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通信局(站)电源节能思路

时间: 2014-09-15 09:20 来源: 邮电设计技术

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0 前言

近年来,各个运营商都在大力开展通信局(站)的节能减排工作,其中通信局(站)的节能减排技术主要涉及到建筑节能、通信设备节能和通信电源节能3个方面。其中通信设备是节能的源头,建筑节能(包括建筑、空调、电气节能)是节能的重点,而通信电源节能也是不可忽视的环节。

对于通信局(站)而言,通信电源设备主要包括高低压变配电、备用电源、UPS和直流电源等各类设备。通信电源节能概括来讲,可以从通信电源设备节能、系统节能和设计节能3个方面进行考虑。

1 通信电源设备节能

通信电源系统由各种类型的通信电源设备所组成,因此采用节能型设备是通信电源节能的重要措施和手段。通信电源设备的节能,归根到底就是降低设备运行的损耗,或者说是追求更高的设备效率。这是通信电源行业追求的目标之一,也是目前运营商选用电源设备的重要节能指标。下面就常用通信电源设备的节能参数和要求进行简要说明。

1.1 变压器设备

变压器设备的节能可以从效率、设备选型、容量及配置和运行方式等几个方面综合考虑。

对于普通的综合通信局房而言,其负荷率较低,变压器数量较少,容量也不大,变压器的自身损耗似乎显得无足轻重。但是对于目前很多新建的IDC机房楼而言,由于设备功率密度大、用电负荷高,变压器动辄达到十余台甚至数十台,单台容量一般都在1 600 kVA以上。因此在这种情况下,变压器长期运行,其损耗就是一个不可忽视的重要节能因素。

现以某品牌S9和S10系列变压器为例进行节能分析。在变压器80%负载率工作状态下,S10较S9变压器每年节电约0.48万kWh。按S10较S9变压器价格贵1.5万元计算,约3年就可收回额外投资。按运行20年考虑,回收额外投资后,还可节电6.6万kWh。

近几年非晶合金节能型变压器已大规模量产,产品日趋成熟,该种变压器的导磁性能突出,其空载损耗较普通变压器下降80%左右。以1 000 kVA变压器为例进行计算,非晶合金变压器的空载损耗较普通变压器低1.275 kW,每年可减少电能损耗为11 169 kWh,约5年收回增加的投资。按运行20年考虑,收回增加的投资后,还可节电约16万kWh。

应根据负荷情况,针对变压器的容量和数量综合考虑投资和年运行费用,对负荷合理分配,选用容量与用电负荷相适应的变压器,使其工作在高效低耗区内,提高工作效率,降低运行损耗。

此外,还应注重变压器的节能管理,提倡合理的节能运行方式。应根据负荷情况合理调整多台变压器的主备用运行方式,减少备用变压器运行的固定损耗。尤其是大型通信综合楼,初期大楼负荷是逐步的增加,而变压器一般都是按照近中期进行配置,初期变压器的负荷率都很低。这种情况下,应根据低配系统的构成,合理调配变压器运行方式,将一些变压器从热备方式转为冷备,或者将负荷集中至少数变压器上,关闭冗余变压器。以1 250 kVA变压器为例,空载损耗2.09 kW。如从热备改为冷备,每年至少可节电1.8万kWh。

1.2 补偿设备

低压系统补偿柜中的电容器也应采用节能设备。

普通电容器都有内置放电电阻,电容器从系统撤出时将电压迅速放电至安全电压,投入系统补偿时,则存在放电损耗。而电子式放电电容器采用了电路控制回路,在电容器需要释放能量的时候接通放电,不需要时则关闭,能够避免电阻式放电回路的经常性耗电现象。

普通电容器都要求配置放电电阻,通常1 kvar平均配置0.5 W放电功率的放电电阻。以一台补偿柜投入100 kvar的补偿电容器进行计算,其配置的电阻损耗功率为50 W,则一天的电能损耗为50×24/1 000=1.2 kWh,一年的电能损耗为1.2×365=438 kWh。

因此采用节能型电容器不仅可以节约电容器投入系统时的电能损耗,降低电容器柜的发热量,减少对环境温度的影响,还可以减少由于电容器柜发热配备的空调耗电。

1.3 UPS设备

UPS作为通信局房常用的电源设备,其设备效率的高低,是重要的节能指标。尤其目前大多数IT和数据设备均采用交流电源,大型数据机房配置较多数量的UPS设备,因此选用工作效率高的UPS设备尤为重要。

UPS设备的节能参数包括输入功率因数、输入电流谐波成分和效率。

较常采用的UPS设备主要是6脉冲或者12脉冲的工频机。工频机结构的UPS设备,其输入功率因数和效率低下,导致自身运行的损耗大。而且设备输入谐波电流较大,导致整个配电系统产生额外损耗,为消除谐波影响,常常增加滤波器,降低输入谐波电流,而这也会降低系统的效率。

目前很多厂家推出的高效UPS设备,包括高频机、模块化UPS、高压直流UPS等都具有较高的系统效率。UPS的节能运行模式、并机休眠功能等,都有利于UPS设备的节能。其中高压直流UPS更是近年来各个运营商关注的重点,都对该种技术进行试点和大规模的推广,具有较好的发展前景。

