5G基站電源配套綜合解決方案

周 丹，査先毅

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 5G基站供電面臨的挑戰(zhàn)

1.1 設(shè)備功耗大幅增加

5G無線設(shè)備主要包括BBU和Massive MIMO AAU。相比于4G設(shè)備，AAU面積略有減小，重量有所增加，整個基站的功耗大幅增加。4G功耗和5G功耗的對比情況如圖1所示。

圖1 4G功耗和5G功耗的對比

1.2 市電擴容困難

宏基站內(nèi)包含現(xiàn)網(wǎng)的無線2G設(shè)備、3G設(shè)備、4G設(shè)備、現(xiàn)網(wǎng)傳輸設(shè)備、其他業(yè)務(wù)設(shè)備以及空調(diào)配套設(shè)備。原有宏基站的市電容量為15～30 kW，若新增3家運營商5G設(shè)備，則新增市電總功耗為25～40 kW。因此，需對原有站點進行市電擴容，從市電總?cè)萘?、市電引入以及市電配電回路等幾個方面進行改造。

1.3 機房供電和備電能力受限

1.3.1 機房供電能力問題

現(xiàn)有基站機房內(nèi)多數(shù)設(shè)置2～3套開關(guān)電源為無線設(shè)備、傳輸設(shè)備及其他設(shè)備供電。它的滿架容量為600 A，實際使用容量約200 A?，F(xiàn)有組合式開關(guān)電源直流配電大容量端子較少，且大部分已被前期的其他設(shè)備占用，因此無法滿足5G設(shè)備的直流配電需求。

1.3.2 機房電源備電問題

5G站點功耗增大。按照傳統(tǒng)的備電策略，假設(shè)蓄電池的后備時間為4 h，若統(tǒng)籌考慮多家運營商設(shè)備的用電負(fù)荷，需配置2 000 Ah及以上的蓄電池組。傳統(tǒng)鉛酸電池的重量大且體積大，使得站點樓面承重和空間都將面臨巨大挑戰(zhàn)，實施難度極大。

1.4 5G站點建設(shè)需求對空間的挑戰(zhàn)

常規(guī)機房要求綜合考慮建設(shè)的經(jīng)濟性、實施難度以及超前性。要想滿足以上裝機需求，每個機房需滿足3個裝機機柜。重點機房需考慮傳輸節(jié)點和供電節(jié)點位置，需滿足綜合接入機房和DU集中機房的要求，因此每個機房需滿足5～6個裝機機柜。

目前，機房內(nèi)已有設(shè)備使得柜體內(nèi)部剩余的安裝空間不足，無法滿足5G設(shè)備裝機需求。5G設(shè)備新增機柜時不僅需要新增安裝面積，而且需同步考慮電源和空調(diào)配套設(shè)備的建設(shè)。大部分機房5G新增設(shè)備安裝空間面臨著巨大挑戰(zhàn)，且電池的安裝對承重要求較高，因此現(xiàn)有部分機房結(jié)構(gòu)條件無法滿足裝機需求。

2 5G基站建設(shè)原則

為了應(yīng)對5G部署對能源的挑戰(zhàn)，提升運營商的投資效率，5G基站建設(shè)需滿足快速建設(shè)、高效節(jié)能以及兼容平滑演進等需求。

2.1 快速建設(shè)

5G基站的配套建設(shè)靈活且快速?，F(xiàn)有改造站點應(yīng)盡量減少市電改造和機房擴容，從而免去談判和整改時間。對于5G新建站點，則可采用占地小、簡捷快速的安裝方案。

2.2 高效節(jié)能

5G基站配套不能單純考慮某個設(shè)備或元器件的節(jié)能，應(yīng)該綜合考慮基站配套各系統(tǒng)和全網(wǎng)配套管理的節(jié)能。

