5G建設(shè)電源配套設(shè)計方案研究

楊磊　王浩年　王瞳瞳

【摘要】? ? 通過對5G基站電源配套需求和設(shè)計關(guān)鍵點進行分析，對設(shè)備選型和線纜截面所涉及的知識點進行闡述，有助于5G電源配套設(shè)計方案選擇。另介紹了5G基站電源配套的多種創(chuàng)新產(chǎn)品和方案，從而提升設(shè)計成果時效性。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G 電源配套? ? 功耗? ? 新產(chǎn)品

引言：

當前我國5G基站新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在加速推進，伴隨著大量5G基站設(shè)備投入使用，其高耗能問題日益突出，眾所周知，5G基站相較4G基站在設(shè)備功耗方面有大幅增加，而且不同的5G基站建設(shè)場景，對電源配套的需求具有很大差異。所以在動力電源、機房配套的建設(shè)上，通信基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商面臨巨大的挑戰(zhàn)。能夠提出更節(jié)約、更高效、更合理的電源配套設(shè)計方案，成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)首要課題。

一、5G基站電源配套需求分析

（一）5G基站設(shè)備形態(tài)

目前5G基站建設(shè)初期的設(shè)備形態(tài)與4G基站采用“RRU+天線一體化”的設(shè)備形態(tài)相類似，采用典型的BBU與AAU按照射頻拉遠設(shè)計，即BBU（CU/DU）與AAU在物理上實現(xiàn)分離。在架構(gòu)上，5G BBU集成了CU和DU的功能，即可理解為“CU/DU合設(shè)+AAU”的兩層架構(gòu)部署方案。在5G建設(shè)的中后期，根據(jù)5G不同應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求情況，逐步向CU云化、DU集中、AAU分散的三層分離架構(gòu)演進。從基站接入方式來區(qū)分，主要分為D-RAN和C-RAN，即分布式無線接入和集中化無線接入方式兩種。

1.對于D-RAN架構(gòu)，5G BBU與AAU同站址建設(shè)，基站電源的配置需要滿足BBU和AAU兩者用電需求。以華為5G基站設(shè)備典型配置參數(shù)計算，則該基站單系統(tǒng)最大功耗將超過4kW（包括： BBU設(shè)備功耗1.15kW、3個AAU設(shè)備功耗2.91kW）。

2.對于C-RAN架構(gòu)，基站設(shè)備BBU與AAU不是同址建設(shè)。其中，BBU可以集中部署，一般選擇在核心局房、匯聚機房等傳輸資源和電源資源比較豐富的機房。而AAU則為光纖拉遠天面站，采用共址站電源或新建供電方案。

（二）現(xiàn)網(wǎng)5G基站設(shè)備供電需求

5G設(shè)備廠家主要有華為、中興、愛立信等，各設(shè)備參數(shù)如下表1所示。

目前，5G設(shè)備單系統(tǒng)最大功耗在4kW左右，約為4G單系統(tǒng)功耗的3.2倍，對電源設(shè)備及配套設(shè)施需求增加較大。另外，各設(shè)備的對電源供電端子和電力電纜的需求如下表2所示。

二、5G基站設(shè)備電源配套設(shè)計關(guān)鍵點

（一） 用電負荷計算

對于新建電源系統(tǒng)站點，配電系統(tǒng)設(shè)計容量一般通過計算所有用電設(shè)備最大負荷的累加值來獲得。

對于共站址新建5G系統(tǒng)站點，配電系統(tǒng)設(shè)計容量的核算應(yīng)將現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功耗、新增5G設(shè)備功耗和蓄電池補充電負荷累加計算獲得。

1.配電設(shè)備容量計算

在5G基站電源配套設(shè)計中，需要通過計算以下幾項指標，進而選擇相應(yīng)電源設(shè)備容量。

交流外市電容量=現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功耗（實際值）+5G設(shè)備功耗（最大值）+空調(diào)能耗值+蓄電池補充電功耗值

直流開關(guān)電源系統(tǒng)容量=現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功耗（實際值）+5G設(shè)備功耗（典型值）+蓄電池補充電功耗值

蓄電池容量=現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備功耗（實際值）+5G設(shè)備功耗（典型值）

