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通信局(站)電源節能思路

時間: 2014-09-15 09:20 來源: 郵電設計技術

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0 前言

近年來,各個運營商都在大力開展通信局(站)的節能減排工作,其中通信局(站)的節能減排技術主要涉及到建筑節能、通信設備節能和通信電源節能3個方面。其中通信設備是節能的源頭,建筑節能(包括建筑、空調、電氣節能)是節能的重點,而通信電源節能也是不可忽視的環節。

對于通信局(站)而言,通信電源設備主要包括高低壓變配電、備用電源、UPS和直流電源等各類設備。通信電源節能概括來講,可以從通信電源設備節能、系統節能和設計節能3個方面進行考慮。

1 通信電源設備節能

通信電源系統由各種類型的通信電源設備所組成,因此采用節能型設備是通信電源節能的重要措施和手段。通信電源設備的節能,歸根到底就是降低設備運行的損耗,或者說是追求更高的設備效率。這是通信電源行業追求的目標之一,也是目前運營商選用電源設備的重要節能指標。下面就常用通信電源設備的節能參數和要求進行簡要說明。

1.1 變壓器設備

變壓器設備的節能可以從效率、設備選型、容量及配置和運行方式等幾個方面綜合考慮。

對于普通的綜合通信局房而言,其負荷率較低,變壓器數量較少,容量也不大,變壓器的自身損耗似乎顯得無足輕重。但是對于目前很多新建的IDC機房樓而言,由于設備功率密度大、用電負荷高,變壓器動輒達到十余臺甚至數十臺,單臺容量一般都在1 600 kVA以上。因此在這種情況下,變壓器長期運行,其損耗就是一個不可忽視的重要節能因素。

現以某品牌S9和S10系列變壓器為例進行節能分析。在變壓器80%負載率工作狀態下,S10較S9變壓器每年節電約0.48萬kWh。按S10較S9變壓器價格貴1.5萬元計算,約3年就可收回額外投資。按運行20年考慮,回收額外投資后,還可節電6.6萬kWh。

近幾年非晶合金節能型變壓器已大規模量產,產品日趨成熟,該種變壓器的導磁性能突出,其空載損耗較普通變壓器下降80%左右。以1 000 kVA變壓器為例進行計算,非晶合金變壓器的空載損耗較普通變壓器低1.275 kW,每年可減少電能損耗為11 169 kWh,約5年收回增加的投資。按運行20年考慮,收回增加的投資后,還可節電約16萬kWh。

應根據負荷情況,針對變壓器的容量和數量綜合考慮投資和年運行費用,對負荷合理分配,選用容量與用電負荷相適應的變壓器,使其工作在高效低耗區內,提高工作效率,降低運行損耗。

此外,還應注重變壓器的節能管理,提倡合理的節能運行方式。應根據負荷情況合理調整多臺變壓器的主備用運行方式,減少備用變壓器運行的固定損耗。尤其是大型通信綜合樓,初期大樓負荷是逐步的增加,而變壓器一般都是按照近中期進行配置,初期變壓器的負荷率都很低。這種情況下,應根據低配系統的構成,合理調配變壓器運行方式,將一些變壓器從熱備方式轉為冷備,或者將負荷集中至少數變壓器上,關閉冗余變壓器。以1 250 kVA變壓器為例,空載損耗2.09 kW。如從熱備改為冷備,每年至少可節電1.8萬kWh。

1.2 補償設備

低壓系統補償柜中的電容器也應采用節能設備。

普通電容器都有內置放電電阻,電容器從系統撤出時將電壓迅速放電至安全電壓,投入系統補償時,則存在放電損耗。而電子式放電電容器采用了電路控制回路,在電容器需要釋放能量的時候接通放電,不需要時則關閉,能夠避免電阻式放電回路的經常性耗電現象。

