通信網動力需求及開關電源發展趨勢探討
一、前言
通信電源是通信網絡的關鍵基礎設備。在通信網絡發展初期采用的相控整流電源滿足的只是基本的穩壓供電要求，而在通信事業大發展的十幾年中，通信電源行業在強勁需求帶動下經歷了快速變革。縱觀通信電源發展過程，其產品進步主要受兩個因素影響：電力電子技術和通信網絡設備對動力平臺的要求。在現階段，除了以上兩個推動通信電源產品發展的因素之外，節能減排要求是通信電源產品最重要的技術導向，也是對企業社會責任的要求。
通信電源設備作為關鍵的基礎設備，在通信網絡應用中需要綜合考慮建設成本、運行成本、技術先進性、穩定性、環保等各個方面。自工業和信息化部發放3G牌照以來，運營商之間全業務、全方位的競爭格局已經形成，國內通信行業正在經歷市場格局的深遠變化。
二、通信電源技術與應用發展歷程
通信電源技術的發展與通信設備、商用通信網絡的發展息息相關。20世紀70年代，網絡通信設備幾乎全部采用模擬技術，輸入電壓范圍窄，配置的開口式鉛酸蓄電池組需要增加尾電池，對電源設備輸出特性要求簡單，而對輸入特性幾乎沒有要求。這一時期的通信電源主要采用相控整流技術，一般效率在80%以下，功率因數低于0.85，諧波高于30%，且體積龐大。
20世紀80年代，隨著可以寬電壓供電的數字程控交換機的引入，對供電質量要求提升；另一方面，電力部門對用電設備輸入特性也越來越重視。1994年我國決定大規模發展數字移動通信網之后，網絡建設對電源設備提出了新的要求。1994年，在原郵電部要求通信行業推廣使用高頻開關電源以取代相控電源之后10年時間內，作為第三代通信電源的智能高頻開關電源已經完成對第二代通信電源的替代升級，在產品設計、成本控制、制造能力、質量控制等各方面具備相當的成熟度，有效的支撐了商用通信網絡的可靠運行。
三、第四代通信用直流電源
目前在網應用的高頻開關電源大多采用軟開關技術，效率已較相控電源提高了10%以上，日常較低負載率運行效率可達到85%左右。2008年以來，控制技術和器件技術的進步使得更合理的拓撲得以應用，以整流器效率高于96%為顯著標志的第四代電源產品開始商用。4年以來，高效電源有了更大的技術進步，產品成熟度已經完全滿足通信行業要求。主流廠商現都可以生產高效率開關電源產品，部分行業{lx1}的廠家已經推出了峰值效率高于98%的整流模塊（為表述方便，下文將第四代通信用直流電源稱為高效直流電源）。
四、第四代通信用直流電源的應用情況
國內電信運營商從2010年開始采用高效直流電源，從應用效果來看，高效直流電源具有更高的可靠性、環境適應能力，并可以有效的降低基站能耗。
1）更高的可靠性
因為產品的能耗降低，所以高效直流電源的發熱量降低。相比普通效率電源，高效直流電源發熱量降低50%以上。如圖1所示，在機房溫度25℃～35℃時，高效模塊內部關鍵器件（整流橋、開關器件、主變壓器、電解電容）的溫度相比普效模塊降低約5℃～15℃，從而壽命得到提高。其中對溫度最為敏感的電解電容，壽命可提高40%以上。從實際應用的故障率統計數據來看，第四代通信電源產品比普通效率產品低10％～20％。
圖1 普效與高效模塊熱設計、運行溫度、壽命對比
2）更好的環境適應能力
隨著節能減排的深入，基站運行溫度逐步提升，以{zd0}限度的減少制冷能耗。在長期試驗取得良好效果之后，提升站點空調的工作溫度已經成為運營商節能減排的重要手段。
中國移動頒布的《關于中國移動“2011年綠色行動計劃”工作的指導意見》中要求80%的基站運行溫度提高到30℃，20%的基站運行溫度提高到35℃。而隨著WLAN、FTTx的建設，網絡不斷深入，安裝于弱電井、樓梯間等缺乏專門的環境調節設備場合的站點越來越多，溫度、濕度、空氣潔凈度都無法保障。另一方面，戶外型站點由于建站速度快，投資運行成本低，近年發展也呈上升態勢。站點的發展要求電源設備具備更加良好的環境適應性。
基站現網應用的直流電源允許工作溫度范圍一般是－5℃～40℃，且日平均氣溫不高于35℃。而高效模塊數字化程度的提高和發熱量的顯著降低為更加優化的熱設計提供了可能，55℃下可滿載輸出的產品也已在市面出現，{zg}允許工作溫度允許達到65℃。直流電源工作溫度范圍的提升，可以讓電源設備正常工作于弱電井、樓梯間等缺乏專門的環境調節設備的場合，也可以使電源設備正常工作于戶外型站點。各廠商的普通效率直流電源在這些場景下工作時，故障率普遍增加30%以上，采用高效直流電源以后，故障率大大降低，可以與普通效率模塊在有空調站點運行的故障率持平。
