面向5G網(wǎng)絡(luò)供配電方案創(chuàng)新研究

司 鼎，徐 華，趙志紅

（河南省信息咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

2020年，5G網(wǎng)絡(luò)全面商用。隨著超密集組網(wǎng)、Massive MIMO以及高工作頻段等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗和重量大幅增加，基站數(shù)量也隨之增加。隨著各種增值業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，電力消耗增加。因此，創(chuàng)新供配電模式并應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)降本增效、高效運(yùn)營(yíng)以及持續(xù)發(fā)展的重要方法。

1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)

1.1 基站供電現(xiàn)狀

現(xiàn)有基站機(jī)房的外市電、組合開(kāi)關(guān)電源、鉛酸蓄電池以及空調(diào)等通常采用標(biāo)準(zhǔn)通用配置，即外市電容量≤30 kW，開(kāi)關(guān)電源模塊為6～10塊容量為50 A的-48 V/600 A開(kāi)關(guān)電源，300 Ah、500 Ah、800 Ah的鉛蓄電池組各2組，3臺(tái)功率分別為7.5 kW、12.5 kW、20 kW的空調(diào)。由表1可知，空調(diào)和通信設(shè)備是基站運(yùn)行的主要耗電設(shè)備，其中直流系統(tǒng)的耗電量占70%左右，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量占30%左右。

表1 2020年7月綜合接入機(jī)房用電量統(tǒng)計(jì)表

1.2 存在的問(wèn)題

1.2.1 外市電容量問(wèn)題

不同站型的地理位置、市電路由、外市電引入費(fèi)用以及配電設(shè)備容量要求不同，但實(shí)際運(yùn)行中，一般基站外市電均采用統(tǒng)一配置，因此存在超負(fù)荷和低配置問(wèn)題，造成了不必要的資源浪費(fèi)。

1.2.2 開(kāi)關(guān)電源容量問(wèn)題

開(kāi)關(guān)電源模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)配置，無(wú)論基站設(shè)備功耗大小，一般均配置不少于6塊電源模塊，無(wú)法做到精確化配置。開(kāi)關(guān)電源的效率與負(fù)載率有關(guān)，當(dāng)負(fù)載率達(dá)到80%以上時(shí)，效率最高。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的配置存在效益低下和資源浪費(fèi)的情況。

1.2.3 蓄電池容量問(wèn)題

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在考慮傳輸設(shè)備供電要求的情況下，通信運(yùn)營(yíng)商各基站蓄電池容量按遠(yuǎn)期負(fù)荷或開(kāi)關(guān)電源滿容量設(shè)計(jì)，備電時(shí)長(zhǎng)為8 h。根據(jù)當(dāng)?shù)厥须姽╇娗闆r、機(jī)房實(shí)際負(fù)荷以及柴油發(fā)電機(jī)容量，不同站址的基站的蓄電池容量存在不一致性。因此，相同容量的蓄電池的配置存在投資浪費(fèi)、資源浪費(fèi)以及對(duì)機(jī)房容量的浪費(fèi)。

2 無(wú)線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化站點(diǎn)定義

2.1 布局站

布局站點(diǎn)利用傳統(tǒng)宏蜂窩組網(wǎng)方式，滿足一定站距、站高以及覆蓋指標(biāo)要求，有效覆蓋道路、綠地、廣場(chǎng)以及公園等開(kāi)放區(qū)域，一定程度上滿足了深度覆蓋率的要求。無(wú)線專業(yè)和電源專業(yè)中，布局站的選取是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的骨干，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋中起支撐作用。此類站址在建設(shè)初期電源配備相對(duì)完善，一般為宏基站。站址的外市電容量、開(kāi)關(guān)電源容量、電池容量、監(jiān)控系統(tǒng)以及機(jī)房空間等相關(guān)電源配套條件較好，在5G新型供電方式中可作為供電架構(gòu)的主站。

