湯江暉,蘇子云,王迎秋,趙猛,劉傳飛,徐杰彥
(1.國(guó)網(wǎng)(北京)綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 102699;2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司,天津 300090)
2018年12月召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確提出了“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”這一概念,由此,在“新基建”這一概念中位列第一的5G基站建設(shè)得到飛速發(fā)展。截至2021年年底,我國(guó)已建成開通142萬(wàn)多個(gè)5G基站[1],由于5G基站使用了64/32通道大規(guī)模天線設(shè)備,該設(shè)備的復(fù)雜度相較于4G基站通信設(shè)備高出許多,這也使得5G基站的功耗大大提升,隨著通信基站數(shù)目不斷增多,越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注通信基站的能耗問(wèn)題。
在傳統(tǒng)基站能耗模型方面,大多數(shù)研究聚焦于基站通信設(shè)備的模型建立。文獻(xiàn)[2]研究了基站業(yè)務(wù)與其功率的關(guān)系,在對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后提出了宏基站靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗的模型;文獻(xiàn)[3]對(duì)基站能耗設(shè)備進(jìn)行了分類整理,得出了基站各能耗設(shè)備的能耗占比,但未分析用戶接入數(shù)量對(duì)通信設(shè)備能耗的影響;文獻(xiàn)[4]對(duì)基站能耗設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)分類,提出了基站通信設(shè)備的能耗模型,該模型較為精細(xì)但該研究未提出包括空調(diào)設(shè)備在內(nèi)的基站其余負(fù)荷的計(jì)算方法;文獻(xiàn)[5]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出了5G基站AAU設(shè)備的能耗模型,但未提出5G基站通信設(shè)備整體的能耗模型;文獻(xiàn)[6]通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)接入用戶數(shù)量曲線明顯受到其所在區(qū)域影響,如在周末,居民區(qū)的接入用戶數(shù)量明顯高于工作日,在工作區(qū)這種情況正好相反。
因基站內(nèi)設(shè)備全年不間斷運(yùn)行,所以即使在冬天,部分基站的空調(diào)仍然一直在提供制冷服務(wù),空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、能耗大,參與需求響應(yīng)的調(diào)控潛力巨大。文獻(xiàn)[7]利用能耗模擬軟件對(duì)建筑中的人用能行為及全年能耗進(jìn)行潛力分析,結(jié)果表明空調(diào)有較高的可調(diào)節(jié)負(fù)荷;在空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)方式方面,文獻(xiàn)[8]針對(duì)單臺(tái)變頻空調(diào)在綜合溫控和頻率控制方式的基礎(chǔ)上,提出了一種考慮時(shí)間約束的頻率控制方法,設(shè)計(jì)了一種空調(diào)削峰控制算法,通過(guò)算例證明了該方法削峰的有效性;文獻(xiàn)[9]為平衡負(fù)荷控制準(zhǔn)確性和用戶用電自主性,依托區(qū)塊鏈技術(shù),提出了一種基于用電權(quán)的需求響應(yīng)機(jī)制,算例仿真表明該機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的負(fù)荷削減目標(biāo);文獻(xiàn)[10]針對(duì)公共樓宇用電負(fù)荷提出了樓宇可控負(fù)荷的全局控制策略,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證分析表明樓宇空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)具有巨大的調(diào)節(jié)潛力。
