一、引言
　　
　　开关电源系统是直流不间断电源供电的主要形式,是最重要的通信电源设备之一。目前常用的开关电源系统有-48V、240V、336V等多种电压等级。整流模块是开关电源系统的核心部件,承担着电源制式转换和电压变换的功能,为通信负载工作和蓄电池组充电提供能量;同时自身保持一定的冗余度,提高系统供电的可靠性。整流模块的配置数量及负载特性与蓄电池组配置容量共同决定了开关电源系统的带载能力。
　　
　　然而在实际工作中,大家对整流模块负载特性存在不同的理解,对开关电源系统带载能力的测算结果也各不相同,甚至相去甚远,这给工程建设、运行维护、安全保障等工作带来了不少困扰。下面以-48V电源系统为例进行分析。
　　
　　二、常规测算方法与争议
　　
　　1.根据整流模块配置测算有效负载容量
　　
　　如果把开关电源系统能够长期、安全、可靠地供给通信主设备的电流或功率称为有效负载容量,则有:
　　
　　O有效=O模块×(M-X)-O电池 (1)
　　
　　式中:O有效、O模块、O电池—分别表示有效负载容量、整流模块容量和蓄电池组充电容量,以电流(A)或功率(W)计算,同量纲;
　　
　　M、X—分别表示整流模块总数和冗余模块数量,一般每10个模块冗余1个;M-X=N即主用模块数量。
　　
　　以有效负载电流计算为例,可得下列公式:
　　
　  　(2)
　　
　　式中:I有效1—按整流模块配置测算的有效负载容量(电流,A)
　　
　　I模块—整流模块标称容量(电流,A)
　　
　　C10—蓄电池组标称总容量(Ah)
　　
　　t—充电小时数(h)
　　
　　以某枢纽楼某套-48V开关电源系统为例。该系统满配容量3000A,当前配置100A模块20个,1000Ah蓄电池组4组,设计放电时长为1h,充电时长按20h设置,则其有效负载容量为:
　　
　　(3)
　　
　　2.根据蓄电池放电容量测算有效负载容量
　　
　　上述计算结果显然是不全面的。有效负载容量不仅仅要考虑市电正常情况下(包括蓄电池充电情况)整流模块的输出能力,还必须考虑市电故障情况下蓄电池放电时整流模块的输出能力。前者电压通常恒定为浮充电压(-48V系统为53.5V左右,240V系统为267.5V左右),而后者电压是在不断变化的,从放电开始时的浮充电压逐步下降至终止电压(-48V系统为43.2V,240V系统为204V)。
　　
　　蓄电池的放电电流可以通过以下蓄电池容量公式来进行反推。
　　
　　(4)
　　
　　式中:Q—蓄电池组10小时率标称容量(Ah)
　　
　　K—安全系数,取1.25
　　
　　I—负载电流(A)
　　
　　t—放电小时数(h)
　　
　　η—恒流放电时的有效容量系数
　　
　　α—电池温度系数(1/℃)
　　
　　T—最低环境温度(℃)
　　
　　可得(容量系数按1小时率0.55计,环境温度取25℃):
　　
　　(5)
　　
　　式中:I有效2—按放电状态下蓄电池配置测算的有效负载容量(电流,A);
　　
　　其余参数定义同上。
　　
　　仍以上例场景来看,4000Ah蓄电池组在设计放电时长1h情况下的放电电流(有效负载容量)为:
　　
　　(6）
　　
　　以两种测算方法的较小值作为该开关电源系统的有效负载容量。在上例中,
　　
　　I有效1=1600A,I有效2=1760A;
　　
　　∵I有效1　　
　　∴系统有效负载容量=I有效1,即1600A。
　　
　　3.主要争议问题
　　
　　目前绝大多数通信负载其实都是恒功率特性的,在市电中断、蓄电池放电过程中,随着电压的下降,电流会持续升高。
　　
　　若负载电流在正常情况下(蓄电池浮充状态)为1600A，则在蓄电池放电终止时其电流为1600×53.5/43.2=1981A，似乎超出了整流模块提供的负载能力。反过来，如果要求放电终止时电流不超过1600A，则其长期供电的负载容量就只有1600×43.2/53.5=1292A，整整少了300A还不止。
　　
　　一种观点认为蓄电池放电时整流模块其实是不工作的,放电电压的下降与整流模块毫无关系，没有必要按此换算。另一种观点则认为浮充状态下的负载电流实际上是被“缩小”了,必须换算为放电终止电压下的电流加以控制才是可靠的,这样能够避免市电来电瞬间因蓄电池组低电压而导致的整流模块过载。
　　
　　那么,到底哪个数据才真正反映了开关电源系统的有效负载能力呢?工程设计和日常运维应以哪个数据为准呢?浮充电压下的负载电流还能作为衡量系统负载率的依据吗?