普通電容器都要求配置放電電阻,通常1 kvar平均配置0.5 W放電功率的放電電阻。以一臺補償柜投入100 kvar的補償電容器進行計算,其配置的電阻損耗功率為50 W,則一天的電能損耗為50×24/1 000=1.2 kWh,一年的電能損耗為1.2×365=438 kWh。

因此采用節能型電容器不僅可以節約電容器投入系統時的電能損耗,降低電容器柜的發熱量,減少對環境溫度的影響,還可以減少由于電容器柜發熱配備的空調耗電。

1.3 UPS設備

UPS作為通信局房常用的電源設備,其設備效率的高低,是重要的節能指標。尤其目前大多數IT和數據設備均采用交流電源,大型數據機房配置較多數量的UPS設備,因此選用工作效率高的UPS設備尤為重要。

UPS設備的節能參數包括輸入功率因數、輸入電流諧波成分和效率。

較常采用的UPS設備主要是6脈沖或者12脈沖的工頻機。工頻機結構的UPS設備,其輸入功率因數和效率低下,導致自身運行的損耗大。而且設備輸入諧波電流較大,導致整個配電系統產生額外損耗,為消除諧波影響,常常增加濾波器,降低輸入諧波電流,而這也會降低系統的效率。

目前很多廠家推出的高效UPS設備,包括高頻機、模塊化UPS、高壓直流UPS等都具有較高的系統效率。UPS的節能運行模式、并機休眠功能等,都有利于UPS設備的節能。其中高壓直流UPS更是近年來各個運營商關注的重點,都對該種技術進行試點和大規模的推廣,具有較好的發展前景。

現以一套200 kVA的雙機并聯冗余系統為例進行分析。如果在40%負荷率情況下單機工作效率提高1%,則該系統每年可以節電1.3萬~1.7萬kWh,而且電力機房的空調還會因為UPS設備效率的提高而產生節電效果。

1.4 直流電源設備

直流電源設備是通信行業的基礎電源設備,其節能參數主要包括輸入功率因數、輸入電流諧波成分和效率,還包括直流配電設備電壓降參數。

經過數十年的發展,通過技術演進及元器件的更新換代,目前的直流電源設備具有了高效率、高可靠性及綠色節能等特性。

目前很多廠家推出的高效直流電源整流模塊,其PFC部分以及高頻變換部分,在電路設計上對電路的拓撲結構及電器元件選擇做了改變,提高了效率,并能兼容上一代模塊。模塊效率在低負荷率情況下也能達到95%~96%以上,具有較好的節能效果,但是也存在成本上升的問題。

此外,電源模塊的智能休眠技術也是常見的節能技術。模塊負載率直接影響模塊效率,模塊負載率越高,其效率越高。在總負載電流一定的情況下,若部分模塊休眠,則會提高其余模塊的負載率,進而提升系統效率,降低系統輸入功率。采用休眠模式,可以使效率動態控制于最佳狀態,模塊可同步老化,自動控制,無須人工干預。由于移動基站負載變化大,重要性偏低,因此采用這種技術的組合式開關電源非常適用于移動基站。而由于通信局房的系統容量大、負荷較穩定,且負載重要性高,因此這種技術并不適用于通信局房。

對于通信局(站)所用的分立式開關電源系統而言,合理配置系統,根據系統實際工作負荷情況采用手動方式關斷多余的工作模塊,防止出現“大馬拉小車”的現象,可提高模塊的工作效率,減少低負荷率工作狀態下的額外損耗。以一套負荷為1 000 A的直流系統為例,效率提高1%,每年可節電5 000 kWh左右。

2 通信電源系統節能

通信電源系統由各類不同的通信電源設備組成,主要包括高低壓變配電設備、UPS設備、直流電源設備、其他各類為通信設備供電的電源設備以及相關連接電纜等。其中對通信電源系統節能造成影響的主要因素包括無功功率補償和系統的諧波治理2個方面。

