高频开关通信电源系统的组成、管理和维护

O 引言
    高频开关通信电源系统是一种智能型无人值守式组合电源系统，采用国际上先进的整流器变换技术，可广泛应用于各种交换设备，微波通信，移动机站和光纤传输等通信领域中，也可用在电力通信等领域。
    现将高频开关通信电源系统的主要组成部分一交流配电单元，整流器单元，直流配电单元，监控单元，蓄电池组单元以及在日常维护，故障处理时所注意的事项逐一介绍。

l 交流配电单元
    交流配电单元完成市电的接入和切换，给整流器提供交流电源，为监控单元提供交流电压和电流的采样输出，同时具有交流备用输出和防雷功能。交流配电单元的工作原理图如图l所示。

2 整流器单元
    高频开关整流器由两级电路组成：前级为PFC功率因数校正，后级为DC—DC功率变换。输入电路包括输入EMI、缓启动、浪涌雷击防护整流和输入浪涌电流限制电路，使开关整流器具有较小的开机浪涌电流和较好的电磁兼容性。整流后直接进入前级功率因数校正电路，功率因数效正主电路为BOOST电路，控制采用平均电流控制方式，输入端的功率因数接近1，谐波电流小于10％，满足相应的国际标准。主二极管零电流关断，主开关管零电压开通，功率器件工作应力较小。提高了系统的可靠性，同时使系统具有良好的电磁兼容性。功率因数校正电路的另一个功能是对输入电压进行预调整，输出一个稳定的410V直流电压。这样有利于后级DC—DC优化设计，使系统具有良好的源效应。
    后级DC—DC功率变换电路采用双管正激加无损吸收电路。电路简单可靠。开关管无直通之危险。无损吸收减小了开关管关断时的电压应力，输出端具有较小的电磁干扰。
    高频开关整流器采用电流型控制芯片，具有快速的响应，对使用不当或负载故障造成的输出短路提供快速的保护。热插拔技术的采用可使整流器在不用关断电源的情况下就可以即插即用，大大缩短开关整流器的平均维修间隔时间(MTTR)，提高了系统的可维修性和可靠性。内部具有交流输入过、欠压检测和保护、输出过压、限流、过流保护、风扇堵转关机保护，机内散热器过热保护以及辅助电源故障报警等。
    高频开关整流器通过硬件把开关整流器状态和报警信息上报给监控，监控可通过接口调整开关整流器的输出电压，完成对开关整流器的开关机控制，实现“三遥”功能。辅助电源为开关整流器内部控制电路供电。
    高频开关整流器以N+1方式在线运行，在检修维护时可将故障模块更换。

3 直流配电单元
    整流器输出采用并联方式，经汇流铜排进入直流配电单元。
    直流配电单元可以提供1路或2路蓄电池接入(可扩展到3路蓄电池)和多路直流负载输出(直流输出路数及容量可根据实际用户的需求增加或减少)。蓄电池输出回路配置大电流的熔丝，以防外部短路造成蓄电池损坏。
    每组直流输出采用一个直流接触器控制。整个系统具有二次下电功能，其中系统正面的负载分路为系统的二次下电负载组，系统背面的负载分路为系统的一次下电负载组。系统在蓄电池放电过程中按用户的设置电压分两次将负载断掉，以保证主要负载能够长时间地工作；同时根据用户的设定，在电池放电达到极限时，切断所有负载以保护蓄电池。负载和蓄电池输出端均接有熔丝或空气开关保护。直流配电单元工作原理图如图2所示：