布局站站址的選取應(yīng)結(jié)合多種數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。從無(wú)線專業(yè)角度考慮供電條件選擇站址，主要包括5方面要求。第一，機(jī)房空間足夠、承重條件好以及可進(jìn)行電源設(shè)備的擴(kuò)容改造。第二，外市電供電方式為直供電，上游接電位置為變壓器。第三，物業(yè)協(xié)調(diào)容易、發(fā)電方便。第四，站型要以多扇區(qū)宏站（扇區(qū)數(shù)量≥3）為主。第五，布局基站站距應(yīng)滿足不同場(chǎng)景站距標(biāo)準(zhǔn)。不同場(chǎng)景站距可進(jìn)行實(shí)際測(cè)試獲取，也可利用仿真獲取[1]。

充分結(jié)合電源專業(yè)容量要求和無(wú)線專業(yè)覆蓋要求選取的布局站，可直接作為5G供電系統(tǒng)的主站向四周延伸供電，從而提升5G供電效率和直供電比例。

2.2 補(bǔ)丁站

城區(qū)補(bǔ)丁站點(diǎn)主要起補(bǔ)充作用，能夠有效規(guī)避干擾，解決布局站點(diǎn)的室內(nèi)外局部無(wú)覆蓋與弱覆蓋問(wèn)題。補(bǔ)丁站在基站建設(shè)方面采用多樣化的覆蓋手段。與布局站全為宏站不同，此類站址建設(shè)除了傳統(tǒng)的宏站外，還采用了微站、RRU拉遠(yuǎn)以及一體化基站等多種方式進(jìn)行建設(shè)。補(bǔ)丁站在電源配備方面與布局站存在一定的差距。個(gè)別站址的機(jī)房配備了一定容量的電源配套設(shè)備，但是狹小的機(jī)房空間和外市電容量限制了此類基站向外延伸供電的條件。僅有部分站址為宏站的補(bǔ)丁站電源配套及外市電供電條件較好，可作為供電延伸的輔助支點(diǎn)。

2.3 吸熱站

吸熱站的主要作用是解決熱點(diǎn)區(qū)域的容量和感知問(wèn)題，滿足熱點(diǎn)業(yè)務(wù)吸收要求，保障熱點(diǎn)區(qū)域用戶感知，為業(yè)務(wù)發(fā)展儲(chǔ)備承載能力。該站點(diǎn)采用多載波（聚合）、異頻異系統(tǒng)部署、扇區(qū)分裂以及室分引入等手段，靈活部署，按需而建。

吸熱站設(shè)備一般為微站和微微站等設(shè)備，一般為無(wú)機(jī)房站址。它的供電方式多為直流遠(yuǎn)供供電或直接引外市電，僅可作為支路。

2.4 室分站

室分站有別于布局站等類型，主要用于室內(nèi)樓宇的5G信號(hào)覆蓋，一般為有源室分。各個(gè)有源發(fā)射點(diǎn)分散布置在建筑物內(nèi)，無(wú)機(jī)房。后備電源建設(shè)條件差，僅可作為支路。

2.5 5G基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分層

根據(jù)無(wú)線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化站點(diǎn)整體情況確定布局站，由布局站聯(lián)系和匯集周邊非結(jié)構(gòu)站。

3 建立立體聯(lián)動(dòng)供電模式

基站的設(shè)計(jì)應(yīng)打破以往單基站電源設(shè)備無(wú)差別和統(tǒng)一配置的常規(guī)設(shè)計(jì)理念，將交、直流供電系統(tǒng)與基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)橫向、縱向的滲透和深入，建立立體聯(lián)動(dòng)供配電模式。重新定義各類基站電源配置原則，以布局站、補(bǔ)丁站以及吸熱站為研究單元，測(cè)算不同5G設(shè)備不同環(huán)境下能耗，制定主從站篩選規(guī)則及方法。供配電模式按單元?jiǎng)澐?，每個(gè)單元根據(jù)基站類型分為中心站和個(gè)體站。不同單元的不同站型可采用相應(yīng)的供電配置。