现以一套200 kVA的双机并联冗余系统为例进行分析。如果在40%负荷率情况下单机工作效率提高1%,则该系统每年可以节电1.3万~1.7万kWh,而且电力机房的空调还会因为UPS设备效率的提高而产生节电效果。

1.4 直流电源设备

直流电源设备是通信行业的基础电源设备,其节能参数主要包括输入功率因数、输入电流谐波成分和效率,还包括直流配电设备电压降参数。

经过数十年的发展,通过技术演进及元器件的更新换代,目前的直流电源设备具有了高效率、高可靠性及绿色节能等特性。

目前很多厂家推出的高效直流电源整流模块,其PFC部分以及高频变换部分,在电路设计上对电路的拓扑结构及电器元件选择做了改变,提高了效率,并能兼容上一代模块。模块效率在低负荷率情况下也能达到95%~96%以上,具有较好的节能效果,但是也存在成本上升的问题。

此外,电源模块的智能休眠技术也是常见的节能技术。模块负载率直接影响模块效率,模块负载率越高,其效率越高。在总负载电流一定的情况下,若部分模块休眠,则会提高其余模块的负载率,进而提升系统效率,降低系统输入功率。采用休眠模式,可以使效率动态控制于最佳状态,模块可同步老化,自动控制,无须人工干预。由于移动基站负载变化大,重要性偏低,因此采用这种技术的组合式开关电源非常适用于移动基站。而由于通信局房的系统容量大、负荷较稳定,且负载重要性高,因此这种技术并不适用于通信局房。

对于通信局(站)所用的分立式开关电源系统而言,合理配置系统,根据系统实际工作负荷情况采用手动方式关断多余的工作模块,防止出现“大马拉小车”的现象,可提高模块的工作效率,减少低负荷率工作状态下的额外损耗。以一套负荷为1 000 A的直流系统为例,效率提高1%,每年可节电5 000 kWh左右。

2 通信电源系统节能

通信电源系统由各类不同的通信电源设备组成,主要包括高低压变配电设备、UPS设备、直流电源设备、其他各类为通信设备供电的电源设备以及相关连接电缆等。其中对通信电源系统节能造成影响的主要因素包括无功功率补偿和系统的谐波治理2个方面。

2.1 无功功率补偿

对低压配电系统的无功功率进行补偿,提高配电系统的功率因数(cosφ)主要有以下作用。

a) 提高供电设备的利用率。在供电设备视在功率(S)一定的情况下,cosφ越大,供电设备带的有功负载(P=Scosφ)越多。提高供电设备的利用率,虽不能直接节约电能,但可最大化利用供电设备的使用效率,使其能带更多有功负载,节约设备投资,属于间接的节能。

b) 提高输电效率。当有功负载(P)一定时,因为P=UIcosφ,若电压不变化,cosφ越大,则电流越小,电流在线路中的损耗就越小,这属于直接节能。

c) 通过无功功率补偿还可以改善供电质量,提高输电安全性。电流越小,线路中电压损耗就越小,线路末端电压就可以得到更好的保证。电流小,降低了线路发热量,也可以提高输电线路的安全性。

原则上配电系统应配置无功功率自动补偿装置,补偿的负荷功率因数为0.9以上,且补偿基本无功功率的低压电容器组宜集中补偿。但是对于容量较大、负载稳定且长期运行的用电设备的无功功率宜单独就地补偿,以提高设备的运行功率因数,降低输电线路运行电流,减少线路损耗,是一项花钱少、效果好的节能措施,应当优先采用。

以低压电容器无功补偿为例,功率因数0.7的

700 kW的设备,需要变压器的视在功率为1 000 kVA。 如果进行功率因数校正接近1.0,需要的视在功率为700 kVA,节约能源达到300 kVA。

此外,无功补偿还应考虑谐波的影响,补偿柜应配置一定比例的电抗器。抑制5次及以上谐波电压放大,宜选用电抗率为4.5%~5.5%的电抗器;抑制3次及以上谐波电压放大,宜选用电抗率为12.5%~14%的电抗器。

未配置电抗器的补偿柜,对谐波会有一定的放大作用。放大的谐波会对电容补偿柜安全及系统节能造成影响。

从表1可看出,补偿柜未配置电抗器的系统,在补偿柜投入时,谐波电流明显被放大,电流总谐波THDi从42%放大到54.7%,11次、13次、15次、17次谐波电流均被放大2~3倍。

表1 通信局房A变压器低压进线柜输入端

通信局(站)电源节能思路

表2 通信局房B变压器低压进线柜输入端

通信局(站)电源节能思路

表3 供电方式与线路投资及损耗计算

通信局(站)电源节能思路

而对于配置了6%电抗器的补偿柜,不仅对谐波不放大,且起到了一定的抑制作用,吸收了部分系统的谐波,并能够有效防止串联和并联谐振的发生。表2示出的是通信局房B变压器低压进线柜输入端。