隨著5G的大規(guī)模商用,移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入了新的發(fā)展賽道,基于國(guó)家“雙碳”目標(biāo),業(yè)界也出現(xiàn)了“基站智能關(guān)斷”、“地埋降溫”等一些主動(dòng)式低碳方式。然而,針對(duì)基站空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的潛力評(píng)估有待進(jìn)一步研究。故本文首先對(duì)基站主要用電設(shè)備建模,分析其能耗計(jì)算方法,得出基站用電設(shè)備參與需求響應(yīng)后的負(fù)荷求解模型;其次,考慮5G宏基站以通信設(shè)備通道關(guān)斷方式助力空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng),并以典型日負(fù)荷曲線為例,對(duì)通道關(guān)斷方式下基站空調(diào)負(fù)荷的需求響應(yīng)潛力進(jìn)行評(píng)估。
5G基站設(shè)備主要包括供電設(shè)備和通信設(shè)備兩類,此外還包括照明、空調(diào)設(shè)備等。通信設(shè)備主要包括有源天線單元(active antenna unit,AAU)、基帶單元(base band unit,BBU)和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。5G基站的典型組成如圖1所示。
圖1 5G基站的組成Fig.1 Components of 5G base station
基站設(shè)備一般放置在機(jī)房或機(jī)柜中,主要采用空調(diào)進(jìn)行降溫,基站空調(diào)常年設(shè)定為25℃且連續(xù)開啟以將基站室內(nèi)溫度控制在基站設(shè)備正常工作溫度范圍內(nèi),作為基站第二大用電設(shè)備的空調(diào)系統(tǒng),其負(fù)荷具有一定的調(diào)節(jié)靈活性,因此可挖掘其參與需求響應(yīng)的潛力。
通信設(shè)備負(fù)責(zé)收發(fā)無(wú)線信號(hào),對(duì)于信號(hào)進(jìn)行處理,并接入5G核心網(wǎng),是移動(dòng)終端與5G網(wǎng)絡(luò)間的接口[11]。BBU的作用是對(duì)接入基站的用戶移動(dòng)通信的基帶信號(hào)進(jìn)行處理,用以完成各類數(shù)據(jù)的編碼、校驗(yàn)、糾錯(cuò)等任務(wù);AAU的作用是實(shí)現(xiàn)射頻的調(diào)制與解調(diào)制、發(fā)射與接收等。因此,5G宏基站通信設(shè)備負(fù)荷需求主要來(lái)自基帶BBU與射頻AAU[12]。
空調(diào)所在房屋屋內(nèi)與外界環(huán)境的冷熱交互過(guò)程如圖2所示。影響室內(nèi)溫度的因素主要包括外界太陽(yáng)輻射、通過(guò)建筑表面(如墻壁、地板以及房頂?shù)龋┡c外界的熱交換、室內(nèi)用電設(shè)備散熱、空調(diào)啟停等。
圖2 空調(diào)房屋內(nèi)外熱交換示意圖Fig.2 Heat exchange inside and outside of an airconditioned house
等效熱參數(shù)(equivalent thermal parameters,ETP)建模法在研究中常用來(lái)對(duì)空調(diào)負(fù)荷建模。若忽略墻壁內(nèi)外溫度差、屋內(nèi)氣體與固體溫度差等影響較小的參數(shù),則可將該模型簡(jiǎn)化為空調(diào)系統(tǒng)的一階ETP模型,如圖3所示。
圖3空調(diào)負(fù)荷一階ETP模型Fig.3 First-order ETP model of air conditioning load
圖3:C為等效熱阻,℃/W;R為等效熱容,J/℃;Q為空調(diào)機(jī)組制冷/制熱功率,W;To為室外溫度,℃;Tr為室內(nèi)氣體溫度,℃。
由該一階ETP模型推得的函數(shù)表示如下[13—14]
式中:Tr、To分別為室內(nèi)、室外溫度;H為等效熱導(dǎo);C為等效熱容,為仿真系統(tǒng)的時(shí)間步長(zhǎng);Q為溫控負(fù)荷提供的熱能。
