毕业设计初稿

论文题目：高速公路摄像头直流远程供电方案的设计 专业：通信工程

学生：王瑶 签字： 指导老师：黄峰 签字：

摘 要

在全国各地都在建设“平安”系统的情况下，高速公路监控系统也在不断升级，为了解决视频监控的供电问题，提出了直流远程供电方案。直流远程供电是利用现有机房内-48V直流电源，经近端内部电源模块升压变成直流高压，由复合型馈电光缆（电源线）输送到远端，经远端高性能电源模块进行降压、稳压成设备所需的工作电压。直流远供电源系统的应用，将进一步保障通信设备的正常运行，保障各类通信设备安全、可靠、稳定的供电，直流远程供电是很有发展前途的供电方式。本文以直流远程供电的解决方案为核心，介绍了通信电源的组成及系统对电源的要求，高速公路摄像头的各种供电方式，并详细探讨了直流远程供电系统的组成及原理，直流供电电压种类及通信设备的供电要求等核心技术。

【关键词】 直流远程供电 通信电源 摄像头 【论文类型】论文型

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Title: The Design of the Highway Camera DC Remote Power Solutions Major: Communication Engineering

Name: Wang Yao Signature: Supervisor: Huang Feng Signature:

ABSTRACT

Under the condition of building a \system all over the country, the highway monitoring system are also rising, in order to solve the problem of video monitoring of the power supply, DC remote power supply scheme is proposed. DC remote power supply uses the -48v DC power supply in existing engine rooms, the proximal internal booster into DC high voltage power supply module, by the compound feed cable power transfer to the far end, remote high performance power supply module step-down voltages as the voltage of the equipment needed for work. The application of DC remote power supply system is to further guarantee the stable functioning of communication equipment and to ensure the safe, reliable and stable power supply for all kinds of communications equipment, which makes it the most promising way of supplying power. This paper is based on the DC remote power supply solution as the core, introduces the composition of communication power supply, different kinds of power supply of highway camera, the composition and the principle of DC supply, DC power supply voltage and the requirement of communication equipment power supply. The above core technology are discussed in detail.

【Key words】DC remote power supply Communication Power Camera 【Type of Thesis】Thesis

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前言

目前，高速公路的监控向着全路程监控方向发展，以确保高速公路高速、安全、舒适、经济地运营。高速公路监控系统，主要通过沿线的外场设施，及时准确的收集并预告前方道路的各种信息。例如事故情况、道路的状况，交通流量等等。道路监控人员则通过监控中心的显示设备直观地来了解路面上的具体情况。在发生特殊情况时，做到快速确定事故的具体位置，进而及时采取相应措施，来开展救援和指导。

全路监控的特点是监控点多，传输距离远，存在就地取电的困难。在全程监控中，由于传输线路远，视频监控、天气环境检测仪和车流量探测仪等仪器的供电成为一大难题，目前普遍采用的是通过高速公路变电所的交流电源铺设的电力线缆向远距离设备供电的形式。另外，也有采用太阳能电池供电的形式，但受天气影响较大，不能确保在长时间阴雨天气下的正常供电。

高速公路与一般的公路相比，具有设计标准高、交通流量较大、行车速度较快等特点，只有采用先进的监控管理措施，才能在天气恶劣或者车流量较大的情况下，有效的降低交通拥堵和交通事故。目前我国不少新建或改造高速公路正在采用全程监控系统，全程监控正在成为高速公路监控发展的趋势，相应的监控设备特别是监控摄像机沿道路全线布设，用来监视各类交通事故事件，以便及时做出处理，在道路的安全运营上发挥着极其重要的作用。

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目 录

第一章 概述 ................................................... 1 第二章 通信电源 ............................................... 2

2.1 定义及组成 ......................................................... 2

2.1.1 通信电源的定义 ................................................. 2 2.1.2 通信电源系统的组成 ............................................. 3 2.2 通信系统对电源的要求 ............................................... 3

第三章 高速公路摄像头的供电方法 ............................... 5

3.1 市电直接供电 ....................................................... 5 3.2 市电、UPS直接供电 ................................................. 5 3.3 太阳能光伏供电 ..................................................... 6 3.4 直流远程供电 ....................................................... 6

第四章 直流远程供电 ........................................... 8

4.1 直流远供的定义 ..................................................... 8 4.2 直流远供的工作原理 ................................................. 8 4.3 供电方式的组成 ..................................................... 8 4.3.1 集中供电方式的组成 ............................................. 8 4.3.2 分散供电方式的组成 ............................................. 9 4.3.3 混合供电方式的组成 ............................................ 10 4.4 直流远供的系统组成 ................................................ 11 4.4.1 局端电源设备 .................................................. 11 4.4.2 电源适配器 .................................................... 12 4.5 集中式直流远程供电方案 ............................................ 12 4.5.1 常用供电方案 .................................................. 12 4.5.2 组合式供电方案 ................................................ 13 4.6 集中式直流远程供电系统的建设原则 .................................. 13 4.7 直流远程供电系统的运行方式 ........................................ 14 4.8 直流供电设备的使用和维护 .......................................... 15 4.8.1 直流配电屏 .................................................... 15 4.8.2 高频开关整流器 ................................................ 16 4.8.3 直流配电屏 .................................................... 18 4.8.4 直流-直流变换器 ............................................... 18 4.9 集中式直流远程供电系统的优势及发展方向 ............................ 20 4.9.1 技术特点与比较 ................................................ 20 4.9.2 经济指标 ...................................................... 20 4.9.3 发展趋势 ...................................................... 21

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4.10 直流远程供电系统的应用和设计方案 ................................. 23 4.10.1 -48VDC升压至直流280VDC（或380VDC）远供方式的应用 ........... 23 4.10.2 西宝高速全程摄像头直流远供方案的设计 ......................... 26