2.3 兼容平滑演進

目前，5G基站建設(shè)絕大部分是對現(xiàn)有存量站點的改造，所以5G基站的供電及配套解決方案需兼顧現(xiàn)有基站的情況，實現(xiàn)平滑演進。

3 5G基站電源配套綜合解決方案

3.1 宏基站電源綜合解決方案

目前，基站電源系統(tǒng)主要采用220 V/380 V交流市電引入+通信電源的模式。這種模式主要由市電電源系統(tǒng)（220 V/380 V市電引入及變壓器系統(tǒng)）、交流配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)（包含48 V高頻開關(guān)電源、后備蓄電池組及直流配電設(shè)備）以及后備發(fā)電系統(tǒng)（多為移動油機和部分站點配置固定油機）組成。市電電源系統(tǒng)將一路380 V交流市電接入機房內(nèi)的交流配電箱（屏），交流配電輸出連接至基站內(nèi)開關(guān)電源的整流單元，整流單元將220 V/380 V交流整流成48 V直流電源。開關(guān)電源通過直流配電單元輸出至直流配電屏（箱），從而將電能分配輸出至無線、傳輸及其他設(shè)備使用。48 V后備蓄電池組在市電有電時并接在系統(tǒng)中浮充電，停電時通過開關(guān)電源的直流配電單元為設(shè)備供電，從而保證為通信設(shè)備24 h不間斷供電?；竟╇娤到y(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 基站供電系統(tǒng)組成圖

3.2 直流遠(yuǎn)供技術(shù)

3.2.1 總體技術(shù)介紹

5G基站中，直流遠(yuǎn)供是一種新型的供電方式。通過局端基站將直流升壓至遠(yuǎn)端基站，遠(yuǎn)端基站通過調(diào)壓給設(shè)備供電。對于直流遠(yuǎn)供新型供電方式，新建連片或高鐵沿線基站可以選擇局端基站向兩邊的遠(yuǎn)端基站進行直流遠(yuǎn)供（目前高鐵沿線基站應(yīng)用較多）。5G基站的直流遠(yuǎn)供方式如圖3所示。

圖3 5G基站直流遠(yuǎn)供方式

直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)由近端的局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備以及拉遠(yuǎn)部分3部分組成。它可以將機房內(nèi)的-48 V通信直流電源通過局端設(shè)備升壓到250～410 V，并通過拉遠(yuǎn)部分既光電混合纜或電力電纜遠(yuǎn)距離輸送至遠(yuǎn)端供電設(shè)備，再由遠(yuǎn)端供電設(shè)備將高壓直流降壓為48 V直流或其他電壓，為供電負(fù)載（如RRU和微基站等）進行供電。

3.2.2 高壓直流遠(yuǎn)供優(yōu)勢與劣勢

（1）高壓直流遠(yuǎn)供的優(yōu)勢。5G建設(shè)將在密集城區(qū)建設(shè)大量的微站，因此對市電需求較多。在現(xiàn)有市電無法增容的情況下，采用集中式高壓直流遠(yuǎn)供方案可解決部分站點電力引入困難的問題。如果拉遠(yuǎn)站和微站采用分散式供電方案，那么需在每個站點都配置開關(guān)電源和蓄電池組，且部分站點需要配置多組蓄電池。采用直流遠(yuǎn)供可以根據(jù)各拉遠(yuǎn)供電站點的用電總?cè)萘颗渲幂^大容量的蓄電池組，從而減少蓄電池的組數(shù)，降低蓄電池組總的配置容量。

（2）高壓直流遠(yuǎn)供的劣勢。高壓直流遠(yuǎn)供從近端站至遠(yuǎn)端站的供電，需先升壓再拉遠(yuǎn)輸電。末端降壓經(jīng)歷3次電能轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中損耗較大，用電成本較高。高壓直流遠(yuǎn)供近端站和遠(yuǎn)端站之間的電纜出現(xiàn)中斷、漏電或電源短路情況，會造成遠(yuǎn)供站點停電，需通過更可靠的組網(wǎng)方式如雙電路冗余方式進行解決。