4 监控单元
    监控单元负责对系统的交流配电、直流配电、整流器组以及蓄电池组等进行综合管理。监控单元实时的采集系统的运行数据，监测系统的工作状态，当系统故障时进行声、光等方式的报警并提供必要的保护措施。
    监控单元面板上的液晶屏和LED指示灯可以显示系统的输出电流、输出电压、电池电流及各种报警信息，同时也可以通过面板上的键盘设置必要的参数，完成必要的控制。系统的运行数据、工作状态等除了在本地可以得到体现以外，也可以通过一定的传输方式向上级监控单元进行汇报。
    当系统发生故障时，发出声光报警信号，并且在液晶屏幕上有报警信息指示。电源系统脱离监控单元仍能工作，但将失去三遥功能，同时也将失去电池管理功能。此时系统对蓄电池处于浮充状态。需要密切注意蓄电池的放电情况。
    监控单元的功能如下：
4．1 人机交互界面
    人机交互界面由液晶显示屏和按键构成。前台采用中文／英文两种操作界面，两种操作界面可以通过前台进行切换。用户可使用人机交互界面设定系统运行的全部参数，显示系统各个部分的运行数据。
4．2 通讯功能
    监控单元提供RS232通讯接口，可通过Modem或其它方式实现集中监控，监控单元向后台PC机上报现场数据和状态，接收来自后台PC机的控制指令并加以执行。
    (1)本地监控：RS232接口与本地PC机相连。
    (2)远端监控：标准的RS232接口，通过Modem与集中监控后台相连。
    (3)与整流器的通信采用模拟方式完成。
    (4)与其它监控系统通信：提供RS232接口。
4．3 数据采集及处理功能
    采集及处理的信号如下：
    1)交流配电单元
    在交流配电单元采集及处理的信号包括：交流电压U相、V相、W相；交流U相电流；交流接触器的工作状态；交流输入空气开关状态；交流防雷器工作状态。
    2)直流配电单元
    在直流配电单元采集及处理的信号包括：直流输出电压；三路蓄电池电压；三路电池电流；一路总负载电流；负载输出熔丝或空气开关状态；蓄电池熔丝状态；控制两路直流接触器。
    3)整流器部分
    整流器采集及处理信号包括：整流器告警信息；整流器开关控制；整流器均浮充状态控制。
4．4 报警管理和保护功能
    根据用户的设定值处理实时数据。当有不正常的情况发生时，主动向后台PC机报警，并对当前的故障情况予以记录保存。用户可以直接在监控单元上查询最近一段时间发生的告警。监控单元还能够在告警发生时，自动寻呼维护人员的BP机。
4．5 蓄电池管理功能
    蓄电池的管理分为两部分：
    1)蓄电池充电管理功能
    监控单元按照周期性均充和停电后再来电均充两种方式对蓄电池的充电过程进行管理。
    2)蓄电池保护功能
    当市电断电时，负载由蓄电池供电，当蓄电池电压下降到一定程度时(可由用户自行设定)发出报警；当蓄电池进一步放电，蓄电池电压低于用户设定的一次下电电压值时，可按用户设定先切断一组次要负载；蓄电池再进一步放电达到最终的保护电压(二次下电电压)时，再切断另一组负载，保护蓄电池不致过放损坏。
4．6 控制功能
    可根据前台用户的操作或后台PC机的控制指令，控制整流器的开／关、均充／浮充工作状态，以及按照用户的要求控制整流器输出电压。

5 蓄电池组单元
    蓄电池组是高频开关通信电源系统的重要组成部分，所占的投资比例很大，加强对蓄电池的管理，改善其使用状况，从而有效地延长蓄电池的使用寿命，具有重要的意义。目前，通信电源配套的蓄电池大多是先进的阀控式密封铅酸蓄电池，阀控式密封铅酸蓄电池主要有贫液式和胶液式两类。由于阀控式铅酸蓄电池全密封、无须加水维护，故常冠以“免维护”的称号。“免维护”这一词给使用者带来了认识上的误区，导致使用者放松了对阀控式密封铅酸蓄电池的日常维护和管理。因此，正确使用和维护阀控式密封铅酸蓄电池具有十分重要的意义。根据各个基站的通信设备需求，其蓄电池每节单体电压一般有2V、6V和12V三种，一般在枢纽大站，常采用寿命长、可靠性高的2V电池，在小型基站，根据安装要求，可采用其他两种电池，使用时将多节单体串连，组成48V的蓄电池组。在对电源系统可靠性要求较高的场合，一般采用两组蓄电池并联运行、浮充供电的方式。
    对蓄电池组的日常维护要定期清洁并检测端电压、温度；连接处有无松动腐蚀现象，检测连接条压降；外观是否完好，有无鼓肚变形和渗漏现象；极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出；当发现电压反极性、压降大、压差大和酸雾泄漏的电池时，应及时处理，对不能恢复的蓄电池要及时更换；不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起，否则可能会对整组蓄电池带来不利影响。对寿命已到的电池组要及时更换，以免影响到电源系统和设备主机。

6 日常维护
    首先基站内的电源设备日常维护要严格按照电信部门制定的《通信电源维护规程》执行。机房内的环境安全管理和设备管理要严格按照电信总局制定的《通信机房环境安全管理通则》执行。正常使用情况下，主要注意以下几点：
    1)系统应保持环境通风良好，定期清洁通风口。
    2)系统各模块内均设有过流、过压、过热保护设备，出现报警情况时，请仔细检查用电设备端有无短路、接错、模块掉电，或操作是否正常，逐个排除各类故障。
    3)无人值守的基站应具有遥测、遥控、遥信等远端管理功能，具有空调监测、防火、防水、防盗能力，用户要对基站定期巡检，特别是电池需要定期检查并及时更换落后电池。
    4)在气候条件非常潮湿的地区应定期检查系统的保护接地是否正常。
    5)蓄电池组通过熔断器连接在电源系统输出端，系统工作时，更换蓄电池时要先拔下熔断器的熔丝再更换电池，要注意电池的极性严禁接反。