第五章 直流远供电源中DC/AC和AC/DC的设计方法 ................ 30

5.1 DC/AC的设计 ...................................................... 30 5.1.1 DC/AC的主要分类 .............................................. 30 5.1.2 DC/AC的工作原理 .............................................. 31 5.1.3常见类型 ...................................................... 31 5.1.4车载逆变器 .................................................... 32 5.2 AC/DC的设计 ...................................................... 33 5.2.1 AC/DC的系统组成 .............................................. 33 5.2.2 AC/DC的原理 .................................................. 33 5.2.3 应用 .......................................................... 34

第六章 设备及线缆的选取 ...................................... 36

6.1 局端站通信电源系统的要求 .......................................... 36 6.2 远端线路要求 ...................................................... 36 6.2.1 远供电缆要求 .................................................. 36 6.2.2 线路的防雷与接地 .............................................. 36 6.3 电源适配器的技术要求 .............................................. 37 6.3.1 一般要求 ...................................................... 37 6.3.2 环境要求 ...................................................... 37 6.3.3 电气特性要求 .................................................. 38 6.3.4 绝缘保护要求 .................................................. 39

第七章 总结 .................................................. 40 致谢 .......................................................... 41 参考文献 ...................................................... 42

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第一章 概述

通信电源系统是通信系统的一个组成部分，常被称为通信系统的“心脏”，这说明通信电源系统在通信系统中占有极为重要的地位。

只有在各个通信设备正常供电的情况下，整个通信系统才能正常运行。如果通信电源系统发生故障，致使供电质量下降或供电中断，通信系统就不能正常运行，必然引发通信系统的故障。通信系统的故障将会造成巨大的经济损失和不可估量的政治影响。因此，对于电信运营商而言，在一定意义上，通信电源是头等重要的。可以说是，“没有通信电源，就没有通信业务，就没有经济效益”。所以，为了保障通信畅通，必须对通信电源给予足够的重视，并采取各种必要的措施，以达到通信电源的高可用性的要求。

随着移动通信技术的发展，分布系统已成为了网络覆盖建设的主要方式，光纤拉远技术得以大量应用，网元设备不断向用户侧延伸，用户接入业务的质量保障要求也日益显现。由此对现有的通信电源保障体系提出了新的要求，传统的电源保障模式需要有所突破。

为提高移动网络建设中分布式组网场景(如：城市密集中心无线覆盖、道路沿线拉远覆盖、农村覆盖、室内分布、WLAN及综合接入等)中的电源保障能力，提高电源维护效率，降低运行成本，本标准在原有通信局站划分归类的通信电源电压等级基础上，补充构建280V集中直流远程供电系统模型。

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第二章 通信电源

2.1 定义及组成 2.1.1 通信电源的定义

通信电源是专指对通信设备直接供电的电源。通信电源作为通信系统的核心部分之一，在通信工程中具有无可比拟的重要地位。它包含的内容非常广泛，不仅包含常用的开关电源、UPS电源、通信用蓄电池和油机发电机组，还包括太阳能电池等绿色通信电源。通信电源的核心基本一致，都是以功率电子为基础，通过稳定的控制环设计，再加上必要的外部监控，最终实现能量的转换和过程的监控。现代通信设备需要稳定、可靠的电源设备来提供电源，电源的安全、可靠是保证通信系统正常运行的重要条件。

在一个实际的通信局（站）中，除了对通信设备供电的不允许间断的电源外，一般还包括有对允许短时间中断的保证建筑负荷（比如电梯、营业用电等）、机房空调等供电的电源和对允许中断的一般建筑负荷（比如办公用空调、后勤生活用电等）供电的电源。所以说，通信电源和通信局（站）电源是两个不同的概念，通信电源是通信局（站）电源的主体和关键组成部分。图1-1所示是一个较完整的通信局（站）电源组成方框图，它包含了通信电源和通信用空调电源及建筑负荷电源等。

（a）不间断 （b）可短时间中断 （c）允许中断

图1-1 通信局（站）电源系统

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2.1.2 通信电源系统的组成

无论是交流不间断电源系统还是直流不间断电源系统，都是从交流市电或油机发电机组取得能源，再转换成不间断的交流或直流电源去供给通信设备。通信设备内部再根据电路需要，通过DC/DC变换或AC/DC整流将单一的电压转换成多种交、直流电压。因此，从功能及转换层次来看，可将整个电源系统划分为三部分：交流市电和油机发电机组称为第一级电源，这一级是保证提供能源，但可能中断；交流不间断电源和直流不间断称为第二级电源，主要保证电源供电的不间断；通信设备内部的DC/DC变换器、DC/AC逆变器及AC/DC整流器则划为第三级电源，第三级电源主要是提供通信设备内部各种不同的交、直流电压要求，常由插板电源或板上电源提供。板上电源又称为模块电源，由于功率相对较小，其体积较小，可直接安装在印制板上，由通信设备制造厂商与通信设备一起提供。上述三级电源的划分如图1-2所示。

备用发电机组 变电站 市电油机转换 整流器 直流屏 通信设备 （DC/DC） （DC/AC） 直流不 间断电源 蓄电池 通信设备 （AC/DC） 交流不间断电源 第一级电源 第二级电源 第三级电源 （Primary Power Supply） （Secondary Power Supply） (Tertiary Power Supply) 图1-2 通信电源的分级

2.2 通信系统对电源的要求

为了保证通信生产可靠、准确、安全、迅速，我们可以将通信设备对通信电源的基本要求归纳为：可靠、稳定、小型智能和高效率。 1）可靠

可靠是指通信电源不发生故障停电或瞬间中断。可靠性是通信设备对通信电源最基本的要求。要确保通信畅通可靠，除了必须提高通信设备的可靠性外，还必须提高供电电源的可靠性。