3.2.3 微基站電源綜合解決方案

（1）市電引入。微站站點多采用轉(zhuǎn)供電，通過物業(yè)變壓器或住戶用電直接引入。轉(zhuǎn)供電采用物業(yè)變壓器直引到微站機房時，根據(jù)微站需求核算各拉遠(yuǎn)設(shè)備的總用電功耗?？紤]多家運營商需求，容量預(yù)估為3.5～10 kW。核實物業(yè)變壓器輸出柜斷路器容量是否滿足設(shè)備用電需求，若現(xiàn)有物業(yè)斷路器開關(guān)無法滿足設(shè)備的用電需求，則需替換斷路器開關(guān)或重新引入大容量斷路器，并核算確認(rèn)引入線纜的路由和線徑。轉(zhuǎn)供電采用住戶用電直引到機房時，根據(jù)微站設(shè)備需求核算各總用電功耗。考慮多家運營商需求，容量預(yù)估為3.5～10 kW。按照機房規(guī)劃總用電量，重新引入外市電，同時需適當(dāng)預(yù)留較大的斷路器容量和引電電纜線徑。

（2）后備發(fā)電系統(tǒng)。普通微基站一般不設(shè)置固定后備發(fā)電系統(tǒng)?？紤]到微基站的重要性，可設(shè)置移動發(fā)電機組，移動發(fā)電機組容量建議配置為15～30 kW。

（3）電源系統(tǒng)。在多個微站分散供電的應(yīng)用場景下，應(yīng)采用遠(yuǎn)供方式進行供電，其傳輸電壓范圍為225～350 V。根據(jù)局端供電電源的差別，局端可配置48 V開關(guān)電源，先進行局端升壓后再遠(yuǎn)供拉遠(yuǎn)，遠(yuǎn)端降壓后為遠(yuǎn)端通信設(shè)備供電。局端配置高壓直流電源時無需在局端升壓，可直接遠(yuǎn)供拉遠(yuǎn)，然后在遠(yuǎn)端降壓后為遠(yuǎn)端通信設(shè)備供電。容量較大的基站，考慮到一定的壓降，可以采用直接遠(yuǎn)供后不降壓的方式進行供電。對于與城市公共設(shè)施如燈桿等一體化建設(shè)的基站，可采用緊湊型架構(gòu)的供電方案，將電源模塊安裝在室外機柜內(nèi)。共建共享設(shè)施5G供電架構(gòu)如圖4所示。

圖4 共建共享設(shè)施5G供電架構(gòu)

電源模塊中主要包含整流單元和直流配電單元。整流單元配置容量為3～9 kW。室外采用鋰電備電方案，根據(jù)不同的供電容量和后備時長，確定不同鋰電池的備電時間。電源模塊應(yīng)具備多樣化輸入、模塊化、高集成度、適應(yīng)范圍廣以及節(jié)省安裝空間等特點。微站采用一體化建設(shè)，配置緊湊型電源模塊時，也應(yīng)根據(jù)室外安裝環(huán)境配置浪涌保護器。防雷器IP等級需考慮室外安裝場景，最大通流容量則需根據(jù)具體安裝環(huán)境條件確定。

3.3 新能源新技術(shù)方案

3.3.1 削峰填谷

無線設(shè)備的負(fù)載峰值與典型值相差巨大，通過疊加蓄電池組，根據(jù)每天峰谷電價情況設(shè)置錯峰用電功能，實現(xiàn)谷價（既在夜晚，電費較低、話務(wù)較少）時段使用外市電（電池儲能）而峰價（既在白天通信設(shè)備負(fù)荷高峰期，電費較高、話務(wù)較少）不使用外市電或者部分使用外市電（電池放電）的功能，最終達成降低電費的目的。此外，電源系統(tǒng)通過控制和算法，可以利用電源限功率或者儲能電池補充放電，結(jié)合基站通信設(shè)備負(fù)載波動情況，降低站點業(yè)務(wù)峰值負(fù)載對市電輸入容量的需求。

