Hệ thống nguồn điện DC Viễn thông: Hướng dẫn thiết kế, tính toán kích thước và mua sắm

Hệ thống nguồn DC viễn thông giữ cho radio, thiết bị truyền dẫn, bộ định tuyến và điện tử điều khiển hoạt động khi nguồn điện AC không ổn định hoặc không có sẵn. Một nhà máy điển hình chuyển đổi AC đầu vào thành bus DC điều chỉnh, hỗ trợ tải bằng pin, phân phối các mạch nhánh được bảo vệ và báo cáo cảnh báo đến trung tâm vận hành mạng. Đối với một địa điểm mới hoặc nâng cấp, các quyết định quan trọng không chỉ đơn thuần là công suất chỉnh lưu và giờ-ampe của pin. Các kỹ sư phải xác định hồ sơ tải thực tế, mục tiêu tự chủ, mức độ dự phòng, phạm vi điện áp cho phép, sơ đồ bảo vệ, giới hạn môi trường, giao diện giám sát và phương pháp bảo trì. Hướng dẫn này giải thích quá trình lựa chọn hoàn chỉnh mà không gắn liền với một nền tảng độc quyền nào.

Chức năng của hệ thống nguồn DC viễn thông

Thiết bị viễn thông cần nguồn điện liên tục, tuy nhiên nguồn AC tại trạm, trung tâm trao đổi, phòng dữ liệu hoặc tủ bên đường có thể gặp sự cố mất điện, biến đổi điện áp, sự kiện chuyển đổi và gián đoạn chuyển đổi máy phát. Một nhà máy DC tách biệt tải quan trọng khỏi nhiều sự cố đó. Chỉnh lưu cung cấp tải hoạt động và duy trì sạc pin trong dịch vụ bình thường. Khi nguồn AC biến mất, pin vẫn được kết nối với bus DC và hỗ trợ tải mà không có độ trễ chuyển đổi liên quan đến việc chuyển đổi giữa các nguồn riêng biệt.

Nhãn hiệu “48 V” quen thuộc mô tả hệ thống danh nghĩa, không phải là lời hứa rằng mọi điểm đều chính xác 48,0 V. Hóa học pin, trạng thái sạc, bù nhiệt độ, sụt điện qua cáp, trạng thái xả và cài đặt thiết bị đều ảnh hưởng đến điện áp bus thực tế. Phạm vi cho phép do đó phải được xác minh đối với mọi tải kết nối và theo hướng dẫn của nhà sản xuất pin. Quy ước cực cũng yêu cầu xác nhận riêng theo dự án; nhiều hệ thống viễn thông đã thiết lập sử dụng dây dẫn dương có đất và bus nguồn âm, nhưng giả định không bao giờ thay thế bản vẽ và nhận dạng thực địa.

Các thành phần cốt lõi và mục đích kỹ thuật của chúng

Một nhà máy hoàn chỉnh là một hệ thống phối hợp chứ không phải là một tập hợp các hộp độc lập. Phần nguồn AC cung cấp cách ly, chuyển mạch, bảo vệ quá áp và bảo vệ nhánh phù hợp với địa điểm. Các chỉnh lưu mô-đun chuyển đổi AC thành DC điều chỉnh và thường chia sẻ tải. Một bộ điều khiển quản lý sạc, giới hạn dòng, cảnh báo và truyền thông. Chuỗi pin cung cấp năng lượng lưu trữ. Chức năng ngắt kết nối điện áp thấp bảo vệ pin hoặc tải chọn lọc khỏi xả sâu gây hư hỏng. Các bảng phân phối DC chia bus thành các nhánh được bảo vệ riêng biệt. Các shunt, cảm biến và cảm biến cung cấp các phép đo cần thiết để giám sát.