为了保证供电的可靠性，要通过设计和维护两方面来实现。设计方面：其一，尽量采用可靠的市电来源，包括采用两路高压供电；其二，交流和直流供电都应有相应的优

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良的备用设备，如自启动油机发电机组（甚至能自动切换市电、油机电），蓄电池组等，对由交流供电的通信设备应采用交流不间断电源（UPS）。维护方面：操作使用准确无误，经常检修电源设备及设施，做到防患于未然，确保可靠供电。 2）小型智能

随着集成电路、计算机技术的的飞速发展和应用，通信设备越来越小型化、集成化，为了适应通信设备的发展以及电源集中监控技术的推广，电源设备也正在向小型化、集成化和智能化方向发展。 3）稳定

各种通信设备都要求电源电压稳定，不能超过允许的变化范围。电源电压过高会损坏通信设备中的电子元器件，电源电压过低通信设备不能正常工作。

对于直流供电电源来说，稳定还包括电源中的脉动杂音要低于允许值，也不允许有点压瞬变，否则会严重影响通信设备的正常工作。

对于交流供电设备来说，稳定还包括电源频率的稳定和良好的正弦波形，防止波形畸变和频率的变化影响通信设备的正常工作。 4）高效率

随着通信设备容量的日益增加，以及大量通信用空调的使用，通信局（站）用电负荷不断增大。为了节约能源、降低生产成本，必须设法提高电源设备的效率。另外，采用分散供电方式也可节约大量的线路能量损耗。 5)实现集中监控

现代电信运行维护体制要求动力机房的维护工作通过远程监测与控制来完成。这就要求电源自身具有监控功能，并配有标准通信接口，以便与后台计算机或远程维护中心通过传输网络进行通信，交换数据，实现集中监控。从而提高维护的及时性，减小维护工作量和人力投入，提高维护工作的效率。

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第三章 高速公路摄像头的供电方法

3.1 市电直接供电

现在最常见的方式是直接从市电网取电，这种供电方式也是最简便的一种，其直接投资成本低。但缺点也较多：

（1）交流供电电压不稳（供电电压受高峰负载影响较大）； （2）经常遭受雷电袭击；

（3）交流供电经常受停电困扰（事故停电的影响、电业部门检修或故障时，会造成大面积停电）；

（4）每个设备点都需要配电表，进行单点结算，较为麻烦； （5）电源接入困难，须电力部门调配或物业管理部门协商； （6）需要远距离拉线时，必须单独进行管理施工，无法走弱电管路。

3.2 市电、UPS直接供电

由于市电直接供电的问题，最直接的考虑是采用一种市电+UPS的供电方式，即在各终端设备旁配备小型UPS不间断电源。

本地加装UPS解决方案的优点是:技术成熟、价格相对合理、已有大规模应用。但由于引入电池设备并安装于室外等环境，因此也存在许多不足：

（1）小容量UPS后备时间有限（UPS设备核心元件-电池容量有限）；

（2）安装不便，维护量大（安装于楼顶、高杆等，空间狭小，维护困难，需定期巡检，定期对电池充放电）；

（3）使用寿命短（UPS电池的使用寿命受电池充放电次数限制及温度影响较大，电池使用寿命对环境气候的依赖性较大，如VRLA电池最佳使用温度为25度左右，气温每升高10度，电池寿命就减半）；

（4）UPS主机因环境因素容易损坏（室外安装，环境非常差，灰尘多，高低温）； （5）投资成本费用高（初期成本+每1-2年更换一次蓄电池的费用）；

（6）维护费用高，更换新电池、处理旧电池所需费用可观，安装维护电池需要花费大量劳动力，电池发生泄漏时还可能损坏设备器件；

（7）UPS安装点多而分散，电池容易被盗；

（8）同样地，需要远距离拉线时，必须单独进行管路施工，无法走弱电管路。

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3.3 太阳能光伏供电

太阳能供电系统由太阳电池方阵、充放电控制器、逆变器、蓄电池组等构成。采用太阳能发电无需架设电力线缆，操作简单。并且太阳能供电是一种既不消耗资源又无污染排放的清洁能源。但受外界环境影响较大，也存在许多不足之处：

（1）受自然环境影响大，当出现长时间阴雨天（如黄梅天）时，无法保障系统供电； （2）投资、运行成本费用（初期成本+每1-2年更换一次蓄电池的费用）； （3）蓄电池每天都处于充放电循环工作状态又受户外环境温度的影响，蓄电池寿命时间在1年左右，维护工作量大，维护成本高；

（4）安装点多而分散，电池、设备容易被盗。

3.4 直流远程供电

根据上述供电方式存在的问题，提出了一种更好的方案—直流远程供电方案。 直流远程供电有如下优势：

（1）直流电干净、稳定、可靠，是高效、安全、无干扰的产品； （2）不受雷电困扰，安装、维护、使用方便，维护量小；

（3）解决了市电停电的困难和电源接入困难的问题，使得远端设备的安装更便利、选址更方便；

（4）相对节省投资和运营费用；

（5）设备体积小、重量轻，安装方便，具有防盗功能；

（6）不需像UPS一样必须定期巡检、定期对电池充放电，避免因低温或高温造成电池损坏；

降低成本，包括以下几个方面： （1）降低管理成本

采用远程供电的整个流程，在运营商安装部门内部就能完成，无需“供电局、外单位或市民”的协助，大大降低了管理成本。

（2）降低运营成本

当供电设备点多而广时，市电+UPS和太阳能光伏供电等供电方式涉及大量的运行维护成本；远供电源是一种免维护产品，大大地降低维护成本，解决了市电的波动、雷电干扰、停电时间长所带的各种问题，节省了大量的维护工作量，同时也避免了需要外单位人员协助才能维护的局面。