2.負荷系數(shù)確定

用電負荷是設(shè)備選型基礎(chǔ)指標，需要正確計算。在計算過程中，應(yīng)該結(jié)合設(shè)備運行特性，而不是簡單累加，需要考慮負荷系數(shù)，否則配置電源設(shè)備較大。對于5G建設(shè)，用電設(shè)備冗余量是體現(xiàn)設(shè)計精度的要點。

結(jié)合工程特點，負荷系數(shù)主要考慮需用系數(shù)和同時系數(shù)，其各自的定義如下。

（1）需用系數(shù)：是一個綜合系數(shù)，它標志著用電設(shè)備組投入運行時，從供電網(wǎng)絡(luò)實際取用的功率與用電設(shè)備組設(shè)備功率之比;主要考慮設(shè)備未必全部在滿負荷情況下運行。

（2）同時系數(shù)：在多臺設(shè)備運行時，各設(shè)備同時運行時的最大功率與各設(shè)備最大運行功率之和的比值。常用系數(shù)取定：0.7～0.8。

其中：需用系數(shù)一般是經(jīng)過大量實測數(shù)據(jù)積累得到的，并且隨著工藝進步、技術(shù)發(fā)展而變化。各廠商在5G設(shè)備節(jié)能優(yōu)化方面也都力求通過新材料、新技術(shù)加以改進。如，采用熱管和石墨烯的先進散熱技術(shù)，使用低功耗芯片、高效電路設(shè)計，推出新一代AAU和BBU，比早期產(chǎn)品功耗降低不少。某廠商預(yù)言，未來的AAU可以從最初1300 W降到800 W水平。

對于局房類項目，用電設(shè)備比較多，配電系統(tǒng)也比較復(fù)雜的情況下，通常計算在末端考慮需用系數(shù)，同時系數(shù)在變壓器和干線（可能逐級）考慮同時系數(shù)。

（二）電力電纜的選擇

按照用途分類，電力電纜包括交流、直流、接地線、密集母線等。下面主要介紹通信基站所涉及的交流、直流和接地線的選擇。

1.交流線纜截面積選擇方法

交流線的選擇依據(jù)包括：機械強度允許的導(dǎo)線最小截面、允許溫升、經(jīng)濟電流密度、允許電壓損失和導(dǎo)線允許截流量。一般（常用）使用“導(dǎo)線允許載流量”。

交流線纜應(yīng)用場景影響因素：若敷設(shè)環(huán)境有要求，需要考慮“機械強度”;若線纜距離比較長，則需要考慮“電壓損失”;若敷設(shè)方式不同，則需要考慮不同的土壤熱阻系數(shù)、不同敷設(shè)方式下多根并聯(lián)、不同環(huán)境溫度等不同敷設(shè)條件下的修正系數(shù)。

交流線纜選擇基本步驟：

先計算出負載電流，然后查詢參考電纜載流量表來選擇導(dǎo)線截面積。

（1）單相負載設(shè)備

式中： P—設(shè)備功率（W），Ip—單相相電流（A），cosφ—功率因數(shù)

（2）三相負載設(shè)備

式中： P—基站總功率（W），Ip—相電流（A），cosφ—功率因數(shù)86C2FDBD-112A-400C-9257-4AC0B06A0F5A

當選定電纜適用場景時，建議與規(guī)范附表的導(dǎo)線載流量進行校核。設(shè)計規(guī)范綜合了多個線纜廠家的產(chǎn)品性能，具有一定權(quán)威性。

通信基站外電引入距離比較長，需要校核設(shè)備端的電壓降。在計算電壓降時，應(yīng)參照功率、電流、電阻直線關(guān)系。但是用電設(shè)備多數(shù)是非線性，具有一定功率因數(shù)。所以在三相、單相交流線纜計算電壓損失時，不僅有導(dǎo)線電阻的影響，還需要考慮導(dǎo)線感抗。

2.直流線纜截面積選擇方法

在直流線纜截面選擇時，對于-48V直流電源系統(tǒng)，導(dǎo)線載流量基本都能夠滿足需求，由于-48V電壓比較低，壓降損失是主要因素，所以，直流線纜選擇導(dǎo)線截面是按照分配壓降法。

