5G基站電源規(guī)劃及改造方案

王大鵬，姜 艷

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長春 130000）

0 引 言

現(xiàn)階段，5G建設(shè)造成基站功耗明顯增加。三大運(yùn)營商已經(jīng)開始對(duì)5G建設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)部署，部分發(fā)達(dá)城市及特殊高校已進(jìn)入組建模塊網(wǎng)絡(luò)的測試階段，5G的能源功耗對(duì)運(yùn)營商的建設(shè)運(yùn)營壓力有著明顯的影響。目前，電力設(shè)施鋪設(shè)對(duì)5G大范圍、密集部署支持有限。下面以如何解決5G電力設(shè)施的壓力，科學(xué)合理展開密集站點(diǎn)部署為內(nèi)容展開研究，以全面推進(jìn)5G建設(shè)。

1 5G耗電問題

在新一代5G通信運(yùn)營領(lǐng)域，5G網(wǎng)絡(luò)多由三大運(yùn)營商負(fù)責(zé)。而其中中國電信的運(yùn)營商對(duì)現(xiàn)有的5G運(yùn)行提出了“5G網(wǎng)絡(luò)耗電嚴(yán)重，電費(fèi)讓運(yùn)營商難以為繼”的重要問題。5G運(yùn)營商在5G設(shè)施運(yùn)行過程中承受著設(shè)備耗電方面的壓力。5G的站點(diǎn)功耗大約在150 W/d，按照當(dāng)前的電費(fèi)來計(jì)算，每天5G基站的花費(fèi)達(dá)225元。此種功耗增加了5G日常運(yùn)行維持難度，甚至對(duì)后續(xù)密集5G基站安裝工作構(gòu)成阻礙。

2 5G站點(diǎn)電源

就5G的商用部署層面展開分析，5G的電力設(shè)備要比4G電力設(shè)備消耗高出2倍，對(duì)電力設(shè)備的影響較大，需要新增配電柜。就5G的實(shí)驗(yàn)部署來看，5G的室內(nèi)基帶處理單元比4G設(shè)備室內(nèi)基帶處理單元能量消耗更大。在5G集成機(jī)柜上放置多個(gè)基帶處理單元時(shí)，單柜的能源消耗可達(dá)10 kV，較高的消耗量以及密集的基帶單元導(dǎo)致5G站點(diǎn)散熱問題突出。5G的機(jī)柜各種機(jī)構(gòu)部署對(duì)于內(nèi)部的線路也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。散熱問題、傳輸?shù)木€路設(shè)計(jì)問題均是基站電源建設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的關(guān)鍵事項(xiàng)[1]。

2.1 5G站點(diǎn)的電源構(gòu)成

通常，5G站點(diǎn)電源系統(tǒng)由直流與交流供電兩部分組成，其中直流供電系統(tǒng)由高頻開關(guān)組合電源、蓄電池組組成，交流供電系統(tǒng)由一路市電電源、一路移動(dòng)油機(jī)電源、浪涌保護(hù)器、交流配電箱（具備市電油機(jī)轉(zhuǎn)換功能）組成。

2.2 基站電源需求及方案的變化

同比于2G/3G/4G基站電源，5G基站在電源需求方面發(fā)生了巨大變化。前者設(shè)備功率較小，而后者設(shè)備功率呈大幅增長。就5G基站AAU單扇區(qū)功率而言，其相較于4G基站RRU呈現(xiàn)出明顯的提升，由4G的80W上升至200W。此外，5G單站設(shè)備功耗可達(dá)4 000 W及以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出4G單站功率。另外，5G基站所對(duì)CU/DU施以集中部署，并采用AAU拉遠(yuǎn)方式，故可能會(huì)造成HVDC直流拉遠(yuǎn)，或者DPS分布式供電[2]。對(duì)于5G基站建設(shè)，其用電量的大幅提升勢(shì)必會(huì)引起電源供電能力相應(yīng)提高，電源設(shè)施、運(yùn)營成本隨之增長。因此，全面來看，對(duì)于5G基站電源而言，其在供電能力、方案及成本等方面均較4G基站電源發(fā)生了較大改變。