3.1 建設(shè)供配電中心

將環(huán)境相對(duì)較好，空間及承重可滿足條件，且外市電供電有保證的機(jī)房，建設(shè)為集中放置多套大容量開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)、多組大容量蓄電池組（鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、梯次電池）、直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的供配電中心機(jī)房。該供配電中心配電系統(tǒng)容量在保證本機(jī)房設(shè)備供電的基礎(chǔ)上，可為周邊各類補(bǔ)盲站、吸熱站以及室分站提供安全的供電。該中心適應(yīng)5G基站多元化供電，可多站共用一套電源系統(tǒng)，減少供電協(xié)調(diào)，縮短建設(shè)周期，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，提升了設(shè)備效率。

3.2 外市電引入的再研究

削峰填谷是充分利用供電部門分時(shí)電價(jià)政策，把用電負(fù)荷從用電高峰階段調(diào)整到用電低谷時(shí)期，同時(shí)在低谷時(shí)期將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，而在用電高峰時(shí)段將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能對(duì)通信設(shè)備供電，以達(dá)到降低電價(jià)和電費(fèi)的目的。采用削峰填谷的局址供電方式應(yīng)為直供電，且需要充分考慮梯次電池應(yīng)用情況和當(dāng)?shù)胤?、谷電價(jià)差，確定效益臨界點(diǎn)。

3.3 磷酸鐵鋰電池和梯次電池的利用

近年來(lái)，磷酸鐵鋰電池在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，它的循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐高溫以及高倍率放電的優(yōu)勢(shì)逐漸明顯，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鉛酸電池。特別是小型基站、小容量站、分散基站以及利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等的新能源基站，利用磷酸鐵鋰電池或梯次電池可達(dá)到降低通信基站配套設(shè)備成本的目的，體現(xiàn)了生態(tài)設(shè)計(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)等理念。

3.4 高壓直流的利用

高壓直流系統(tǒng)是通過(guò)整流將交流380 V轉(zhuǎn)換為240 V的高壓直流。高壓直流系統(tǒng)含整流屏、直流配電單元以及閥控式蓄電池組。直流配電單元將電輸出至各直流通信設(shè)備。每個(gè)直流供電系統(tǒng)可接兩組或多組蓄電池組。系統(tǒng)采用微處理機(jī)控制，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電池的均、浮充轉(zhuǎn)換，具有遠(yuǎn)端遙信、遙測(cè)以及遙控等功能。

3.5 供配電個(gè)體

3.5.1 再生能源的利用

隨著不斷的實(shí)踐與進(jìn)步，光伏行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)與產(chǎn)品性能不斷提升，生產(chǎn)成本不斷下降，使得光伏系統(tǒng)的綜合效率可以達(dá)80%。光伏發(fā)電能為負(fù)載提供了穩(wěn)定可靠的電能，因此外市電引入困難、引入費(fèi)用高以及市電不穩(wěn)定等達(dá)不到三類供電級(jí)別的基站可根據(jù)負(fù)載要求，設(shè)計(jì)滿足負(fù)載N×24 h工作用電的太陽(yáng)能供電。

3.5.2 高壓、大功率直流遠(yuǎn)供的利用

傳統(tǒng)400 V直流遠(yuǎn)供產(chǎn)品受輸電電壓和設(shè)備容量的限制，已無(wú)法完全滿足現(xiàn)階段5G基站的建設(shè)需求。高壓、大功率直流遠(yuǎn)供是將基站內(nèi)開(kāi)關(guān)電源的-48 V直流電通過(guò)遠(yuǎn)供設(shè)備升壓到500～700 V，并再通過(guò)電纜送至遠(yuǎn)端基站的降壓設(shè)備端。