采用高效直流電源，可以為通信網絡的深度覆蓋提供更好的供電保障。
3）更低的能耗水平
全球氣候變暖對世界的影響已經越來越深入，節能減排是全球每個企業和每個人應當承擔的社會責任。1992年通過的《聯合國氣候變化框架公約》和1997年通過并于2005年生效的《京都議定書》強化了全社會所有團體、組織、企業和個人的責任。
另一方面，2008年以來通信網絡再次高速發展，2011年底三大運營商基站總量已達180萬，較2008年增長近4倍。雖然多載波功率放大、分布式基站等技術的廣泛應用有效降低了單站點能耗，電費仍然成為運營商綜合成本當中增加最快的部分。通信網絡能耗的進一步下降成為運營商履行社會責任和降低運營成本的共同要求。具體到開關電源產品，最主要的技術目標是提高其能源轉換效率。
目前，普通效率直流電源主要的節能手段為休眠節能，日常工作效率約為90%，另有約20%站點的電源設備因建設較早無法應用該技術，實際運行效率更低，約85%。而高效直流電源系統工作效率可到95%以上。
站點的實際運行情況的對比數據見表1，三個基站負荷均為2103W，分別采用高效直流電源、普通效率直流電源和早期直流電源。
表1 基站采用不同電源能耗對比
*：此處空調制冷耗電是指在主設備和其他設備之外，開關電源設備耗電而引起空調制冷的耗電量。
按以上實際的運行測試情況計算，基站因選用高效電源所增加投資，兩年左右可以回收；采用高效電源改造老舊站點，兩年半即可收回設備投資。目前高效開關電源采購成本比普通效率開關電源產品增加較多，主要原因國內采購高效模塊較少，在廠家實現規模化的生產之后，xxxx周期將進一步縮短。
除已采用高效的約站點外，全網其他約160萬站點如采用高效開關電源替代現有電源，年可節約用電約29億度。除基站外，國內全網還有約5萬套分立電源，目前能效水平普遍不高，且不適用休眠節能功能，如全部采用高效電源，年可節約用電也將超過20億度。可以看到，雖然單站年節電僅幾千度，但滴水成海，第四代電源的效率提高對于日益龐大的通信網絡能耗控制意義非凡。
4） 第四代通信電源國內發展情況
雖然應用效果很好，但國內運營商高效直流電源的采購規模一直不高于直流電源總量的10%，分立式電源中高效電源的采購比例更低。國內運營商資本開支壓力逐年增大，對設備采購的初期投入控制較嚴。采用高效直流電源初期投入每套電源增加3000～4000元，但是從長遠來看，其TCO要大大優于采用普通效率直流電源，一般情況下，兩年左右即可以收回初期增加的設備投資。
國內通信行業還處于發展期，電源設備的應用仍然保持較大規模；現有開關電源使用時間最長超過了15年，今后將逐步進入替代更換期。針對國內通信行業的開關電源應用，應改變以低價為導向的采購模式，需要綜合考慮建設成本、運行成本、技術先進性、穩定性、環保等各個方面。作為大型國有企業，電信運運營商應主動承擔社會責任。建議在今后的集采中停止采購普效電源產品，全面采購第四代高效率電源產品；針對在網老舊設備，采用第四代高效率電源產品分批進行逐步替換。
五、 世界主要運營商能耗及電源應用情況
根據各自年報，中國運營商和歐洲主要運營商單位收入的能耗情況見表2和表3。雖然各運營商各自的業務構成、業務資費、能耗成本對該能效值存在影響，但仍可看出我們的能耗水平還遠高于歐洲同行，這也說明我們的節能降耗還有較大的提升空間。
表2 中國運營商單位收入能耗情況
表3 歐洲主要運營商單位收入能耗情況
另一方面，目前在國內的通信電源設備采購中，產品的效率指標并未得到充分重視，實際采購的電源產品仍以第三代普通效率電源產品為主。相對比之下，歐洲主要運營商在2011年起，高效率電源設備的采購比例即達到了80%以上，遠高于國內應用比例。近年國外主要運營商通信電源招標效率指標要求見表4。
表4 國外主要運營商通信電源招標效率指標要求
六、 結束語
電信行業重組后運營商的競爭格局正在經歷變化，日益龐大、不斷深入發展的通信網絡對于承載其運行關鍵設備的通信電源也提出了新的要求。能耗、體積、環境適應性等特性影響到整個網絡的部署、可靠性和商用價值，正越來越受到運營商關注。得益于器件、控制技術和電力電子拓撲研究的進展，新一代數字化高效率通信電源設備順應這些要求，正在成為承載通信網絡的主要力量，也是實現節能減排的主要技術手段。