Cách xác định kích thước công suất chỉnh lưu

Bắt đầu với lịch trình tải được đo hoặc chứng minh bằng dữ liệu thiết bị. Phân biệt tải liên tục, tải gián đoạn, các bổ sung dự kiến, nhu cầu sạc pin và các phụ trợ môi trường đặt trên bus DC. Chuyển đổi từng mục thành dòng điện tại điện áp bus thiết kế và tính đến điều kiện hoạt động đồng thời tồi tệ nhất có thể xảy ra. Không trộn lẫn nguồn AC, công suất DC và công suất biểu kiến trong một tổng thể.

Kiểm tra khái niệm thực tế là: dòng chỉnh lưu yêu cầu bằng dòng tải dịch vụ tối đa cộng với dòng sạc pin cho phép, với độ dư mong muốn được áp dụng cho cách sắp xếp mô-đun. Nếu tải là 180 A và sạc kiểm soát có thể yêu cầu 40 A, yêu cầu hoạt động là 220 A trước khi xem xét độ dư hoặc giảm công suất do môi trường. Trong thiết kế N+1, mất mô-đun chỉnh lưu lớn nhất vẫn phải còn đủ dòng điện khả dụng cho nhiệm vụ đã định. Số cuối cùng phải dựa trên đường cong công suất đầu ra so với nhiệt độ và điện áp đầu vào của nhà sản xuất đã chọn thay vì một tỷ lệ phần trăm chung.

Phép tính dự phòng tăng trưởng nên phản ánh kế hoạch mở rộng đã được ghi nhận. Việc chọn kích thước quá lớn có thể khiến các bộ chuyển đổi mô-đun hoạt động không hiệu quả ở tải nhẹ, trong khi dư quá ít sẽ khiến việc bổ sung radio trong tương lai trở thành dự án khẩn cấp. Một đặc điểm kỹ thuật tốt hơn là nêu rõ dung lượng ban đầu đã lắp đặt, dung lượng tối đa, các vị trí mô-đun trống, các khe phân phối dự phòng và kích hoạt để thêm chỉnh lưu tiếp theo.

Cách ước lượng thời gian tự chủ của pin

Kích thước pin bắt đầu từ thời gian hỗ trợ yêu cầu và tải trọng quan trọng trong trường hợp mất điện. Ước lượng năng lượng ban đầu nhân công suất tải DC với số giờ tự chủ, nhưng việc mua sắm không thể dừng lại ở đó. Dung lượng thực sử dụng phụ thuộc vào tốc độ xả, điện áp cuối xả, nhiệt độ, dự phòng tuổi thọ, cách sắp xếp chuỗi song song, tổn thất cáp và bảng xếp hạng xả của nhà sản xuất pin. Thời gian dự phòng cho một bộ đổi nhiệt trong nhà ấm có thể khác đáng kể so với cùng một loại pin danh nghĩa được lắp đặt trong tủ ngoài trời lạnh.

Xác định các tải vẫn duy trì nguồn điện trong suốt thời gian mất điện. Việc cắt tải có thể ngắt các mạch không thiết yếu ở ngưỡng điện áp cao hơn trong khi vẫn giữ các chức năng truyền tải và điều khiển. Chiến lược khởi động và tiếp nhiên liệu của máy phát điện cũng ảnh hưởng đến mục tiêu tự chủ. Tổng quan của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ về lưu trữ năng lượng là bối cảnh hữu ích, nhưng thiết kế chi tiết phải tuân theo công nghệ pin đã chọn, các quy chuẩn áp dụng và yêu cầu về khả năng chống chịu của chủ sở hữu công trình.

Để chấp nhận, ghi lại cấu hình chuỗi lắp đặt, bằng chứng công suất vận hành, cài đặt nổi, cài đặt bù nhiệt độ, phương pháp siết chặt đầu cuối, ngưỡng giám sát và giả định thay thế. Các hồ sơ này làm cho các thử nghiệm công suất sau này có ý nghĩa. Một cảnh báo pin mà không có cơ sở dữ liệu rõ ràng cho biết người vận hành rằng đã có sự thay đổi, nhưng không rõ liệu khả năng tự chủ còn lại có đáp ứng mục tiêu dịch vụ hay không.