考慮投資成本、傳輸距離以及線纜損耗等因素，高壓、大功率直流遠(yuǎn)供在供電功率、線纜線徑一樣的情況下，傳輸距離更遠(yuǎn)。在供電功率、線纜線徑、傳輸距離一致的情況下，線路損耗更小。當(dāng)負(fù)載功率為3 600 W時(shí)，如采用鋁芯2×16 mm2電纜，局端輸出電壓設(shè)置為700 V，遠(yuǎn)端輸入電壓設(shè)置為400 V，最遠(yuǎn)傳輸距離則可達(dá)6.38 km，即每傳輸1 km線路損耗為166.51 W。

因此，不具備市電引入條件、市電不穩(wěn)定或采用轉(zhuǎn)供電方式的拉遠(yuǎn)基站、高鐵基站、樓面基站以及小區(qū)微站，可采用高壓、大功率直流遠(yuǎn)供技術(shù)，將供配電中心的直流電源通過(guò)電力電纜送至遠(yuǎn)端基站。

3.5.3 微電網(wǎng)集中供電

基于高壓、大功率直流遠(yuǎn)供設(shè)備的特點(diǎn)，園區(qū)、景區(qū)以及大型場(chǎng)館等區(qū)域性建設(shè)場(chǎng)景一定距離范圍內(nèi)可能分布多個(gè)5G拉遠(yuǎn)基站，從而存在引入分散和單獨(dú)市電協(xié)調(diào)難度大、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、后期電費(fèi)繳納和維護(hù)工作量大等問(wèn)題。集中市電引入時(shí)，市電路由由于線徑過(guò)大鋪設(shè)困難，可能存在安全隱患等問(wèn)題。因此，可采用直流高壓微網(wǎng)集中供電方案，選取市電容量滿足要求、開(kāi)關(guān)電源和電池具備擴(kuò)容條件且具備空余空間的機(jī)房站作為遠(yuǎn)端供配電中心，采用高壓直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)集中為區(qū)域內(nèi)拉遠(yuǎn)基站供電。

3.5.4 5G壁掛電源

5G壁掛電源具備組合開(kāi)關(guān)電源的功能，最大容量200 A，滿配4塊50 A高效模塊，且模塊擴(kuò)容方便，可在線維修，同時(shí)具有電池管理功能，可以外接電池進(jìn)行備電。該電源具有容量大、效率高以及可靠性高等特點(diǎn)，可選擇掛墻、桿體以及落地等3種室外安裝方式[2]。

4 供配電立體聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

供配電立體聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)作為供電中心，其站內(nèi)可配置多套開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，可通過(guò)電纜將-48 V直流電送到周邊補(bǔ)丁站或吸熱站。為減少電纜的使用，可采用高壓直流的供電方式，即站內(nèi)開(kāi)關(guān)電源采用高壓直流，其供電電壓為240 V，通過(guò)電纜壓降將電壓降至設(shè)備所需電壓值。

一般情況下，與中心站距離較近的補(bǔ)丁站可不再設(shè)立直流系統(tǒng)，其直流電只需由中心站供給即可。當(dāng)補(bǔ)丁站與中心站距離較遠(yuǎn)時(shí)，補(bǔ)丁站內(nèi)只需配置-48 V組合開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電。當(dāng)市電不正常時(shí)，由中心站供電。因此，此站無(wú)需配置蓄電池組，減少了對(duì)機(jī)房面積和承重的要求。吸熱站內(nèi)的設(shè)備功耗相對(duì)較小，其供電方式可就近由中心站或補(bǔ)丁站采用高壓、大功率直流遠(yuǎn)供、升壓模塊或壁掛電源的方式供給。面向5G供配電立體聯(lián)動(dòng)供電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G供配電立體聯(lián)動(dòng)供電結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，5G給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)行帶來(lái)了巨大考驗(yàn)，尤其是5G大能耗所帶來(lái)的供電問(wèn)題。因此，從網(wǎng)絡(luò)分層出發(fā)，詳細(xì)闡述了現(xiàn)有供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了立體化5G供配電方式，以期為下一步5G超密集組網(wǎng)建設(shè)提供參考。