7 常见故障的处理
    当高频开关通信电源系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是电源系统?是主机还是电池组?虽说高频开关通信电源系统主机有故障自检功能，但它对面而不对点，更换配件很方便，但要维修故障点，仍须做大量的分析、检测工作。如果自检部分发生故障，显示的故障内容也可能有误。高频开关通信电源系统采用模块化设计，局部的或单元的故障一般不会扩散。电源系统故障分为一般性故障和紧急故障。一般性故障指不会影响通信安全的故障，包括交流防雷器雷击损坏、系统内部通信中断、单个模块无输出、监控单元损坏等。紧急故障指影响通信安全的故障，包括交流输入与控制损坏而导致的交流停电，直流采样和控制电路损坏而导致的直流负载掉电等。
7．1 交流配电单元故障处理
    1)停电
    交流停电是电源系统运行中最常见的情况，在停电时间不长时，直流供电由电池负担，如果停电原因不明或时间过长，就需要启动油机发电。油机启动后最好经过2分钟以上的延时后，再切换给电源系统供电，以减小油机在启动过程中可能对电源设备造成的影响。
    2)C级防雷器损坏
    防雷器由四个片状防雷单元组成，其中三个防雷单元具有状态显示功能，可以显示防雷单元是否处于完好状态。防雷单元窗口颜色为绿色时，表示防雷单元处于完好状态。某个防雷单元窗口颜色为红色时，则表示该防雷单元已损坏，应尽快更换防雷单元或通知维护人员进行维修。
    3)交流输入缺相
    交流输入缺相时，如果暂时不能解决交流电问题，而又要求系统工作，可采取应急办法：先切断交流电，将缺相的那相线取下，用绝缘胶布包裹好，再用一短线将正常的相线接入去掉的相线，送上交流电。
    4)交流输入过／欠压
    如果交流正常，而出现交流过压／欠压告警，一般是监控系统交流采样电路、交流变送器或监控单元发生故障。
    5)交流接触器坏
    当交流输入电压在正常的输入范围而接触器不吸合。用万用表进行检查。若检查交流接触器线圈有正常工作电压，而不吸合，则说明交流接触器坏，应予以更换。
7．2 整流器故障处理
    整流器的常见故障包括：无输出，过热故障，不均流及均流不良，无显示，风扇损坏，过流保护等。
    1)模块无输出
    整流器不工作，面板指示灯均不亮。首先检查交流电是否输入，其次检查模块输入熔丝是否熔断。另一种情况是模块可能发生故障，此时需要更换故障模块。
    2)过热
    整流器内部主散热器上温度超过85℃时，模块停止输出。此时监控单元有报警信息显示。模块过热可能是因为风扇受阻或严重老化、整流器内部电路工作不良引起，对前一种原因应更换风扇，后一种原因需对该电源模块进行维修。
    3)不均流及均流不良
    系统在使用中如出现不均流现象，应检查模块与监控之间的监控线是否接好，监控线本身是否有断线。若有均流，但均流效果不好，可调节相应均流效果差的模块输出电压(调节整流器面板上的电位器)，使之在浮充或均充状态下的输出电流之差在规定范围内，重新达到均流。
    4)风扇故障
    风扇故障是风扇在该转时不转。检查风扇是否被堵塞，如果是，清除堵塞物；否则，则是本身损坏或连接控制部分发生故障，需拆下进行维修。
    5)过流保护
    整流器具有过流保护功能。若输出短路，则模块回缩保护，输出电压低于20V时整流器关机，此时面板上的限流指示灯亮。故障排除后，模块自动恢复正常工作。
7．3 直流配电单元故障处理
    1)直流分路故障
    若熔断器或断路器直流输入端有电压，输出端无电压输出，则说明熔断器或断路器没有接入或已经损坏。若熔断器或断路器正常，则可能是直流支路检测线断开。
    2)电池管理故障
    如果监控单元不能对电池进行正常的报警和保护，即电池电压低于报警和保护值，而没有报警和保护信号输出，使得蓄电池无法正确脱开。电池管理故障原因有：相应监控采样线断开，监控单元的相关部分损坏，执行机构(直流断路器)损坏或执行机构的电缆线断开等原因。
    3)直流接触器故障
    如果接触器两端有正常的工作电压，而接触器不断开，则接触器损坏，需更换。
7．4 监控单元常见故障处理
    监控单元具备一定的自诊断功能。监控单元发生故障时可按以下几种原因分析：
    1)监控单元不工作
    首先检查电源灯是否亮，若不亮，检查监控箱的电源输入是否正常，监控单元的熔丝是否正常，电源开关是否打开。
    2)屏幕显示混乱
    按复位键使监控单元复位
    3)通讯不上
    检查通讯电缆是否完好连接到监控单元上，若仍通讯不上，请复位监控。如果是Modem通讯，需检查Modem的电缆和电源线是否连接好。
    4)电池温度检测不正常
    检查监控单元上的检测电池温度的传感器插座是否接好(绝不能把电池温度传感器接到Modem的供电插座上)

8 结束语
    本文较系统的阐述了高频开关通信电源系统的各组成部分，结合高频开关通信电源系统的设计、生产实践、售后服务与运行维护经验，为广大用户在使用高频开关通信电源系统时所遇到的一些问题提供了有力的技术支持。