3.接地線

對于保護接地線，不是直接計算，而是與用電設(shè)備功率相關(guān)聯(lián);對于直流系統(tǒng)保護線，是由所在配電系統(tǒng)的位置所決定。

三、5G基站電源新產(chǎn)品方案

（一）5G基站新型電源應(yīng)用

現(xiàn)今通信電源設(shè)備已逐步向模塊化、小型化的趨勢發(fā)展。目前，由于5G設(shè)備功耗比較大，對存量站點的電源系統(tǒng)具有較大沖擊，為此，通信基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)商（鐵塔公司）推行精細化設(shè)計，降本增效，促使電源設(shè)備廠商推出各類創(chuàng)新產(chǎn)品以滿足5G建設(shè)需求。

1.智能電源

應(yīng)用場景：基站電源容量有冗余能夠滿足新增5G設(shè)備需求，但需要對多運營商多系統(tǒng)進行差異化供電。傳統(tǒng)電源系統(tǒng)只有一次下電功能，無法實現(xiàn)多家運營商獨立計量、差異化下電。

疊加5G智能電源方案是指在現(xiàn)有開關(guān)電源基礎(chǔ)上，不新增機柜，也不改動原有基站設(shè)備接線，直接利用開關(guān)電源（或其他綜合柜）的空余空間，疊加一個5G智能電源模塊（約4U）增容，從而實現(xiàn)5G設(shè)備平滑接入，達到簡單快速交付效果。

以華為的5G智能模塊（華為5G一體化嵌入式電源）舉例，智能模塊整體容量為450A，支持每家電信企業(yè)125A×3，63A×2直流輸出，滿足3家電信企業(yè)1BBU+3AAU部署要求，且具有智能削峰、智能升壓、新舊電池混用等特性。適用于擴容安裝空間緊缺、RRU拉遠供電、市電容量不滿足基站高峰用電等場景。

2.智能備電開關(guān)/控制器

應(yīng)用場景：在現(xiàn)有開關(guān)電源基礎(chǔ)上，外置一個智能備電開關(guān)/控制器，市電停電后，開關(guān)/控制器對5G進行第一時間下電，從而確保現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先備電。

3.電池共用管理器

規(guī)范規(guī)定，新舊電池不能混用。而電池共用管理器（或電池合路器）可以控制多組電池的充、放電電流，保持每組電池都能平衡工作，充電時可以共同充電也可以分開充電，放電時則為多組電池共同放電。從而實現(xiàn)對每組電池充、放電過程的獨立管理。通過對電池的充放電階段的主動控制，解決不同品牌、不同批次、不同型號、不同容量電池的并聯(lián)應(yīng)用問題

應(yīng)用場景：對于存量蓄電池冗余容量無法滿足5G備電需求的站點，若采用新增獨立開關(guān)電源和蓄電池的方案，雖然方案簡單但造價很高。

電池共用管理器方案可應(yīng)用范圍廣，在共享利用存量開關(guān)電源的同時，實現(xiàn)備電電池擴容。在新增蓄電池的情況下，無需新增開關(guān)電源，并可實現(xiàn)對新舊蓄電池的同步充電。

4.差異化備電設(shè)備

為了解決存量開關(guān)電源無法支撐差異化備電和5G用電單獨計量需求，前期缺乏替代產(chǎn)品和方案，多數(shù)站址均通過新增蓄電池滿足5G備電需求，存量蓄電池共享利用率低。

應(yīng)用場景：（1）蓄電池冗余容量滿足存量3小時+5G 1小時備電需求。（2）開關(guān)電源系統(tǒng)容量滿足擴容需求，且不具備分級下電功能。

差異化備電產(chǎn)品方案（分級下電）：可按時長、電壓、電量、時間等邏輯，針對不同設(shè)備進行分級下電，共享利用存量蓄電池。安裝靈活，支持19寸機柜及導(dǎo)軌等多種安裝方式。