3 5G基站的電源改造

在5G電站的電源設(shè)計(jì)中，不僅基站內(nèi)部設(shè)備對(duì)電源供應(yīng)有所影響，新增設(shè)備及其他擴(kuò)容電池的影響（照明、溫控）也需納入建設(shè)規(guī)劃中。

3.1 直供電改造

安裝5G設(shè)備時(shí)，直供電是大部分外接電源的選擇。當(dāng)直供電的功率達(dá)不到預(yù)期時(shí)，應(yīng)接入智能電路系統(tǒng)，保證5G通信設(shè)備正常運(yùn)行。在用電高峰進(jìn)行放電，減少直供電壓力；在用電低谷進(jìn)行存電，減少直供電的運(yùn)行壓力。當(dāng)舊的線路無法支撐5G設(shè)備時(shí)，接入新的線路，提供一組新的電力線路來對(duì)5G設(shè)備的大量消耗單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)給。在條件允許的情況下，更換原有的電力線路[3]。

3.2 開關(guān)電力控制管理

3.2.1 空氣開關(guān)

原來的空氣開關(guān)的容量已經(jīng)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，需要更換原來的空氣開關(guān)型號(hào)，將原來的基站空氣開關(guān)轉(zhuǎn)為基站容量的空氣開關(guān)，使其與直供電的標(biāo)準(zhǔn)相一致。

3.2.2 -48 V電源系統(tǒng)與+24 V電源系統(tǒng)

對(duì)于新增設(shè)備，可直接利用現(xiàn)有直流系統(tǒng)供電。若開關(guān)電源容量可有效滿足新增設(shè)備需求，則需要對(duì)整流模塊進(jìn)行擴(kuò)容；如果開關(guān)電源容量達(dá)不到要求，應(yīng)采用新的開關(guān)電源。

對(duì)于機(jī)房面積、市電容量乃至樓板荷載等條件，在基站均可予以滿足的情況下，可新增-48V直流電源系統(tǒng)。若條件有限，則可新增+24V/-48VDC/DC變換器，為5G設(shè)備提供電力。對(duì)于原有+24V開關(guān)電源容量需進(jìn)行考量，然后對(duì)新增直流變換器進(jìn)行母線排引接，依據(jù)本期負(fù)荷進(jìn)行DC/DC機(jī)架輸出容量及模塊數(shù)量配置。

3.2.3 室外一體化機(jī)柜開關(guān)電源

對(duì)于一體化開關(guān)電源，現(xiàn)有的接入系統(tǒng)在3個(gè)或以上，故可增設(shè)1套一體化開關(guān)電源，而非于原電源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備新增。對(duì)于現(xiàn)有一體化開關(guān)電源，其對(duì)應(yīng)的接入系統(tǒng)在3個(gè)以下時(shí)，可考慮在容量滿足的前提下直接新增設(shè)備，若存在設(shè)備空間不足的情況，則應(yīng)新增設(shè)備柜。

3.3 電池改造

現(xiàn)有的機(jī)柜電源為鉛酸電池，在新增的5G設(shè)備（CU+DU+3AUU）影響下，設(shè)備功耗大量提升，在斷電的情況下無法保證緊急情況下3 h內(nèi)5G設(shè)備的緊急用電需求。

機(jī)房原有設(shè)備耗電為52 A，在增加5G設(shè)備（CU+DU+3AUU）的影響下耗電能力提升為原來的8倍左右，需增加電池容量或更換新電池技術(shù)來保證電流正常運(yùn)行?？蓪⒃秀U酸電池改為新型鋰電池，對(duì)于后期電池充放電、電池容量均有較大的影響[4]。

3.4 新增梯次電源

現(xiàn)有的室外一體化機(jī)柜分為電源柜和設(shè)備柜，開關(guān)電源在150 A，電池的容量在150 Ah左右，在緊急情況下設(shè)備無法繼續(xù)運(yùn)行3 h左右。對(duì)此，蓄電池的電容量需增加至300 A，電池容量增加至356 Ah左右，以此保障5G設(shè)備功率消耗需求。通過現(xiàn)場探測，確定基站電源需求，在滿足電源容量的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)柜改造，若不能，則需新增機(jī)柜，以容納300A開關(guān)電源，并對(duì)100Ah梯次電源予以更換。