Phân phối, bảo vệ và sụt áp

Mỗi đường dây tải ra cần một tải định rõ, dây dẫn, tuyến đường, thiết bị bảo vệ và phương pháp cách ly. Bảo vệ phải phối hợp với khả năng của dây dẫn và dòng lỗi dự kiến của bus hỗ trợ pin. Pin có thể cung cấp dòng lỗi cao ngay cả khi nguồn AC không có, vì vậy kỹ thuật viên phải xử lý nhà máy DC như đã cấp nguồn cho đến khi quá trình cách ly và xác minh được phê duyệt chứng minh ngược lại.

Sụt áp thường là vấn đề giới hạn trên các tuyến dài của cột hoặc khuôn viên. Tính toán điện trở dây dẫn vòng quanh tại nhiệt độ áp dụng và nhân với dòng điện thiết kế. Kiểm tra cả hoạt động bình thường và điều kiện bus thấp gần cuối quá trình xả pin. Một tải hoạt động đúng tại bảng phân phối vẫn có thể reset nếu điện áp tại các đầu cuối của nó rơi ngoài phạm vi đầu vào. Ghi lại mức sụt cho phép của từng đường dây thay vì sử dụng một quy tắc không chính thức cho tất cả các mạch.

Bảo vệ DC có hành vi ngắt khác với bảo vệ AC vì dòng không đi qua điểm zero tự nhiên mỗi chu kỳ. Sử dụng các thiết bị được xếp hạng rõ ràng cho điện áp DC của hệ thống, cách bố trí cực và nhiệm vụ lỗi. Thay thế tại hiện trường chỉ dựa trên việc phù hợp với dòng ampe là không an toàn. Các Tài liệu về an toàn điện của OSHA cung cấp hướng dẫn chung nơi làm việc; nhân viên có trình độ phải áp dụng các quy chuẩn địa phương, quy trình được phê duyệt và hướng dẫn thiết bị.

Chất lượng nguồn điện tại đầu vào AC vẫn còn quan trọng

Nhà máy DC bảo vệ tải viễn thông khỏi gián đoạn trực tiếp, nhưng các bộ chỉnh lưu của nó vẫn là tải phi tuyến trên hệ thống AC phía trên. Các địa điểm lớn cần đánh giá tải pha, hài hòa dòng vào, hệ số công suất, khả năng tương thích của máy phát điện và biến dạng điện áp tại điểm kết nối. Các vấn đề có thể chỉ xuất hiện khi nhiều mô-đun chỉnh lưu hoạt động cùng nhau hoặc khi máy phát điện cung cấp cho địa điểm.

A thiết bị đo công suất đa chức năng có thể cung cấp các phép đo liên tục phía trên, trong khi các nghiên cứu tạm thời có thể ghi lại chi tiết dạng sóng và hài hòa. Sự phân biệt giữa công suất thực, công suất phản kháng và hệ số công suất được giải thích trong hướng dẫn của chúng tôi về công suất tác dụng và công suất phản kháng. Nếu hàm số hàm sóng của chỉnh lưu ảnh hưởng đến bus AC chia sẻ, hãy xem xét phương pháp đo lường trước khi chọn một bộ lọc hàm sóng hoạt động. Các biện pháp giảm thiểu nên dựa trên dữ liệu thực tế của công trình đã xác minh thay vì một phần trăm sao chép từ cơ sở khác.

Giám sát, cảnh báo và an ninh mạng

Giám sát hữu ích bắt đầu với một kế hoạch phản hồi cảnh báo. Ít nhất, các nhà vận hành thường cần cảnh báo về mất nguồn AC đầu vào, lỗi mô-đun chỉnh lưu, điện áp DC cao và thấp, trạng thái ngắt kết nối pin, cảnh báo cầu chì hoặc cầu dao phân phối, nhiệt độ pin, mất liên lạc điều khiển và cảnh báo môi trường liên quan đến hộp điều khiển. Mỗi cảnh báo nên có mức độ nghiêm trọng, độ trễ, điểm đến, hành vi dấu thời gian và hành động của nhà vận hành đã được ghi lại.