基站空調(diào)設(shè)備的總熱負(fù)荷Qt的計(jì)算公式為
式中:k1為基站所在地區(qū)的制冷系數(shù),一般取值為[0.9,1.1];k2為開關(guān)電源工作熱效率補(bǔ)償系數(shù);Q1為通信設(shè)備熱負(fù)荷,kW,為通信設(shè)備功率Pt的0.8倍;Q2為建筑結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷,kW;Qs為單位面積熱負(fù)荷,kW/m2;Sj為機(jī)房面積,m2。
基站空調(diào)設(shè)備的實(shí)時(shí)功率Pc由其總熱負(fù)荷Qt及其能效比η決定,由式(2)可知,Pc的計(jì)算公式為
一般情況下,5G宏基站通信設(shè)備主要由1個(gè)基帶處理單元及與之配套的3個(gè)有源天線單元構(gòu)成[15]。由式(2)可知,基站總熱負(fù)荷受到通信設(shè)備功率影響,且二者基本呈線性相關(guān),而基站通信設(shè)備的實(shí)時(shí)功率又與基站的無(wú)線利用率(即當(dāng)前用戶接入數(shù)量/總可接入用戶數(shù)量)相關(guān)。某廠家基站設(shè)備在獨(dú)立5G場(chǎng)景下單個(gè)AAU與BBU功耗的測(cè)試數(shù)據(jù)[16]如表1所示,基帶BBU功耗在不同無(wú)線利用率情況下只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng),為方便計(jì)算可近似看作定值,取表1中數(shù)據(jù)的平均值323.2 W為基帶BBU的功耗。
表1 某廠家基站設(shè)備單個(gè)AAU與BBU功耗測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Power consumption test data of single AAU and BBU of a manufacturer’s base station equipment
由表1中數(shù)據(jù)及5G宏基站通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成可知,5G宏基站的無(wú)線利用率與其通信設(shè)備的能耗之間的關(guān)系可由圖4表示。
圖4 基站通信設(shè)備能耗與無(wú)線利用率關(guān)系Fig.4 Relationship between energy consumption and wireless utilization rate of base station communication devices
設(shè)x為自變量,y為因變量,且y與x呈線性相關(guān),則對(duì)于數(shù)組(xi,yi)(i∈[1,n]),有
將圖4中各點(diǎn)數(shù)據(jù)代入式(4)中,可求出k、b分別為1.506 3與2.390 1,故5G宏基站通信設(shè)備的負(fù)荷模型可表示為
式中:Pt為t時(shí)刻5G宏基站通信設(shè)備的功率,kW;xt為t時(shí)刻通信設(shè)備的無(wú)線利用率。
確定系數(shù)R2作為度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量,其計(jì)算公式為
式中:Q為y的回歸平方和;Syy為y的總平方和;yi為計(jì)算值;yˉ為平均值。
上述線性回歸模型的確定系數(shù)R2為0.991 6,若R2與1的差值越小,則表明所求模型的擬合程度越為理想。故說(shuō)明5G宏基站通信設(shè)備功率與無(wú)線利用率的線性度較好。
基站空調(diào)設(shè)備可以通過(guò)負(fù)荷中斷、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等方式作為一種可調(diào)節(jié)的負(fù)荷參與需求響應(yīng)。若給通信基站安裝終端控制器,在電網(wǎng)需要通過(guò)需求響應(yīng)來(lái)削峰填谷時(shí),由控制中心向通信基站的終端控制器發(fā)送需求響應(yīng)開啟與截止時(shí)間等信息,通信基站在接收到上述信息后,通過(guò)調(diào)高溫度設(shè)定或進(jìn)行啟??刂茖?shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷的削減來(lái)參與需求響應(yīng)[17]。下文采用啟??刂频姆椒ㄊ够究照{(diào)參與需求響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)自身負(fù)荷的削減。