（3）降低新装网点的工程成本

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采用远程供电系统，供电部分可以同通信终端设备一起安装，不需另行铺设专用线路，或向外单位接用市电，更不需要找地方安装体积庞大且笨重的UPS电源，大大地节约工程成本，加快了工程进度。

（4）超长使用寿命

户外的UPS的电池寿命一般在1-2年，而远程供电系统设备寿命在10-20年。 （5）减少意外停电造成的损失

UPS和太阳能光伏供电系统供电时间有限，不能应对长时间的停电，难免会因停电造成服务中断。

综上所述，远程供电的优点是：可靠性高、维护费用低、便于安装，在远端设备处不需要电池或发电机。

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第四章 直流远程供电

4.1 直流远供的定义

所谓直流远程供电即利用现有机房内-48V直流电源，经近端内部电源模块升压变成直流高压，由复合型馈电光缆（电源线）输送到远端，经远端高性能电源模块进行降压、稳压成设备所需的工作电压。

直流远供电源，适用于远距离传输，设备可靠性高、适用温度范围广、结构简单、设备安装简便等特点的电流型直流远程不间断供电系统。

4.2 直流远供的工作原理

由机房内的直流-48V电源，经近端电源滤波、整流、振荡、升压、隔离处理后，成为悬浮直流高压，通过电缆线或复合缆传输给远端直流模块经检波电路、扩流、滤波后，输出稳定悬浮的直流电压，再通过多重保护的直流电压为通信设备供电。

4.3 供电方式的组成 4.3.1 集中供电方式的组成

集中供电方式的电源系统，即采用将供电设备集中和供电负荷集中的供电方式。该系统由交流供电系统、直流供电系统和防雷接地系统组成，其系统的组成方框示意如图4-1所示。

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注：（a）不间断；（b）可短时间中断（c）允许中断 图4-1 集中供电方式的组成 1）集中供电方式的优点

（1）供电设备与通信设备分开，其干扰不会影响主通信设备，供电容量大，相互干扰小，无需考虑电磁兼容问题；

（2）设备集中，便于维护。 2）集中供电方式的缺点

（1）可靠性差，若出现局部瓶颈故障，则会影响全局；

（2）长距离供电传输成本高，线路压降大，造成巨大的能源损耗，供电动态指标差； （3）投资费用大，需在楼层底层专门建立电池室和电力室，而且对防酸、通风、地面强度都有要求；

（4）扩容困难，其按终期负荷设计，至少预计了未来几年的负载要求，初期投资庞大，而且一旦扩容需要更换设备或改建机房，将造成很大浪费。

4.3.2 分散供电方式的组成

分散供电方式的交流供电系统仍然采用集中供电方式，直流供电系统可分楼层设置，也可按照各种通信系统设置。在各个分设的直流供电系统中，每部分可以采用较小容量的直流供电系统。其系统的组成方框示意如图4-2所示。

注：（a）不间断；（b）可短时间中断（c）允许中断

图4-2分散供电方式的组成

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1）分散供电的优点

（1）投资费用低，占地面的小，材料消耗少，基建费用低；

（2）供电可靠性高，多个电源系统同时出现故障的概率小，即全局通信瘫痪的概率很小，特别是当多个小系统并联互为冗余时，其可靠性显著提高；

（3）运行维护费用低，蓄电池采用免维护蓄电池，大大降低了维护成本和强度； （4）节能、降低损耗，能量传输线路短，线路损耗小；另外，因为采用高频开关整流器，功率因数高，效率也高。

2）分散供电的缺点

（1）分散供电增大维护工作量，甚至易造成忽略维护的可能；

（2）全分散供电对设备水平、电磁兼容和维护技术均有较高要求，会造成设备费用增大；

（3）半分散供电为降低楼板对蓄电池的荷重要求，容量和放电时间在选择上偏小，因此不能充分发挥蓄电池的后备支持作用。

4.3.3 混合供电方式的组成

在光缆无人值守中继站、微波无人值守中继站、海岛无市电无线基站，通常采用交流市电与太阳能、风能电源组成的混合供电方式。一般情况下，采用混合供电方式的电源系统由太阳能电源、风力发电机组、低压市电、蓄电池组、整流配电设备及移动式发电机组组成。其系统的组成方框示意如图4-3所示。

注：（a）不间断；（b）可短时间中断

图4-3 混合供电方式的组成

随着通信技术的飞速发展，维护体制的不断变革，各种通信设备的日益集成化、小型化，通信电源正逐步向集中监控、少人值守或无人值守的方向发展。为了减轻维护压

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力，控制维护成本，降低维护风险，通信电源的供电方式也逐步由集中供电方式向分布式供电方式、分散式供电方式发展。

4.4 直流远供的系统组成

集中直流远程供电方案主要由为通信设备供电的直流电源系统及供电传输线路组成。

通信设备供电的直流电源系统在构成上，由直流48V基础电源系统、局端电源设备(由监控模块、电源转换模块、输入、输出配电单元及防雷保护单元等组成的插框式电源设备)、远端电源适配器等部分组成。按通信设备供电电压允许变动的范围的不同的要求，可分为窄电压和宽电压直流供电系统；按电源设备的安装地点不同，可分为集中直流供电系统和分散直流供电系统；按馈电线配电方式的不同，可分为低阻配线直流供电系统和高阻配线直流供电系统。