2.2 谐波治理

对供电系统的谐波进行治理,不仅可以提高配电系统的安全性、可靠性,还可以提升变压器、柴油发电机组、断路器、电缆等设备的容量利用率,降低电源系统中的变压器、电缆、母排等设备的运行损耗。

如:输入谐波含量为30%的负荷700 kW(如UPS),要求柴油发电机的对应容量为2~2.5倍,需要

1 400 kW以上的柴油发电机才能保证正常供电。如将谐波降低至5%以内,柴油发电机的容量约800 kW左右即可满足。

文献[1]规定,当交流供电系统总电流谐波含量(THD)大于10%时应配置滤波器。对于通信局房电源系统的谐波治理通常选用有源滤波器和无源滤波器2种方式。

无源滤波技术的原理是根据系统中谐波电流的分布及大小,设计适当组合的LC滤波装置来滤除不同频段的谐波,以达到净化电网提高用电质量的目的。无源滤波器设计简单、成本低、应用广泛。

有源滤波技术的原理是通过对非线性负载产生的谐波进行采样、分析、建立频谱图,以此频谱图为依据向电网侧送一个与非线性负载产生的谐波相反的谐波,来有效地抑制各次谐波,并根据电网的情况调整电压与电流波形的相位角,修正电流波形,提高功率因数,达到滤除谐波的目的。有源滤波器设计和控制复杂,成本高,滤波效果好。

与无源滤波器相比,有源滤波器具有高度可控制特性,能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积、质量较小等突出优点,因而通信电源系统适宜采用有源滤波技术。

3 通信电源设计节能

通信电源设计是通信电源节能中非常关键的一个环节。通信电源设计节能包括方方面面,从选择合理的设备、容量及配置,到组成安全、可靠、易用的系统,每个环节都可以实现节能,都需要注意。

通信电源设计节能主要可以从以下几个方面考虑。

a) 减少供电环节:在供配电系统的设计阶段,除必要的供电环节外,应避免增加多余的供电环节,减少由于过多供电环节造成的电能损耗。

b) 合理布放导线:供电系统应尽可能靠近负荷中心,以减少供电距离,缩短导线长度,降低损耗。供电线路较长时,宜在满足敷设条件、载流量、热稳定、保护配合及电压降要求的前提下,适当增加导线截面来降低线路损耗。设计中宜计算、比较增加投资与回收年限,选出最佳方案。此外在布放导线时,应优化导线路由,尽量减少导线长度。

c) 合理选择供电方式:电源设备机房的设置应根据通信局房的发展规划、总体布局、建筑面积及通信专业的工艺需求等情况,在保证供配电系统供电安全可靠的前提下,合理选择供电方式,将电源系统集中与分散方式进行灵活应用和结合,能够减少电缆上下楼层穿插,使供电电源尽量靠近负荷中心,并合理选择线路路径,降低配电线路损耗。

目前IDC机房和数据中心建设项目非常多,由于大型数据中心的负荷动辄达到数万千伏安的容量,因此变压器和油机的配置数量非常多。而为了减少线路的损耗和电缆的用量,通常将变配电系统设置在机房楼内,使其深入负荷中心。但是由于油机的进排风及安装的特殊要求,无法深入负荷中心,只能通过低压电缆接入低配系统进行电源切换。在这种情况下,采用10 kV高压油机替代常规低压油机,可以大幅度节约电力电缆、降低线损,而且施工方便、节省电缆通道和相关土建费用,具有非常好的节能效果。

表3示出的是采用常规方式与采用高压油机供电、高压电缆进楼的方式对相关线路投资和损耗进行的节能计算。

从表3可看出,采用变配电系统上楼靠近负荷中心和高压油机后,不仅可以节约大量的低压电缆投资,更可以减少大量的线路损耗,具有非常好的节能效果。

4 结束语

对于通信电源节能而言,通信设备节能是重要基础,通信系统节能是关键环节,通信设计节能则是最为重要的源头。

对现有通信局房电源进行节能改造,往往会遇到很多问题。例如设备带电运行,很难进行系统性的改造;改造的安全性问题,包括施工、割接等因素;现有设备、系统的改造余地小;进行节能改造要综合考虑其效益。上述这些问题都会导致现有电源系统很难进行彻底的节能改造,且只能采用有限的节能措施,例如对老化、问题设备替换为新型节能设备,谐波治理(后期整改局限性较大),补偿柜的后期改造,设备及系统的节能运行方式等。

对于新建局房的电源节能而言,其重点则在前期的规划设计阶段,从市电引入电压的选择、高低压变配电设备选型和系统配置、电力机房的规划、合理采取分散及集中供电方式等因素都决定了最终通信电源系统节能的效果。因此好的设计方案和思路尤为重要,不仅在前期规划、设计阶段就能够做到全方位的考虑节能措施,做到节能效果的最大化,还能够有效避免后期的节能改造和浪费投资。

参考文献:

[1] YD/T 5040-2005 通信电源设备安装工程设计规范[S]. 北京:北京邮电大学出版社,2006.

(责任编辑:6g下载网)
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