Dữ liệu xu hướng quan trọng không kém các cảnh báo tức thì. Tăng dần tải dòng điện, các giai đoạn nhiệt độ cao lặp lại, sự mất cân bằng chuỗi ngày càng mở rộng hoặc chuyển đổi máy phát thường xuyên có thể tiết lộ sự xuống cấp trước khi dịch vụ bị gián đoạn. Lưu trữ các phép đo ở khoảng thời gian phù hợp để hỗ trợ chẩn đoán, và xác nhận thời gian các bản ghi còn khả dụng sau khi khởi động lại bộ điều khiển hoặc mất mạng.

Truy cập từ xa phải được quản lý như một giao diện công nghệ vận hành, không được xem như một tính năng tiện lợi. Định nghĩa các tài khoản, xác thực, phân đoạn mạng, quyền sở hữu firmware, sao lưu và khôi phục, cũng như quy trình vô hiệu hóa các dịch vụ không sử dụng. The Khung An toàn Thông tin NIST cung cấp một cấu trúc chung để xác định, bảo vệ, phát hiện, phản ứng và khôi phục khỏi các rủi ro mạng; chủ sở hữu công trình nên dịch cấu trúc đó thành các kiểm soát hệ thống cụ thể.

Danh sách kiểm tra vận hành và bảo trì

Việc vận hành thử nghiệm nên chứng minh toàn bộ trình tự hoạt động. Xác minh bản vẽ và nhãn; kiểm tra định tuyến dây dẫn, cực và hồ sơ mô-men xoắn; xác nhận xếp hạng thiết bị bảo vệ; kiểm tra cấu hình bộ điều khiển; thử nghiệm cảnh báo từ xa; thể hiện chia sẻ tải của chỉnh lưu; mô phỏng mất và khôi phục nguồn AC theo phương pháp đã được phê duyệt; xác minh logic ngắt kết nối pin và tải; và ghi lại các giá trị điện áp, dòng điện và nhiệt độ cơ bản. Khi có hỗ trợ từ máy phát, hãy thử nghiệm trình tự chuyển đổi và tải thực tế thay vì giả định các thử nghiệm thiết bị độc lập chứng minh hiệu suất hệ thống.

Các khoảng thời gian bảo trì nên tuân theo yêu cầu của pin, chỉnh lưu và chủ sở hữu công trình. Một chuyến thăm hữu ích xem xét nhật ký sự kiện, tình trạng quạt và bộ lọc, thông gió, ăn mòn, mùi bất thường, kết nối lỏng lẻo hoặc quá nóng, hình dạng pin, cân bằng điện áp chuỗi, hoạt động cảm biến, truyền cảnh báo và tình trạng mô-đun dự phòng. Kiểm tra bằng nhiệt có thể hỗ trợ đánh giá tình trạng khi được thực hiện bởi nhân viên có trình độ theo quy trình làm việc có năng lượng đã được phê duyệt, nhưng không thay thế hồ sơ mô-men xoắn hoặc kiểm tra điện.

Giữ các tệp firmware, bản sao lưu cấu hình, bản đồ cảnh báo, sơ đồ một dòng, lịch trình phân phối và hồ sơ phụ tùng dự phòng dưới kiểm soát thay đổi. Sau bất kỳ mở rộng nào, lặp lại kiểm tra công suất và độ dự phòng. Một nhà máy có thể trông khỏe mạnh khi vận hành nhưng vẫn thất bại trong mục tiêu khả năng phục hồi vì tải bổ sung đã tiêu thụ mô-đun chỉnh lưu dự phòng hoặc giảm khả năng tự chủ của pin xuống dưới ngưỡng đã thỏa thuận.