4.4.1 局端电源设备

安装于局端站内的直流远程供电设备：由监控模块、电源转换模块(DC/DC 或AC/DC)、输入、输出配电单元及防雷保护单元等组成。一般是指放在局端站的远供系统近端设备。如图4-4所示。

图4-4 局端电源设备

设备参数：符合标准19寸机柜，3U高度插框式结构，可并机 工作温度范围：-400C～700C 输入电压范围：DC40～60V 输出电压范围：DC240～400V 转换效率：≥92%

模块额定功率：600W、1000W

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4.4.2 电源适配器

安装于通信设备前端的电源转换设备。一般指远供系统中用于降压或逆变的电源设备，一般功率较小。考虑到部分远端设备不适应280V直流供电的情况下应用，是可选设备。如图4-5所示。

设备参数：

图4-5 电源适配器 输入输出：DC200V-DC380V输入，DC-48V或AC220V 转换效率：≥96%

设备功率：标准配置600W，支持设备并机扩容 特点：

设备采用自然冷散热，防水等级达到IP65； 能安装在各种复杂环境。

4.5 集中式直流远程供电方案 4.5.1 常用供电方案

将局端站内已有的直流48V基础通信电源经局端电源设备升压后成为直流280V再传送至远端，为网络末梢网元供电。如图4-6所示。

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图4-6 常用供电方案

4.5.2 组合式供电方案

局端站内组合型直流远程供电局电源设备（基础电源仍选用直流48V为基础，所有电源设备集成在一个机架内）的电力传送至通信设备。如图4-7所示。

图4-7 组合式供电方案

4.6 集中式直流远程供电系统的建设原则

（1）直流远程局端电源设备供电模块采用N+1冗余，并且远供系统应配置监控模块。 （2）当分布式网络末梢设备与局端站距离超过100米且末梢网元数量超过3个时，应采用直流远供。

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（3）在每条远程供电通信线路中级联的通信网元数量不能超过5个，单个远供局端电源所供电的通信网元不能超10个。

（4）远供线路的电缆线径不宜超过等效25mm2铜芯线缆的规格，单条供电线路长度不能超过5km。

（5）当传输线路距离大于5km，通信设备总负荷大于2KW,为了降低线路成本和损耗可将远程供电电压提升至380V，并在末端网元侧配电源适配器。

4.7 直流远程供电系统的运行方式

交换局的直流供电系统运行方式采用-48V全浮充供电方式。即在市电正常时，交流市电先经过高频开关电源的整流，然后向蓄电池组浮充并向通信设备供电；当市电（故障）停电而油机未启动供电前，由蓄电池组放电向通信设备提供直流不间断供电，其允许放电时间一般为1-2H；当油机或市电恢复供电时，直流供电系统先为蓄电池低压限流充电而后转入浮充方式供电，如图4-8所示。

图4-8 通信局直流供电系统组成方框图

移动基站（或光缆、微波中继站）直流供电系统运行方式一般也采用-48V全浮充供电方式。即在市电正常时，经过组合开关电源架上的整流模块与两组蓄电池并联浮充并向通信设备供电；当市电（故障）停电或移动油机未供电前，先由蓄电池组并联放电向通信设备供电；当蓄电池放电至第一级切断电压设置点时（3H左右），自动断开负荷较大的基站设备，以保证传输设备较长时间（20H左右）正常运行；若市电停电时间较大而移动油机未上站时，当蓄电池放电至终止电压时则自动断开电池输出，以避免蓄电池继续放电而造成电池的损坏。因此，移动油机应在蓄电池放电至终止电压前上站发电，以免造成通信的中断。

在没有市电的移动基站（或光缆、微波中继站），将考虑采用太阳能电池及风力发电机等新能源供电，其直流供电系统的运行方式为充放电或半浮充工作方式，如图4-9所

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示。

市电

交流电屏 整流器 直流配电 蓄电池组 太阳能电池 通信设备 移动油机电 配 图4-9 通信站直流供电系统方框图

4.8 直流供电设备的使用和维护

直流供电设备主要有高频开关整流器和与之配套的交、直流配电屏，蓄电池组以及直流-直流变换器等等。移动基站或光缆、微波中继等通信站由于直流负荷通常较小，故多采用集交流配电、开关整流器和直流配电于一体的组合开关电源。

为了使用和维护好各种直流供电设备，尤其是开关整流器和蓄电池组，发挥其在直流供电系统的关键作用，重点了解和掌握它们的工作原理、技术性能、结构特点和使用与维护要求等十分重要。

4.8.1 直流配电屏

用于电力室高频开关整流器及其他通信用电设备的交流配电屏主要作为交流电源的接入与负荷的分配。其交流配电屏的主要技术要求如下：

（1）具有两路交流电源引入（一般从低压配电室和油机室的配电设备各引一路交流电源），能进行主、备用电源转换，对两路交流电源由自动转换要求的电路必须具有可靠的机械及电气连锁。

（2）具有过压、欠压、缺相等告警功能以及过流、防雷等保护功能。

（3）对有照明分路的配电屏，应有保证交流照明分路和直流事故照明分路，并具有自动转换装置。

（4）输出负荷分路可根据不同用电设备的需求而定。

（5）交流屏应能够提供反映供电质量和交流屏自身工作状态的监测量，如三项电压电流值、市电供电状态、主要分路输出状态等，并上送监控模块。

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4.8.2 高频开关整流器

1．高频开关整流器概述

高频开关整流器主要有若干个整流模块和监控模块组成一单独机架。按其工作原理分有脉宽调制型（PWM）和谐振型两种，按其冷却方式又可分为自然冷却型和强迫风冷却型。一般50A以下的整流模块多为自冷型，50A以上（100-200A）的整流模块多为风冷型。