若將基站室內(nèi)溫度設(shè)定在[Tmin,Tmax]之間,則可通過(guò)控制空調(diào)系統(tǒng)的啟停來(lái)實(shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng),如圖5所示。
圖5 設(shè)定溫度區(qū)間的空調(diào)啟停示意圖Fig.5 Air conditioning start and stop in the set temperature range
空調(diào)負(fù)荷的溫度控制策略可以表示為
式中:Tmax、Tmin分別為設(shè)定的上下限工作溫度。當(dāng)S(t)取1時(shí),表示當(dāng)前空調(diào)設(shè)備開啟,當(dāng)S(t)取0時(shí),表示當(dāng)前空調(diào)設(shè)備關(guān)閉。
由此,空調(diào)負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率可表示為
若在一次啟停控制周期τc之內(nèi)室外溫度To不變,則由式(4)可以推出,空調(diào)關(guān)閉后,室溫由Tmin升至Tmax時(shí)所需提供的熱能Qx為
空調(diào)開啟后,室溫由Tmax降至Tmin時(shí)所需減少的熱能Qn為
由式(10)與式(2)可知,在一次啟停周期內(nèi),空調(diào)設(shè)備最大啟時(shí)長(zhǎng)τon和最大停時(shí)長(zhǎng)τoff分別為
式中:Qt為基站熱負(fù)荷,Qc基站空調(diào)最大冷負(fù)荷。
在一次總時(shí)長(zhǎng)為t的啟??刂泼钪?,假設(shè)單次啟??刂苾?nèi)室外溫度不變,則在時(shí)段t內(nèi)空調(diào)設(shè)備的需求響應(yīng)潛力Qa為
式中:n為t時(shí)段內(nèi)總關(guān)停次數(shù);Pc為基站空調(diào)實(shí)時(shí)功率。
多基站設(shè)備的功耗管理也是基站參與需求響應(yīng)的前提之一,其可提供一定的基站功耗調(diào)節(jié)空間,減少電費(fèi)支出,針對(duì)5G基站通信設(shè)備能耗過(guò)高這一問(wèn)題提出的節(jié)能方法大致可分為設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)與網(wǎng)絡(luò)級(jí)3層[18]。本文采用站點(diǎn)層通道關(guān)斷的方式實(shí)現(xiàn)基站通信設(shè)備的功耗管理并對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行測(cè)算。通道關(guān)閉及能耗計(jì)算流程圖如圖6所示。
圖6 AAU通道關(guān)斷模式及負(fù)荷計(jì)算流程Fig.6 Flow of AAU channel shutdown mode and load calculation
圖6中,R1、R2分別表示所設(shè)定的關(guān)斷1個(gè)AAU通道和2個(gè)AAU通道時(shí)的無(wú)線利用率,本文取R1為60%,R2為30%,Y為通信設(shè)備負(fù)荷,Ptas為采取通道關(guān)斷方式后的負(fù)荷。由式(5)可知,當(dāng)開啟通道關(guān)斷模式后,5G宏基站通信設(shè)備在不同無(wú)線利用率下的負(fù)荷模型為
由于用戶通信需求的變化,移動(dòng)用戶的通信需求在時(shí)間維度上呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性,同時(shí),因5G宏基站通信負(fù)載的變化,基站覆蓋區(qū)域的設(shè)備功耗在工作日和休息日有所區(qū)別,本文選取天津某覆蓋區(qū)域主要由居民區(qū)組成的5G宏基站2021年典型工作日及休息日的負(fù)荷曲線如圖7所示。
圖7 基站典型日負(fù)荷曲線Fig.7 Load curve of base station in a typical day
在開啟智能通道關(guān)斷操作后,該基站在工作日與休息日的射頻AAU開啟情況如圖8所示。
圖8 開啟智能通道關(guān)斷模式前后射頻AAU開啟數(shù)量Fig.8 Turn-on number of RF AAUs before and after the intelligent channel shutdown mode