3.5 蓄電池改造

根據(jù)5G設(shè)備的功耗以及緊急情況，蓄電池改造需采取以下措施：首先，確定電池容量；其次，確認(rèn)蓄電池的工作需要功率后，制定電池改造方案；最后，無法滿足5G設(shè)備運(yùn)行需求的電池應(yīng)進(jìn)行更換，可選擇鋰電池，其成本、容量優(yōu)勢(shì)均優(yōu)于鉛酸蓄電池。

3.6 二次下電改造

二次下電主要是為保障傳輸設(shè)備正常運(yùn)行。開關(guān)電源的交流電為斷電狀態(tài)時(shí)，由蓄電池對(duì)負(fù)荷繼續(xù)供電。但對(duì)于蓄電池，其電量相對(duì)有限，電壓降至一定水平后，設(shè)備電源供應(yīng)會(huì)切斷，即為一次下電。由蓄電池向傳輸設(shè)備繼續(xù)供電，至蓄電池對(duì)電壓保護(hù)時(shí)將全部電源供應(yīng)切斷，對(duì)蓄電池實(shí)施保護(hù)，即為二次下電。

3.7 開關(guān)電源改造

對(duì)于開關(guān)電源的改造，應(yīng)結(jié)合G5設(shè)備功耗確定開關(guān)電源需求，并對(duì)現(xiàn)有開關(guān)電源在新增設(shè)備時(shí)的容量進(jìn)行綜合考量，以判斷可實(shí)行的改造方案。如果機(jī)架的容量有限，需要更換較為適配的開關(guān)電源；如果電源的整流模塊已經(jīng)老舊，無法升級(jí)或者同型號(hào)替換，應(yīng)更改或新增電源[5]。

3.8 整流模塊改造

舊站點(diǎn)有大量整流模塊分布，因蓄電池的充電需要，現(xiàn)存的整流模塊根本達(dá)不到5G基站的設(shè)備功耗需求。為此，整流模塊需對(duì)適配5G大功率消耗進(jìn)行擴(kuò)容改造，需要對(duì)基站新增2個(gè)50 A整流模塊進(jìn)行擴(kuò)容滿足5G需求。

3.9 轉(zhuǎn)供改為直供

新增大量的5G設(shè)備對(duì)市電的容量也有一定的影響，在220 V的供電影響下，可能會(huì)對(duì)5G設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)造成一定的影響。后期的5G設(shè)備增加，對(duì)轉(zhuǎn)供電的壓力也越來越大，所以應(yīng)申請(qǐng)將220 V改為380 V進(jìn)行供應(yīng)，電容量改為35 kVA的線路標(biāo)準(zhǔn)。

4 配套電源的改進(jìn)措施

4.1 光電一體化

未來，在光電一體化將整個(gè)城市的主干道覆蓋的情況下，運(yùn)用5G微小基站，可實(shí)現(xiàn)5G基站合理布局，并可將傳統(tǒng)的電箱及光纖有機(jī)結(jié)合，避免資源浪費(fèi)。

4.2 微站電源

在小型的5G工程上，建設(shè)微小的室外基站，可發(fā)揮極大的作用，而且5G裝置可簡化安裝步驟。

4.3 太陽能等綠色供電

部分基站5G的電力供應(yīng)是一個(gè)重大問題，可通過太陽能等綠色供電的方式進(jìn)行補(bǔ)充，提升自然資源利用率，并降低5G設(shè)備的用電需求。

4.4 多站點(diǎn)信息交互

通過對(duì)信息的精準(zhǔn)把握，可對(duì)站點(diǎn)設(shè)備的使用情況進(jìn)行有效調(diào)控，如調(diào)低或關(guān)閉設(shè)施如空調(diào)、電燈等功率，降低設(shè)備耗損程度。

5 結(jié) 論

在未來，5G網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)密集，且有宏站與微站之分，能源的消耗問題將會(huì)日漸凸顯，對(duì)于5G站點(diǎn)電源的建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)。對(duì)此，運(yùn)營商在進(jìn)行站點(diǎn)布置時(shí)，可通過電源改造提高5G站點(diǎn)電源供電能力，減少使用成本。