　　
　　三、维护规程中的规定
　　
　　带着上面的问题,我们先来看一下各运营商维护规程中的相关规定。
　　
　　1.中国电信维护规程
　　
　　《中国电信电源与机房环境基础设施维护规程（2019年版）》在第四章第一节“质量标准”中对“直流电源系统的长期负载电流”作了如下规定:
　　
　　直流电源系统的长期负载电流应按以下两个计算方法进行计算,取小值。
　　
　　计算方法1:
　　
　　负载电流I1≤最大可输出电流(系统总容量)-冗余模块额定输出电流-蓄电池充电电流(0.1C10)。
　　
　　举例:以1000A(每个模块100A)系统,配2组1000Ah蓄电池组为例计算。
　　
　　负载电流I1≤1000-200-200=600A
　　
　　注:冗余模块=2×100=200A,蓄电池充电电流=0.1×2000=200A。
　　
　　计算方法2:
　　
　　1）蓄电池最大放电电流,以1小时率的放电电流为例:
　　
　　蓄电池最大放电电流I电池=(蓄电池总容量/K)×η
　　
　　—K:安全系数,取1.25;
　　
　　—η:放电系数,取1小时放电系数0.45;2
　　
　　—忽略温度补偿系数。
　　
　　2）-48V直流系统允许的负载电流
　　
　　负载电流I2≤蓄电池放电电流I电池×43.2/53.5。
　　
　　注:系统放电为恒功率模式,蓄电池最大电流按放电时最低电压43.2V计算,折算成直流系统53.5V时的负载电流。
　　
　　这里的计算方法1与前文中根据整流模块配置测算有效负载容量的方法是一致的;但计算方法2显然是把用恒流放电容量测算出来的蓄电池放电电流(即放电初始电流)当作放电终止电流来进行控制了,此时整流模块其实是不工作的(似乎在计算方法1中考虑这样的测算更有道理)。这样的测算方法大幅压低了开关电源系统的负载能力,造成设备利用率下降。
　　
　　2.中国移动维护规程
　　
　　《中国移动通信电源、空调维护管理规定（2019版）》对开关电源系统有效负载能力未作专门规定,但在其第五章第五节“容量预警”中对开关电源系统负载容量比作了如下定义:
　　
　　备注:
　　
　　1）开关电源主用模块总电流(A)=模块容量(A)×主用工作模块个数;整流模块应按N+1冗余方式配置,其中N为主用。
　　
　　2）负载总电流含蓄电池充电电流,充电电流按0.1C10计算。
　　
　　由此可见,中国移动的计算方法中并未考虑恒功率放电时电流变化的情况。
　　
　　3.中国联通维护规程
　　
　　《中国联通通信网络运行维护规程动力环境分册(2021版)》中对开关电源系统有效负载能力未作专门规定。
　　
　　四、电源产品技术特性分析
　　
　　既然维护规程未能就前述问题作出权威一致的解释,那么再对电源制造商的产品技术特性进行分析。
　　
　　1.整流模块功率特性分析
　　
　　通过调研表、产品技术手册以及电话咨询沟通等方式,对华为、维谛、中达、中恒等通信电源主流厂商的-48V和240V开关电源模块(含普效、高效)及系统技术特性进行了调研分析。
　　
　　以-48V/100A高效模块为例,图1列出了四家产品的电流、功率-电压特性曲线。
　　
　　需要提醒的是，图中电压坐标轴上的“终止”是指蓄电池放电的终止电压，而此时整流模块其实是不工作的。除了核对性放电试验，一般情况下整流模块的输出电压均高于其额定值(48V)。这里标注蓄电池的“终止”电压只是为了便于参照对比。
　　