2．高频开关整流器的工作原理

高频开关整流器是将从交流配电屏引入的交流电整流为通信设备所需的直流工作电源，其输出端与直流配电屏相连接，并通过直流屏的相应端子与蓄电池组合通信设备相连，对蓄电池组浮充电并向通信设备供电。

目前使用较多的为脉宽调制型（PWM）高频开关整流器，其工作原理方框图如图4-10所示。

交流输入 直流输出

直流滤波 高频变换 交流整流 功率因数校正 交流滤波 辅助电源 控制电路 监控信号 图4-10 开关整流器工作原理方框图 高频开关整流器主要由主电路、控制电路和辅助电源三部分组成。主电路完成从交流输入到直流输出的全过程。控制电路从输出端采样，与设定值进行比较，取出误差信号去控制主电路的相关部分，改变脉宽或频率，调节输出电压使其达到稳定，同时根据反馈信号对整机的运行状态进行监测和显示。辅助电源则为控制电路提供所需要的各种电源。

1）主电路是开关整流器的主要部分，包括交流滤波、整流、功率因数校正，DC-DC变换、直流滤波等。

（1）交流滤波处于整流模块的输入端口，包括低通滤波、浪涌抑制等电路，用于消除高次谐波电流，浪涌电压以及外界射频等干扰。

（2）功率因数校正电路主要为了消除整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗，提升功率因数。

（3）整流器采用桥式硅整流电路，它把单相或三相交流电变为直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源。

（4）直流滤波及输出是整流模块的输出端口，包括高频整流滤波及抗电磁干扰等电

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路，最后输出低杂音、低电磁干扰的稳定可靠的直流电压。

（5）DC-DC变换电路由逆变和高频整流两部分组成。逆变部分将直流高压变换为高频低压，即在脉宽调制信号的驱动下，将高压直流变为调宽的交流脉冲。高频整流部分将高频电压变换为所需要的直流低压（-48V）。此高频变换由高频开关模块和高频变压器以及其他电路完成。

2）控制电路包括检测放大电路、电压/脉宽（或电压/频率）转换电路、时钟振荡器、驱动电路、保护电路等。该电路为功率开关提供激励信号，将主电路输出电压的微小变化转换成脉宽或频率变化，实现自动调整输出电压的目的，当负载发生短路或过流时进行自动保护，确保整流器、负载以及电网的安全运行，实现限流、均流等功能。

3）辅助电源为控制电路提高所需的能源。 3．监控模块的主要功能

监控模块是高频开关电源系统中的智能装置，对开关电源系统的运行进行统一的管理，该模块通过内部通信接口，根据预定的工作程序，对开关整流模块、交直流配电屏及电池的运行状态进行实时监视、控制和管理。一套开关电源系统有一个监控模块，可同时监控多个高频开关整流模块和配电装置。另外，通过RS232/485外部接口纳入上一级监控管理系统，发送并接收相应的信息，执行监控系统的命令。同时，还具有完成对各种参数及运行信息的存贮，由维护人员在现场进行运行参数的调整，将系统的运行状态与参数进行实时的显示等功能。

4．高频开关电源的使用和维护

（1）高频开关整流器的总容量应同时满足通信负荷和蓄电池组充电用负荷之和。整流模块的数量应采用冗余（N+1）的配置方式。

（2）检查各个整流模块的电流均分性能，使其输出负荷均分，各个整流模块均在最佳工作状态。

（3）定期清洗尤其是强迫风冷型整流模块的过滤网及其内部灰尘，以免灰尘积累过多，造成电气绝缘程度下降，影响功率的输出。

（4）应保持开关电源设备的运行环境清洁，机壳有良好的接地，室内温度不宜超过30度。

（5）定期检查熔断器的电压降和温升。检查交流接触器的运行噪声及线圈温升情况。 （6）要保持主回路各连接处的清洁、无电蚀，检查各种开关、熔断器、插接件、接线端子等部位的接触良好、无松动。

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4.8.3 直流配电屏

直流配电屏位于整流器与通信负载之间，主要用于直流电源的接入与负荷的分配，即整流器、蓄电池组的接入和直流负荷分路的分配。其主要技术要求如下：

（1）可接入两组蓄电池。

（2）同一种电压同型号的直流配电屏应能并联使用。 （3）负荷分路及容量可根据系统实际需要确定。

（4）具有过压、欠压、过流保护和低压告警以及输出端浪涌吸收装置。 （5）在低阻配电系统中，直流屏带额定负荷时，屏内放电回路电压降≤500mV。 （6）对于蓄电池充放电回路以及主要输出分路应能够进行监测。 （7）移动基站所用的直流屏应具有低电压二级切断保护功能。

4.8.4 直流-直流变换器

1. 直流-直流变换器概述

直流-直流变换器（DC-DC）是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置。目前通信设备的直流基础电源电压规定为-48V，由于在通信系统中仍存在-24V（通信设备）及+12V、+5V（集成电路）的工作电源，因此，有必要将-48V基础电源通过直流-直流变换器变换到相应电压种类的直流电源，以供实际使用。

2. 直流-直流变换器的工作原理

直流-直流变换器是将直流电先逆变（升压或降压）成交流电，然后再整流变换成另一种直流电压的直流变换装置。常用的直流-直流变换设备一般是由直流-直流变换模块、监控模块以及与之配套的用户接口板和直流配电单元等组成的一个完整的电源系统。

系统中多个直流-直流变换模块并联均分负荷运行，将-48V直流电压变换成-24V（或+12V、+5V）直流电压，再经输出分路保险向负载输出；监控模块负责对变换器模块及整个系统的工作状态及性能进行监控，并通过RS232通信口纳入上一级监控系统。系统构成方框图如图4-11所示。

