5G通信基站節(jié)能供電系統(tǒng)運(yùn)行控制策略研究

宋現(xiàn)銘

摘要：伴隨著我國(guó)科技水平的發(fā)展，5G被廣泛應(yīng)用在通信系統(tǒng)中。5G通信基站耗電量較大，引入分布式供電（DG）單元能對(duì)其進(jìn)行一定的電能補(bǔ)充，但DG單元易受氣象條件的影響，導(dǎo)致通信基站節(jié)能供電系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。為提高通信基站節(jié)能供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提出了一種基于直流母線電壓信息自動(dòng)切換的控制策略，所提控制策略能夠維持通信基站節(jié)能供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不間斷供電，為未來(lái)設(shè)計(jì)節(jié)能型5G通信基站供電系統(tǒng)提供了一定理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：5G;通信基站;節(jié)能;供電系統(tǒng);控制策略

引言

5G具有“高帶寬、低延時(shí)、大接入”等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可在不同行業(yè)及領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)更是實(shí)現(xiàn)將智能化建設(shè)向縱深推進(jìn)的動(dòng)力。但5G天線因高載波頻率與小覆蓋半徑等短板，要到達(dá)4G同等網(wǎng)絡(luò)覆蓋的目標(biāo)，需大量增加站點(diǎn)密度。從能源的角度看，在5G時(shí)代運(yùn)營(yíng)商面臨的問(wèn)題主要有：5G單站點(diǎn)的功耗大相比4G將大幅增長(zhǎng)，例如多數(shù)商家運(yùn)營(yíng)商共享BBU宏站總功耗逼近30KW，據(jù)分析比較4G基站功耗增加約90%。其次，在5G大功率AAU拉遠(yuǎn)供電場(chǎng)景中，線纜壓降過(guò)大導(dǎo)致線纜損耗過(guò)大，甚至部分遠(yuǎn)端電壓低于設(shè)備工作電壓，導(dǎo)致AAU無(wú)法工作。為了滿足電力需求，市電擴(kuò)容成本高、周期長(zhǎng)。將嚴(yán)重影響5G部署節(jié)奏且大幅增加投資，大部分存量站址的開(kāi)關(guān)電源、蓄電池、空調(diào)等需擴(kuò)容改造，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)基站改造要求高，投入高，改造難度大，改造工期不可控。同時(shí)大量的末梢站點(diǎn)將會(huì)被部署，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗將呈倍數(shù)增長(zhǎng)，建設(shè)成本大幅增加。運(yùn)營(yíng)商耗電量大，勢(shì)必要增加運(yùn)維成本。由此可見(jiàn)，能源也是制約5G發(fā)展的關(guān)鍵之一，要進(jìn)行迅速的部署5G網(wǎng)絡(luò)，就必須先解決能源供給問(wèn)題。這對(duì)于供電系統(tǒng)的部署難度、能耗、安全性、穩(wěn)定性、可靠性及運(yùn)營(yíng)等帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。由于基站所在場(chǎng)景不同，現(xiàn)存量站資源均有差異，若要做到5G電能在部署上做到能源智能化，節(jié)能高效化，供電更高效，供電方案也需“一站一案”。

1基站電源系統(tǒng)及5G設(shè)備功耗

1.1基站電源系統(tǒng)組成

基站電源系統(tǒng)主要包含交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)三個(gè)部分。交流供電系統(tǒng)包含市電引入、移動(dòng)油機(jī)、浪涌保護(hù)器、交流配電箱等。直流配電系統(tǒng)包含高頻開(kāi)關(guān)組合電源，蓄電池等。

1.2典型5G設(shè)備功耗需求

5G設(shè)備功耗大幅度提高，對(duì)基站電力配套帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。5G部署初期，設(shè)備形態(tài)以CU（集中單元）/DU（分布單元）合設(shè)方式進(jìn)行建設(shè)，根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備功耗，5G設(shè)備標(biāo)稱功耗約是LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）標(biāo)稱功耗的3倍。

2通信基站節(jié)能供電系統(tǒng)控制策略

2.1基站設(shè)備節(jié)能方案

針對(duì)移動(dòng)通信基站中的設(shè)備，在節(jié)能過(guò)程中可以從如下三方面入手。第一，對(duì)移動(dòng)通信基站中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，盡量減少基站的數(shù)量，選擇的設(shè)備需要具有容量大、設(shè)備能耗量低的特點(diǎn)，降低擴(kuò)容成本。第二，將功放技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值充分發(fā)揮出來(lái)，提高整個(gè)移動(dòng)通信基站中的功放效率。第三，使用分布式的建設(shè)方法，減少設(shè)備中的饋線損耗情況。

目前，在移動(dòng)通信基站設(shè)備系統(tǒng)中，應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)主要包括如下兩種。第一，高效功放技術(shù)，其中包括Doherty技術(shù)、包絡(luò)跟蹤技術(shù)以及包絡(luò)消除技術(shù)等。在實(shí)際設(shè)備節(jié)能工作中應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)為Doherty技術(shù)，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中具有負(fù)載牽引力，保證均值放大器和峰值放大器在飽和狀態(tài)下，提升整個(gè)移動(dòng)通信基站的功放效率。而將該技術(shù)與數(shù)字預(yù)失真技術(shù)相互結(jié)合，與傳統(tǒng)功放技術(shù)相比，能夠提升功放效率27%以上，生產(chǎn)難度較低，所占體積較小，可靠性高，使用成本低，因此該技術(shù)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