5.新鋰電池（對應(yīng)梯次電池）應(yīng)用

蓄電池主要功能是儲存電能，為基站提供后備電源;按功能分為備電和儲能;按技術(shù)分為鉛酸、鉛碳、鐵鋰等，目前，通信基站主用鉛酸電池、梯次電池、新鋰電。

（1）新鋰電池特點

新鋰電相比鉛酸電池，具有體積小、重量輕、耐高溫、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保等特點，同時具備氣溶膠等消防設(shè)備，契合當前5G系統(tǒng)對備電電池的訴求。

鋰電池容量規(guī)格：標稱電壓為51.2V，支持1C充放電，額定容量主要包括20Ah、50Ah、100Ah、150Ah、200Ah;按照每套5G系統(tǒng)額定功耗3500W，額定電壓48V，備電需求1小時測算，鋰電池配置容量為100Ah。

（2）新鋰電池應(yīng)用場景

新鋰電的高循環(huán)、大電流性能，可支持其在基站常規(guī)備電、市電差備電、離網(wǎng)光伏儲能、削峰填谷儲能、微站電源等多場景和工況下應(yīng)用。

（二） 5G基站電源產(chǎn)品創(chuàng)新方案

針對5G建設(shè)需求，電信基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商不斷推出創(chuàng)新電源產(chǎn)品方案，降低擴容改造和新建基站配套成本。

1.微站電源

（1）產(chǎn)品類型：5G-單AAU供電型;5G-3個AAU供電型。

（2）產(chǎn)品特點：免維護設(shè)備，支持掛墻、掛桿等安裝方式，自然冷源降溫，效率高。實現(xiàn)基站無“機房”化，省去機柜、空調(diào)等配套設(shè)備投資。

（3）應(yīng)用場景：1）AAU拉遠站：可根據(jù)遠端AAU數(shù)量靈活選擇產(chǎn)品、就近安裝。2）燈桿站：掛桿安裝，免去機柜，實現(xiàn)環(huán)境友好型建設(shè)。

2.智能鋰電

（1）產(chǎn)品方案：電芯+BMS+DC/DC，協(xié)議開放，異廠商互聯(lián)。

（2）產(chǎn)品特點：集成度高，兼容了合路器功能，不同電池之間直接并聯(lián)，擴容簡單;削峰填谷，實現(xiàn)對電池的智能化評估，利用鋰電高循環(huán)特性，削峰填谷，節(jié)約電費。

（3）應(yīng)用場景 ：1）多用戶共享基站：可免裝合路器，實現(xiàn)模塊化擴容;2）削峰場景：有峰谷電價或市電少量不足的基站。

3.高壓直流（750V）

（1）產(chǎn)品方案：本地高壓直流集中供電+AAU側(cè)遠供電方案，推出大容量高壓直流設(shè)備規(guī)范。

（2）產(chǎn)品特點：1）改造成本低：遠端基站市電、電源免改造，部分基站可利用原有低壓供電線路;2）備電成本低：集中備電，集中發(fā)電，減少總備電電池數(shù)量和發(fā)電基站數(shù)量。

（3）應(yīng)用場景：1）現(xiàn)有基站改造：現(xiàn)有燈桿站、拉遠站等220V供電基站，解決壓降問題;2）C-RAN場景：為周邊基站AAU提供集中供電。

四、結(jié)束語

5G基站建設(shè)正在如火如荼地進行，而5G基站對于電源配套的需求大幅增加，為基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商帶來巨大的挑戰(zhàn)。本課題通過對5G基站電源配套設(shè)計的關(guān)鍵點和設(shè)計要點作為切入，對設(shè)備選型和線纜截面所涉及的知識點進行深度分析，并介紹了5G基站電源配套的多種創(chuàng)新方案和產(chǎn)品，有利于設(shè)計人員拓展思路，以保證設(shè)計成果與時俱進。

參? 考? 文? 獻

[1] 5G電源配套及創(chuàng)新產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)要點（2020年09月）.

[2]國標GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》.

[3]中國聯(lián)通微型DC新技術(shù)試驗總結(jié).

[4]國標GB 51215-2017《通信高壓直流電源設(shè)備工程設(shè)計規(guī)范》.

[5]王利果，朱雪麗，李巧玲.探討5G移動基站電源精細化設(shè)計思路[J].電信快報 ， 2020. （10）期86C2FDBD-112A-400C-9257-4AC0B06A0F5A