3.3.2 精準(zhǔn)智能電源研究

目前，基站內(nèi)蓄電池多為開關(guān)電源提供系統(tǒng)后備時間?，F(xiàn)有基站開關(guān)電源設(shè)置一次下電回路和二次下電回路，為無線設(shè)備和傳輸設(shè)備提供差異化的后備時間。

根據(jù)目前5G業(yè)務(wù)的多元化，不同客戶和不同場景在同一電源上可設(shè)置多種類備電模式，以區(qū)分不同的業(yè)務(wù)種類。精確計算每種不同業(yè)務(wù)種類的后備時間，設(shè)置多個下電模式，匹配多種類鐵鋰、鉛酸或梯級電池，可為不同客戶和不同場景提供不同的備電時長。開關(guān)電源系統(tǒng)可支持智能削峰、智能疊光、智能錯峰以及精準(zhǔn)備電等特性，以滿足持續(xù)演進需求。電源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，不同模塊按需配置。

3.3.3 多種類電池共用

目前，多家運營商的5G基站在大規(guī)模推廣鐵鋰電池。鐵鋰電池較傳統(tǒng)鉛酸電池，在循環(huán)放電次數(shù)和放電性能等方面具有較大優(yōu)勢。與普通鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池具有以下顯著優(yōu)點[1]：重量輕，約為同等容量鉛酸電池的1/2；占地面積小，一般為鉛酸電池的1/3～1/2；充電速度快，可在1～2 h內(nèi)快速充滿（快速充電充電電流較大）；高倍率放電且容量損失小，在放電電流小于1 C時（C為電池額定容量），能放出95%以上的額定容量；工作溫度范圍寬，一般為0～45 ℃。

鐵鋰電池在5G通信基站中常見的使用模式有兩種，一種是鐵鋰電池單獨備電，另一種鉛酸鐵鋰電混搭。

（1）鐵鋰電池單獨備電。鐵鋰電池體積小、重量輕且放電能力強，可適應(yīng)于現(xiàn)有5G基站機房配套安裝面積小的場景，并且可以有效降低對機房荷載的需求，減少結(jié)構(gòu)改造。此外，由于溫度的適應(yīng)范圍寬，因此可配合機房節(jié)能減排方案，有效降低空調(diào)能耗?；緝?nèi)配置容量多為200～800 Ah的鐵鋰電池，建議鐵鋰電池并聯(lián)組數(shù)為2組，且需配置BMS電池管理系統(tǒng)。

（2）鉛酸鐵鋰電混搭。根據(jù)通信電源的使用規(guī)范，不同型號、不同容量、不同廠家以及不同時期的蓄電池不能混用。5G存量站點存在多組鉛酸電池和鐵鋰電池并行使用的情況，需應(yīng)用電池合路器有效提高蓄電池的利用率。具體的，將鉛酸蓄電池和鐵鋰電池接入電池合路器的不同端口，在合路器端口設(shè)置不同的電氣參數(shù)，從而實現(xiàn)對不同類型電池的并行或分組使用。對于新型合路器，可通過合路器的不同端口控制不同電池的主要電氣參數(shù)，如充電電壓、放電電壓以及電流等，從而實現(xiàn)對不同類型電池的公用管理、靈活擴容以及電池充放電控制。既能夠確保蓄電池的安全供電，又能實現(xiàn)電池的靈活擴容。有效利用基站現(xiàn)有的蓄電池組資源，可降低整體建設(shè)的運維成本。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文按照基站類型分類提出相應(yīng)的電源綜合解決方案，還提出了削峰填谷、多種能源接入以及多路電池共用新能源新技術(shù)電源的綜合解決方案。