RS232 远程集中监控 监控模块 直流电压-48V 直流输入 变换器模块 直流输出分路保险 直流-24V输出 图4-11 变换器系统构成方框图

变换器模块负责将-48V直流电压转换为-24V直流电压，由功率电路和控制电路两大

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部分组成。功率电路实现从直流输入到直流输出的变换；控制电路提供功率变换所需的一切控制信号，包括反馈回路、直流信号处理、模拟量和开关量的处理电路等，其工作框图如图4-12所示。

功率电路 直流输入 直流输出 至监控模块 主控制电路 数字控制电路 图4-12 直流-直流变换器模块方框框图

功率电路上主要包括直流输入滤波电路、直流-直流变换电路、直流输出滤波电路及辅助电源的部分。

直流输入滤波电路包含有防浪涌器件、差模、共模滤波器等。遇有雷击或其他高压浪涌时，压敏电阻和瞬态电压抑制器可保护变换器免受冲击。差模滤波器和共模滤波器可有效抑制模块内部产生的高频噪声，同时也使来自直流输入电源的干扰不会影响模块的正常工作。

直流-直流变换电路主要包括变换电路和整流输出电路，是整个变换模块的重要组成部分。

辅助电源电路为控制电路提供直流工作电压，同时还提供直流输入电压取样。 控制电路主要包括直流-直流变换控制电路、保护电路、输出电压误差放大电路以及数字显示、告警、通信电路等。

3. 直流-直流变换器的主要技术指标 （1）输入电压允许变动范围：40-57V。 （2）输出电压稳定精度：≤±1%。

（3）输出杂音电压：衡重杂音≤2mV；带宽杂音≤20mV（3.4kHz-30MHz）；峰值杂音≤200mV。

（4）同型号设备应能多台并联工作，并具有均分性能，其不平衡度应≤±5%输出额定电流值。

（5）应有限流性能，限流整定值可在105%-110%输出电流额定值之间调整。 （6）效率：<200W时，≥75%；≥200W时，≥70%。

（7）反灌杂音：变换设备在额定工作时，直流电流中宽频杂音分量（方均根值）应小于直流电流的1%。

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4.9 集中式直流远程供电系统的优势及发展方向 4.9.1 技术特点与比较

（1）安全性提高

在发送端，输入输出在电气上完全隔离，输出的直流电平对地悬浮，这样在传输线缆和远端接收设备处，即使有一极对地短路或者人体碰触，均不会造成危害。

（2）防雷击损坏能力提高

由于远供电源系统的输入输出均电气上隔离，即使有远端接收设备受到雷击，也只损坏遭到雷击的接收设备，而不会影响到其它远供接受设备和发送设备。而交流远供则由于电气上不隔离，有可能引起全线段上所挂设备的损坏。

（3）防盗性能提高

由于线缆不需要像传输交流电那样和通信线缆分开布置而放置在路两边，直流远供可以利用原有设置在中央分割带的通信管道，由于高速道路上来往车辆较多，危险性较大，因此处于路中央分割带比路两侧的设备被盗的可能性要小得多。

（4）系统可靠性提高

由于发送端采用直流不间断供电形式，而且AC/DC采用冗余并联形式，因此当市电停电时或单个AC/DC模块出现故障时，不会影响整个系统的正常供电；而采用交流远供时，即使采用UPS供电，由于UPS的转换环节比AC/DC多，整个系统可靠性比直流远供系统可靠性低。

（5）施工方便

因是直流传输，传输线缆可以放置在中央分割带的原有通信管道内，可以免除在路边另行开挖沟道，一方面可以降低施工成本，提高施工进度，另一方面，施工安全性提高。

4.9.2 经济指标

（1）节省电缆费用

由于直流电源电压比较稳定，而且输出为单相电源，当采用400V直流馈电电压时，

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达到同等传输效率所需要的电缆截面面积仅为用交流220V传输电缆的（220/400）*30%,

而且因为布置在通信管道内，可以选用无钢带的普通电缆，电缆价格至少可以节省一半，以10公里距离计算，若原先需采用10mm2的两芯电缆，价格约为15万元，采用直流远供，

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系统时这一点的重要性更明显。

2）按照源流性质

有源逆变器：是使电流电路中的电流，在交流侧与电网连接而不直接接入负载的逆变器；

无源逆变器：使电流电路中的电流，在交流侧不与电网连接而直接接入负载(即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载)的逆变器。

5.1.2 DC/AC的工作原理

逆变器是一种DC to AC的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆变器则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.6～40V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。

输入接口部分：输入部分有3个信号，12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供，ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，逆变器不工作，而ENB=3V时，逆变器处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在0～5V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，逆变器向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，逆变器输出的电流就越大。

电压启动回路：ENB为高电平时，输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。 PWM控制器：有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。

直流变换：由MOS开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。

LC振荡及输出回路：保证灯管启动需要的1600V电压，并在灯管启动以后将电压降至800V。

输出电压反馈：当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定I逆变器电压输出的作用。

5.1.3常见类型

1）中小功率

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中小功率逆变电源是户用独立交流光伏系统中重要的环节之一，其可靠性和效率对推广光伏系统、有效用能、降低系统造价至关重要？因而各国的光伏专家们一直在努力开发适于户用的逆变电源，以促使该行业更好更快地发展。

2）多重串联型

多重串联型逆变器应用于电动汽车有诸多优点。串联结构输出电压矢量种类大大增加，增强了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低了电机中性点电压的波动。逆变器的旁路特点可提高充电和再生制动控制的灵活性。

随着人们对城市环境的日益关切，电动汽车的发展得到了一个难得的机遇。在城市交通中，电动大客车由于载量大，综合效益高，成为优先发展的对象。电动大客车大都采用三相交流电机，由于电机功率大，三相逆变器中的器件需要承受高电压和大电流应力的作用，较高的DV/DT又使电磁辐射严重，并且需要良好的散热。