第二，分布式基站技術(shù)。該技術(shù)主要將基站分為兩部分，分別為基帶和射頻。這種方式能夠降低射頻產(chǎn)生的饋線損耗量。此外，該技術(shù)對(duì)使用環(huán)境的要求不高，不需要空調(diào)控制溫度，也不需要建設(shè)機(jī)房，因此應(yīng)用成本也較低。在基站近端，可以將電源、傳輸系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)安裝在一個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)，保證移動(dòng)通信基站中集中供電質(zhì)量。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)基站的集中供電，降低維護(hù)管理難度，適合大范圍應(yīng)用。

2.2電源設(shè)備節(jié)能

2.2.1開(kāi)關(guān)電源節(jié)能

采用開(kāi)關(guān)電源智能休眠技術(shù)，通過(guò)基站高頻開(kāi)關(guān)電源智能化控制技術(shù)，自動(dòng)關(guān)閉冗余模塊使系統(tǒng)工作在最佳效率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.2.2蓄電池節(jié)能

（1）蓄電池溫控柜。a.室內(nèi)型恒溫電池柜。主要由柜體、電池架和空調(diào)構(gòu)成，可控制柜內(nèi)溫度在15-25℃范圍內(nèi)。b.室外型恒溫電池柜。室外一體化電源蓄電池倉(cāng)采用獨(dú)立溫控設(shè)計(jì)，使用TEC半導(dǎo)體空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，為蓄電池提供良好的工作環(huán)境。

（2）蓄電池地埋。蓄電池采用地埋方式可以防盜，也可減小室外高溫對(duì)電池壽命的影響，延長(zhǎng)電池壽命。但電池地埋必須解決好防水、通風(fēng)散熱、排氣等問(wèn)題。

（3）鐵鋰電池。鐵鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)壽命長(zhǎng);體積小重量輕;對(duì)環(huán)境無(wú)污染;適用于室外環(huán)境，工作環(huán)境溫度范圍要求較寬;安全性高;充電速度快。

2.3基站供電系統(tǒng)節(jié)能方案

移動(dòng)通信基站中的供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)給基站中的所有用電設(shè)備供電，為了降低其存在的能量損耗，可以將電源智能休眠技術(shù)應(yīng)用其中，保證整流模式處于最佳狀態(tài)，減少其存在的帶載損耗以及空載損耗，從根本上實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保。此外，還可以將太陽(yáng)能和風(fēng)能等能源應(yīng)用其中，替代原有的能源。這種方式能夠拓展移動(dòng)通信基站的建設(shè)范圍，使其能夠在我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)。

目前，移動(dòng)通信基站供電系統(tǒng)中應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)為開(kāi)關(guān)電源休眠技術(shù)，根據(jù)供電系統(tǒng)中電流的負(fù)荷情況，對(duì)整流模塊的工作進(jìn)行有效調(diào)整，同時(shí)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作整流模塊數(shù)量的自動(dòng)調(diào)整。例如，整個(gè)供電系統(tǒng)的負(fù)荷量較小，則該部分模塊能夠處于休眠狀態(tài)，保證其他模塊的運(yùn)行狀態(tài)，降低系統(tǒng)中出現(xiàn)的空載損耗情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的有效節(jié)能。

在移動(dòng)通信基站節(jié)能方案應(yīng)用的過(guò)程中，需要保證方案設(shè)計(jì)的安全性，將機(jī)房溫度控制在10～35℃，空氣質(zhì)量保持在B級(jí)以上。節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用需要保證多樣性和可行性，根據(jù)基站建設(shè)的實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)，進(jìn)而將節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值充分發(fā)揮出來(lái)。此外，經(jīng)濟(jì)性也是節(jié)能措施制定的主要影響因素之一，充分考慮網(wǎng)絡(luò)發(fā)展能力以及經(jīng)濟(jì)情況，確定方案實(shí)施的投資回報(bào)，避免出現(xiàn)回報(bào)收益小于投資的情況。針對(duì)使用的技術(shù)展開(kāi)評(píng)價(jià)，確定其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，保證最終節(jié)能措施在移動(dòng)通信基站中的應(yīng)用效果。

結(jié)語(yǔ)

由于5G在2020年以前以存量站點(diǎn)系統(tǒng)疊加為主，后期逐漸向桿站過(guò)渡做深覆蓋。因而5G電源部署，要充分考慮現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)電源的擴(kuò)容和改造場(chǎng)景，最大限度地利舊現(xiàn)網(wǎng)資源，簡(jiǎn)化部署流程，降低能源投入?；?G應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備演進(jìn)、業(yè)務(wù)發(fā)展以及客戶需求，5G電源應(yīng)具有取電多樣化、供電升壓化、配電精細(xì)化和智能運(yùn)維化的發(fā)展趨勢(shì)。

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