由于通道關(guān)斷前的典型工作日無(wú)線利用率在任意時(shí)刻均低于60%,故執(zhí)行智能通道關(guān)斷操作后,工作日中有一個(gè)射頻AAU設(shè)備始終處于關(guān)斷狀態(tài);而由于通道關(guān)斷前的典型休息日無(wú)線利用率在10:00、19:00、20:00的無(wú)線利用率大于60%,故在這3個(gè)時(shí)刻3個(gè)射頻AAU設(shè)備同時(shí)處于開啟狀態(tài)。結(jié)合式(14)可知,執(zhí)行智能通道關(guān)斷操作,該基站在工作日單日節(jié)省的電量為21.879 kWh,在休息日單日節(jié)省的電量為19.227 kWh,用電量的減少能夠使空調(diào)負(fù)荷更加靈活地參與需求響應(yīng)。
現(xiàn)行的《通信中心機(jī)房環(huán)境條件要求》規(guī)定普通基站機(jī)房溫度范圍為10~30℃[19],由于無(wú)人值守,站內(nèi)空調(diào)24 h以25℃的設(shè)定溫度持續(xù)運(yùn)行,基站機(jī)房等效熱導(dǎo)H為50.52 W/℃,等效熱容C為288 J/℃。
假設(shè)該基站以空調(diào)設(shè)備啟??刂频姆绞皆?:00—12:00、16:00—21:00這兩個(gè)高峰時(shí)段內(nèi)各參與一次直接負(fù)荷控制這一基于激勵(lì)的需求響應(yīng),每次響應(yīng)持續(xù)時(shí)間為30 min,在9:00—12:00這一時(shí)間段內(nèi),工作日選擇在11:00參與需求響應(yīng),此時(shí)室外溫度為35℃,休息日選擇在10:00參與需求響應(yīng),此時(shí)室外溫度為34℃;在16:00—21:00這一時(shí)段內(nèi),工作日與休息日均選擇在20:00參與需求響應(yīng),此時(shí)室外溫度為32℃,參與需求響應(yīng)前空調(diào)設(shè)備均為開啟狀態(tài),機(jī)房室內(nèi)溫度均為25℃,將Tmax、Tmin分別設(shè)置為30℃、25℃,由式(9)—式(12)可求出兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的總關(guān)停時(shí)長(zhǎng)。
(1)不開啟智能通道關(guān)斷。
基站通信設(shè)備不開啟智能通道關(guān)斷時(shí),空調(diào)設(shè)備的關(guān)停時(shí)長(zhǎng)如表2所示。
表2 不開啟智能通道關(guān)斷,基于激勵(lì)的空調(diào)設(shè)備關(guān)停時(shí)長(zhǎng)Table 2 Turn-off intelligent channel shutdown mode,on/off time period of air conditioning in demand respond based on incentive
(2)開啟智能通道關(guān)斷。
基站通信設(shè)備開啟智能通道關(guān)斷時(shí),空調(diào)設(shè)備的關(guān)停時(shí)長(zhǎng)如表3所示。
表3 開啟智能通道關(guān)斷,基于激勵(lì)的空調(diào)設(shè)備關(guān)停時(shí)長(zhǎng)Table 3 Turn-on intelligent channel shutdown mode,on/off time period of air conditioning in demand respond based on incentive
從2次結(jié)果對(duì)比可以看出,通信設(shè)備開啟智能通道關(guān)斷后,射頻AAU開啟數(shù)量減少,通信設(shè)備散熱有所下降,因此,空調(diào)關(guān)停時(shí)長(zhǎng)有所延長(zhǎng),有助于空調(diào)設(shè)備進(jìn)行啟??刂茀⑴c需求響應(yīng),提升了空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)的潛力。