而采用多重串联型结构的大功率逆变器则降低了单个器件承受的电压应力，降低了对器件的要求；降低了DV/DT值，减少了电磁辐射，器件的发热也大大减少；由于输出电平种类增加，控制性能更好。

多重串联型逆变器适用于大功率的电动汽车驱动系统。采用多重串联型结构，可降低多个蓄电池串联带来的危险，降低器件的开关应力和减少电磁辐射。但需要的电池数增加了2倍。

多重串联型结构输出电压矢量种类大大增加，从而增强了控制的灵活性，提高了控制的精确性；同时降低电机中性点电压的波动。为维持每组蓄电池电量的均衡，在运行时需要确保电池的放电时间一致。通过旁路方式，可灵活地对蓄电池组充电，还可控制再生制动的力矩。

5.1.4车载逆变器

车载逆变器一般使用汽车电瓶或者点烟器供电，先将低压直流电转换为265V左右的直流电，然后将高压的直流电转变为220V、50Hz的交流电。车载逆变器打破了在车内使用电器的诸多局限。车载电源不仅适用于车载系统，只要有DC12V直流电源的场合，都可使用。车载逆变器充分考虑到外部的使用环境，当发生过载或短路现象时将自动保护关机。

车载逆变器的使用方法

1、把车载逆变器插入汽车点烟器插座内，插入时请检查插头与插座之间松紧程度。太松时把插头部的两边弹片张开，然后插入点烟插座内。

2、确认车载逆变器的电源指示灯是否发亮。

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3、把要使用的电器的电源插头插入车载电源转换器的插座内。 注意事项：

1、拔下连续使用中的电器插头时，务必先确认使用电器的开关是否已拨在”关”上，然后再拔掉电源插头。

2、及时清理车载逆变器插头处脏物，以免引起转换器接触不良或异常过热。 3、更换车载逆变器的保险丝时务必使用同一型号、规格的保险丝，使用指定规格以外的保险丝或金属丝会引起异常过热和火灾。

4、使用后或不使用车载逆变器时，要从点烟插座上拔下车载逆变器并妥善保管。

5.2 AC/DC的设计

AC/DC即将交流转换成直流，称为整流器，有时也称为电源适配器。

整流器是把交流电转换成直流电的装置，可用于供电装置及侦测无线电信号等。整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。

整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：

第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器； 第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。

5.2.1 AC/DC的系统组成

AC/DC整流器的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

5.2.2 AC/DC的原理

半导体PN结在正向偏置时电流很大，反向偏置时电流很小。整流二极管就是利用PN结的这种单向导电特性将交流电流变为直流的一种PN结二极管。通常把电流容量在1安以下的器件称为整流二极管，1安以上的称为整流器。常用的半导体整流器有硅整流器和硒整流器，产品规格很多，电压从几十伏到几千伏，电流从几安到几千安。整流器广泛

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用于各种形式的整流电源中。大功率整流电源要求整流器的电流容量大、击穿电压高、散热性能好，但这种器件的结面积大、结电容大，因而工作频率很低，一般在几十千赫以下。硅材料的禁带宽度较大，导热性能良好，适于制作大功率整流器件。在耐高压的整流装置中常采用高压硅堆，它由多个整流器件的管芯串联组成，其反向耐压由管芯的耐压及串联管芯数决定，最高耐压可达几百千伏。如果高频整流电路用于很高频率下，当交流电压的周期与整流器通态到关态的恢复时间相当时，整流器对高频电压不再起整流作用。为适应高频工作的需要，通常在硅整流器中采用掺金的方法，以缩短注入少数载流子的寿命，从而达到减小恢复时间的目的。

为了减小器件因过压击穿造成损坏的可能性和提高整流装置的可靠性，可采用硅雪崩整流器。在这种器件中，当反向电压超过允许峰值时，在整个PN结上发生均匀的雪崩击穿，器件可工作在高压大电流下，故能承受相当大的反向浪涌功率。制作这种器件时要求材料缺陷少，电阻率均匀，结面平整，外露结区还应进行适当保护，避免发生表面击穿。硒整流器的抗过载容量大，承受反向浪涌功率的能力也较强。

在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中，电网的高压交流功率通过整流器变换为直流功率。提到未来（不久的或遥远的）的其它类型整流器：以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然，这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容，但是它能显示出优点，例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。

5.2.3 应用

整流器的主要应用是把交流电源转为直流电源。由于所有的电子设备都需要使用直流，但电力公司的供电是交流，因此除非使用电池，否则所有电子设备的电源供应器内部都少不了整流器。

至于把直流电源的电压进行转换则复杂得多。直流-直流转换的一种方法是首先将电源转换为交流（使用一种称为反用换流器的设备），然后使用变压器改变该交流电压，最后再整流回直流电源。

整流器还用在调幅(AM)无线电信号的检波。信号在检波前可能会先经增幅(把信号的振幅放大)，如果未经增幅，则必须使用非常低电压降的二极管。使用整流器作解调时必须小心地搭配电容器和负载电阻。电容太小则高频成分传出过多，太大则将抑制讯号。

整流装置也用于提供电焊时所需固定极性的电压。这种电路的输出电流有时需要控制，此时会以可控硅(一种晶闸管)替换桥式整流中的二极管，并以相位控制触发的方式调整其电压输出。

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晶闸管也用于各级铁路机车系统中，以实现牵引马达的微调。可关断晶闸管(GTO)则可用于从直流电源产生交流，例如在 Eurostar 列车上使用此方式提供三相牵引马达所需的电源。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ess3.html