Câu hỏi mua sắm cho nhà cung cấp

• Phạm vi đầu vào, tần số và giảm hiệu suất môi trường áp dụng cho đầu ra chỉnh lưu đã trích dẫn là gì?
• Làm thế nào để chứng minh N+1 hoặc các độ dự phòng khác ở tải dịch vụ tối đa và tải sạc của dự án?
• Các công nghệ pin và hồ sơ sạc nào được hỗ trợ, và ai sở hữu các cài đặt cuối cùng?
• Khả năng ngắt DC theo xếp hạng của các thiết bị phân phối ở mức lỗi đã chỉ định là gì?
• Các giao thức, điểm cảnh báo, dấu thời gian và dữ liệu lịch sử nào mà bộ điều khiển có thể xuất ra?
• Các bài kiểm tra, hồ sơ, đào tạo, dự phòng và giới hạn bảo hành nào được bao gồm?
• Làm thế nào để các bổ sung tải trọng trong tương lai được đáp ứng mà không cần thay đổi tủ hoặc kiến trúc bus?

Đối với các dự án yêu cầu đo lường tùy chỉnh, tích hợp bảng điều khiển hoặc phối hợp nhà cung cấp, CNBYG’s Dịch vụ OEM và ODM có thể hỗ trợ thảo luận về đặc điểm kỹ thuật. Cung cấp sơ đồ một dòng, lịch trình tải, chi tiết nguồn AC, phạm vi điện áp DC, mục tiêu tự chủ, môi trường, nhu cầu truyền thông và các tiêu chuẩn áp dụng để bắt đầu xem xét kỹ thuật với bằng chứng.

Video: một bài học làm mới về điện năng

Bài học của Khan Academy sau đây xem xét mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và công suất. Đây chỉ là tài liệu nền; nó không thay thế các tính toán thiết kế nhà máy viễn thông hoặc hướng dẫn của nhà sản xuất.

Xem bài học về điện năng trên YouTube.

Các câu hỏi thường gặp

Tại sao các trạm viễn thông thường sử dụng nguồn điện một chiều (DC)?

Pin có thể vẫn được kết nối với thanh cái DC, cho phép các tải quan trọng tiếp tục hoạt động khi đầu vào AC bị lỗi mà không phải chờ đợi một chuyển mạch riêng biệt. Điện áp danh định chính xác, bố trí nối đất và cửa sổ vận hành cho phép vẫn tuỳ thuộc vào từng dự án cụ thể.

Hệ thống nguồn DC viễn thông cần bao nhiêu module chỉnh lưu?

Xác định tải đồng thời tối đa, dòng sạc ắc quy cho phép, hệ số giảm tải theo môi trường và mục tiêu dự phòng. Trong cấu hình N+1, các module còn lại phải mang tải đã định sau khi module lớn nhất ngừng hoạt động.

Dung lượng pin tính bằng ampe-giờ có thể được chia cho dòng tải để đảm bảo thời gian chạy không?

Không. Phép chia đó chỉ là ước tính ban đầu. Mức tự chủ cuối cùng phải sử dụng dữ liệu xả của nhà sản xuất và tính đến tốc độ xả, điện áp ngắt, nhiệt độ, sự lão hóa, hệ thống cáp và trình tự cắt tải thực tế.

Nhà máy điện một chiều (DC) có loại bỏ được các vấn đề về chất lượng điện năng ở thượng nguồn không?

Không. Bộ chỉnh lưu cách ly tải trọng quan trọng khỏi một số nhiễu, nhưng chúng vẫn tương tác với nguồn AC. Tải pha, dòng điện hài, méo điện áp, khả năng tương thích của máy phát và việc nối đất cần được đánh giá tại hiện trường thực tế.

Các hồ sơ nào cần được lưu giữ sau khi vận hành thử nghiệm?

Lưu trữ bản vẽ đã được phê duyệt, lịch trình nguồn cấp, cài đặt bảo vệ, cấu hình bộ điều khiển, kết quả kiểm tra báo động, dữ liệu cơ sở pin, hồ sơ mô-men xoắn, phiên bản firmware, bằng chứng dung lượng và báo cáo vận hành thử cuối cùng.