.035 155.000 13.025
分析结论2：在负载电流一定的情况下，随着开启模块数的增加，进入休眠的模块数越多，节电量和节电率也逐渐增加。

但是总输入功率呈上升趋势，此时节电量的提高是因为系统无效耗能增加引起的，因此整流模块数量配置应合理冗余，不能盲目增大配置。

3、休眠前后零线电流对比：
直流负载电
流(A)开启模块总
数
休眠模块数
休眠前零线电
流(A)
休眠后零线电
流(A)
休眠后零线电流
增大值（A）
30210.835 1.420 0.585 320.145 1.470 1.325 430.341 1.460 1.119 540.390 1.540 1.150 650.287 1.780 1.493
75300.211 0.210 -0.001 410.495 0.281 -0.214 520.930 0.253 -0.677 630.320 0.215 -0.105
分析结论3：休眠前后对比显示，当模块休眠后工作模块数为三相平衡数（3个，对应负载电流75A情况）时，零线电流减小，否则零线电流会有一定增大，主要是整流模块的单相供电引起三相不平衡造成，三相供电模式的整流模块应不受影响。

零线电流增大会有一定负面影响，从测试结果来看，增大值较小，负面影响不大。

五、
效益分析：
据了解，各厂家的开关电源模块休眠功能技术改造成本均在1000元以下，以1000元计算，假定回收期为3年，则节电量应为：1000/3/365/24＝38W，即休眠前后输入功率降低38W以上即可在3年以内收回成本。

从上述测试数据可以看出，基站负载电流在100A以上时，节能效果已较差，投资回收期较长，不宜实行模块休眠节能，如负载电流小于100A，应采用模块休眠功能节能。

在模块按标准冗余方案配置下，各种直流负载情况下每个基站节电量平均约为
70W，则每个基站一年可节电0.07×24×365＝613.2度，以我公司全省10000个基站计算，全省一年可节电613.2万度，节约电费约550万元。

另一个角度分析，模块休眠可平均减少各模块的工作时间，可降低模块故障率和提高设备使用寿命，间接减少空调耗能和人工维护成本，提高通信企业的投资效益。

如实施开关电源休眠节能措施，每年在基站开关电源因自身损耗就可以节约438000度电。

从全省、全国范围来看，目前运行在各电信运营商网络的基站电源有几十万套，如果都能采取技术措施，实施休眠节能的话，则一年可节省用电量达到几亿度，节电量可观。

所以说，不管是从全球能源面临枯竭的紧张局势，还是从企业运行成本来考虑，推行基站开关电源休眠节能技术都是必要的。

六、
结束语
在全球能源持续紧张的情况下，积极推进节能减排工作不仅是通信企业降低自身运营成本的需要，也是响应国家号召、体现企业社会责任的要求。

基站开关电源休眠节能技术安全可靠、简便易行，投资效益比高，是值得大力推广的一项通信设备节能减排技术。