考慮到頻繁啟停對(duì)基站空調(diào)設(shè)備的損害以及溫度升高對(duì)基站通信設(shè)備與備用電源的影響問(wèn)題,本文對(duì)基站空調(diào)設(shè)備采用基于激勵(lì)的直接負(fù)荷控制模式,該基站在對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行啟停控制參與需求響應(yīng)的同時(shí),站內(nèi)通信設(shè)備全天候采用智能通道關(guān)斷運(yùn)行模式,則考慮通道關(guān)斷的空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)前后的基站典型日負(fù)荷對(duì)比曲線如圖9所示。
圖9 基站典型日負(fù)荷對(duì)比曲線Fig.9 Load curves of comparison the base station in a typical day
由于通道關(guān)斷模式設(shè)置的關(guān)閉一個(gè)射頻AAU時(shí)的R1為60%,而在典型休息日的10:00、19:00與20:00的無(wú)線利用率均高于60%,這3個(gè)時(shí)段內(nèi)沒(méi)有射頻AAU關(guān)閉,而這兩個(gè)時(shí)段的前后時(shí)段的無(wú)線利用率均低于60%,關(guān)閉了一個(gè)射頻AAU,故休息日負(fù)荷曲線在這兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了“尖峰”特性,且在19:00空調(diào)系統(tǒng)并未進(jìn)行啟??刂疲试摃r(shí)刻的負(fù)荷值相較于之前未發(fā)生變化。
該基站采用的天津市一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分及電價(jià)如圖10所示。
圖10 天津市分時(shí)電價(jià)Fig.10 Time-of-use power price in Tianjin
其中,高峰電價(jià)時(shí)段內(nèi)用電價(jià)格為1.107 6元/kWh;平電價(jià)時(shí)段內(nèi)用電價(jià)格為0.761 5元/kWh;低谷電價(jià)時(shí)段內(nèi)用電價(jià)格為0.387 8元/kWh。故該5G宏基站在考慮通道關(guān)斷的空調(diào)負(fù)荷參與需求響應(yīng)前后的每日用電量及電量電費(fèi)節(jié)省如表4所示,工作日單日電量節(jié)省了17.56%,休息日單日電量節(jié)省了15.16%。
表4 基站日用電量及電費(fèi)對(duì)比Table 4 Comparison of daily electricity consumption and electricity cost of the base station
綜上,在用電高峰時(shí)段,開展如通道關(guān)斷、空調(diào)負(fù)荷需求響應(yīng)等方式,適當(dāng)減少用電高峰負(fù)荷,以減少發(fā)電容量的需求,同時(shí),5G基站參與需求響應(yīng)也是降低用電成本的潛在途徑,可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的成本節(jié)約。
在“雙碳”背景下,5G基站的大規(guī)模部署及5G基站設(shè)備能耗的驟增導(dǎo)致的基站用電量過(guò)高問(wèn)題已不容忽視。本文主要研究了圍繞基站主要能耗設(shè)備的建模與優(yōu)化運(yùn)行,具體結(jié)論如下:
(1)分析基站通信設(shè)備的能耗和智能通道關(guān)斷原理,建立其能耗模型,通過(guò)對(duì)無(wú)線利用率的分析發(fā)現(xiàn)基站通信設(shè)備能耗和無(wú)線利用率是線性相關(guān)的;
(2)建立了空調(diào)設(shè)備的一階等效ETP模型,分析了基站空調(diào)的冷/熱負(fù)荷,研究了基站空調(diào)負(fù)荷根據(jù)設(shè)定溫度的范圍,通過(guò)啟停控制的方式參與需求響應(yīng),算例分析結(jié)果得到單臺(tái)空調(diào)在需求響應(yīng)時(shí)段參與需求響應(yīng)的潛力約為0.3 kW;
(3)5G宏基站的負(fù)荷具有典型的時(shí)間特性,天津某基站典型日負(fù)荷的算例結(jié)果表明,通信設(shè)備實(shí)施智能通道關(guān)斷及空調(diào)設(shè)備實(shí)施啟??刂凭哂休^好的減少用電高峰的效果,同時(shí),基站通信設(shè)備實(shí)施智能通道關(guān)斷提升了空調(diào)設(shè)備參與需求響應(yīng)的潛力,單臺(tái)空調(diào)的需求響應(yīng)潛力提升了3%。D