2.1 無功功率補償

對低壓配電系統的無功功率進行補償,提高配電系統的功率因數(cosφ)主要有以下作用。

a) 提高供電設備的利用率。在供電設備視在功率(S)一定的情況下,cosφ越大,供電設備帶的有功負載(P=Scosφ)越多。提高供電設備的利用率,雖不能直接節約電能,但可最大化利用供電設備的使用效率,使其能帶更多有功負載,節約設備投資,屬于間接的節能。

b) 提高輸電效率。當有功負載(P)一定時,因為P=UIcosφ,若電壓不變化,cosφ越大,則電流越小,電流在線路中的損耗就越小,這屬于直接節能。

c) 通過無功功率補償還可以改善供電質量,提高輸電安全性。電流越小,線路中電壓損耗就越小,線路末端電壓就可以得到更好的保證。電流小,降低了線路發熱量,也可以提高輸電線路的安全性。

原則上配電系統應配置無功功率自動補償裝置,補償的負荷功率因數為0.9以上,且補償基本無功功率的低壓電容器組宜集中補償。但是對于容量較大、負載穩定且長期運行的用電設備的無功功率宜單獨就地補償,以提高設備的運行功率因數,降低輸電線路運行電流,減少線路損耗,是一項花錢少、效果好的節能措施,應當優先采用。

以低壓電容器無功補償為例,功率因數0.7的

700 kW的設備,需要變壓器的視在功率為1 000 kVA。 如果進行功率因數校正接近1.0,需要的視在功率為700 kVA,節約能源達到300 kVA。

此外,無功補償還應考慮諧波的影響,補償柜應配置一定比例的電抗器。抑制5次及以上諧波電壓放大,宜選用電抗率為4.5%~5.5%的電抗器;抑制3次及以上諧波電壓放大,宜選用電抗率為12.5%~14%的電抗器。

未配置電抗器的補償柜,對諧波會有一定的放大作用。放大的諧波會對電容補償柜安全及系統節能造成影響。

從表1可看出,補償柜未配置電抗器的系統,在補償柜投入時,諧波電流明顯被放大,電流總諧波THDi從42%放大到54.7%,11次、13次、15次、17次諧波電流均被放大2~3倍。

表1 通信局房A變壓器低壓進線柜輸入端

通信局(站)電源節能思路

表2 通信局房B變壓器低壓進線柜輸入端

通信局(站)電源節能思路

表3 供電方式與線路投資及損耗計算

通信局(站)電源節能思路

而對于配置了6%電抗器的補償柜,不僅對諧波不放大,且起到了一定的抑制作用,吸收了部分系統的諧波,并能夠有效防止串聯和并聯諧振的發生。表2示出的是通信局房B變壓器低壓進線柜輸入端。

2.2 諧波治理

對供電系統的諧波進行治理,不僅可以提高配電系統的安全性、可靠性,還可以提升變壓器、柴油發電機組、斷路器、電纜等設備的容量利用率,降低電源系統中的變壓器、電纜、母排等設備的運行損耗。

如:輸入諧波含量為30%的負荷700 kW(如UPS),要求柴油發電機的對應容量為2~2.5倍,需要

1 400 kW以上的柴油發電機才能保證正常供電。如將諧波降低至5%以內,柴油發電機的容量約800 kW左右即可滿足。

文獻[1]規定,當交流供電系統總電流諧波含量(THD)大于10%時應配置濾波器。對于通信局房電源系統的諧波治理通常選用有源濾波器和無源濾波器2種方式。

無源濾波技術的原理是根據系統中諧波電流的分布及大小,設計適當組合的LC濾波裝置來濾除不同頻段的諧波,以達到凈化電網提高用電質量的目的。無源濾波器設計簡單、成本低、應用廣泛。

有源濾波技術的原理是通過對非線性負載產生的諧波進行采樣、分析、建立頻譜圖,以此頻譜圖為依據向電網側送一個與非線性負載產生的諧波相反的諧波,來有效地抑制各次諧波,并根據電網的情況調整電壓與電流波形的相位角,修正電流波形,提高功率因數,達到濾除諧波的目的。有源濾波器設計和控制復雜,成本高,濾波效果好。