　　根据图中曲线分析,各家整流模块产品在电压下降过程中均出现了输出电流逐步增大到转为恒流的过程,相应地输出功率也经历了由恒功率转为均匀降功率的过程。这个拐点可称为恒流点,对应电压可称为恒流点电压。不同产品的恒流点电压存在差异,从48V到53.5V都有。所有模块的恒流电流及正常工作时的输出电流均高于模块额定电流(100A)。所有模块在放电终止前的输出功率都高于额定功率(4800W);除了(c)产品外,其余产品放电终止前的输出功率甚至都与浮充电压下的标称功率(5300W)相差无几。核对各厂商其他规格整流模块,大体上也呈现以上规律。
　　
　　由此可见,开关电源整流模块输出电压只要不低于其额定值(48V),则其浮充电压下的负载电流完全可以与系统额定电流相较而论,而不必担心整流模块过载。至于蓄电池放电过程中的电压下降,与整流模块是没有任何关系的,完全不必担心整流模块过载的问题。
　　
　　那么还有一种情况,就是在蓄电池放电接近终止时(负载仍在工作),市电忽然恢复,整流模块重新输出的瞬间,由于此时负载电流是最大的,会不会造成整流模块的过载呢?这需要通过对蓄电池充放电特性来进行分析。
　　
　　2.蓄电池充放电特性分析
　　
　　目前开关电源系统配套蓄电池组还是以阀控密封铅酸蓄电池为主。在100%放电后,其单体电压下降至1.80V,组电压下降至43.2V(48V系统)。在市电来电、整流模块恢复输出后,其典型的充电曲线如图2。
　　
　　通过分析蓄电池充电反应机理及开关电源监控机制,在整流模块恢复输出的瞬间,由于蓄电池组端电压的“钳位”作用,电流会出现一个小尖峰(如果是锂电池,其BMS自带限流功能,不会出现电流尖峰),随后在开关电源监控的作用下迅速启动限流机制,转入限流充电状态。此时电压逐步回升,整流模块的功率也相应提升,逐步恢复;直至电压达到均充电压值(2.30V/只),系统转入恒压充电状态,蓄电池充电电流迅速下降。
　　
　　由此可见,如果开关电源系统处于100%满载且无冗余模块的情况下,在市电恢复正常的瞬间可能会出现一个小过载,随后即恢复正常。实际情况下由于系统均配有冗余模块,这种小过载基本不会发生。当然,未避免这种临界状况的
　　
　　发生,适当控制开关电源系统的负载率也是一个直接的办法。
　　
　　五、结论
　　
　　开关电源系统的有效负载能力应通过整流模块带载能力和蓄电池放电容量双重测算,取其小者为准。衡量系统负载率时一般可直接采用浮充状态下的电流值(也可采用额定电压时的电流值以获得更大的安全余量保障),并控制在一定的负载率内(如95%)。不应采用浮充电压与蓄电池放电终止电压之比来进行修正。
　　
　　参考文献
　　
　　《中国电信电源与机房环境基础设施维护规程(2019年版)》,中国电信集团有限公司,2019.12(中国电信云运〔2020〕1号)
　　
　　《中国移动通信电源、空调维护管理规定(2019版)》,中国移动通信集团有限公司网络部,2019.12
　　
　　《中国联通通信网络运行维护规程动力环境分册(2021版)》,中国联合网络通信集团有限公司,2021.5
　　
　　GB51194-2016通信电源设备安装工程设计规范
　　
　　YD/T1051-2018通信局(站)电源系统总技术要求
　　
　　作者简介
　　
　　贾继伟（1976）,男,浙江东阳,大学本科,高级工程师。毕业于南京理工大学计算机科学与工程系,现就职于中国电信浙江公司云网发展部。多年来主要从事通信电源、空调、动力环境监控系统以及电信节能降碳技术发展与规划应用相关工作。
　　
　　编辑：Harris