與無源濾波器相比,有源濾波器具有高度可控制特性,能跟蹤補償各次諧波、自動產生所需變化的無功功率,其特性不受系統影響,無諧波放大危險,相對體積、質量較小等突出優點,因而通信電源系統適宜采用有源濾波技術。

3 通信電源設計節能

通信電源設計是通信電源節能中非常關鍵的一個環節。通信電源設計節能包括方方面面,從選擇合理的設備、容量及配置,到組成安全、可靠、易用的系統,每個環節都可以實現節能,都需要注意。

通信電源設計節能主要可以從以下幾個方面考慮。

a) 減少供電環節:在供配電系統的設計階段,除必要的供電環節外,應避免增加多余的供電環節,減少由于過多供電環節造成的電能損耗。

b) 合理布放導線:供電系統應盡可能靠近負荷中心,以減少供電距離,縮短導線長度,降低損耗。供電線路較長時,宜在滿足敷設條件、載流量、熱穩定、保護配合及電壓降要求的前提下,適當增加導線截面來降低線路損耗。設計中宜計算、比較增加投資與回收年限,選出最佳方案。此外在布放導線時,應優化導線路由,盡量減少導線長度。

c) 合理選擇供電方式:電源設備機房的設置應根據通信局房的發展規劃、總體布局、建筑面積及通信專業的工藝需求等情況,在保證供配電系統供電安全可靠的前提下,合理選擇供電方式,將電源系統集中與分散方式進行靈活應用和結合,能夠減少電纜上下樓層穿插,使供電電源盡量靠近負荷中心,并合理選擇線路路徑,降低配電線路損耗。

目前IDC機房和數據中心建設項目非常多,由于大型數據中心的負荷動輒達到數萬千伏安的容量,因此變壓器和油機的配置數量非常多。而為了減少線路的損耗和電纜的用量,通常將變配電系統設置在機房樓內,使其深入負荷中心。但是由于油機的進排風及安裝的特殊要求,無法深入負荷中心,只能通過低壓電纜接入低配系統進行電源切換。在這種情況下,采用10 kV高壓油機替代常規低壓油機,可以大幅度節約電力電纜、降低線損,而且施工方便、節省電纜通道和相關土建費用,具有非常好的節能效果。

表3示出的是采用常規方式與采用高壓油機供電、高壓電纜進樓的方式對相關線路投資和損耗進行的節能計算。

從表3可看出,采用變配電系統上樓靠近負荷中心和高壓油機后,不僅可以節約大量的低壓電纜投資,更可以減少大量的線路損耗,具有非常好的節能效果。

4 結束語

對于通信電源節能而言,通信設備節能是重要基礎,通信系統節能是關鍵環節,通信設計節能則是最為重要的源頭。

對現有通信局房電源進行節能改造,往往會遇到很多問題。例如設備帶電運行,很難進行系統性的改造;改造的安全性問題,包括施工、割接等因素;現有設備、系統的改造余地小;進行節能改造要綜合考慮其效益。上述這些問題都會導致現有電源系統很難進行徹底的節能改造,且只能采用有限的節能措施,例如對老化、問題設備替換為新型節能設備,諧波治理(后期整改局限性較大),補償柜的后期改造,設備及系統的節能運行方式等。

對于新建局房的電源節能而言,其重點則在前期的規劃設計階段,從市電引入電壓的選擇、高低壓變配電設備選型和系統配置、電力機房的規劃、合理采取分散及集中供電方式等因素都決定了最終通信電源系統節能的效果。因此好的設計方案和思路尤為重要,不僅在前期規劃、設計階段就能夠做到全方位的考慮節能措施,做到節能效果的最大化,還能夠有效避免后期的節能改造和浪費投資。

參考文獻:

[1] YD/T 5040-2005 通信電源設備安裝工程設計規范[S]. 北京:北京郵電大學出版社,2006.

(責任編輯:6g下載網)
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