5G時(shí)代背景下通信機(jī)房UPS電源設(shè)計(jì)的解決思路

許 亮，鄧 超

（湖北省郵電學(xué)校，湖北 武漢 430079）

0 引 言

電源是通信系統(tǒng)的心臟，是保證通信系統(tǒng)各部分正常運(yùn)行的關(guān)鍵，在通信系統(tǒng)中有著無(wú)可替代的作用。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，通信系統(tǒng)對(duì)電源供應(yīng)提出了更高的要求。由于5G網(wǎng)絡(luò)采用超密集組網(wǎng)技術(shù)，基站數(shù)量不斷增加，電源需求也必然不斷增加，特別是小型、微型站點(diǎn)獲得爆炸式增長(zhǎng)，造成站點(diǎn)的電力引入困難。同時(shí)，已建基站機(jī)房空間相對(duì)有限，電源系統(tǒng)的改建、擴(kuò)建困難，而基站機(jī)房數(shù)量增多，同樣也需要更可靠、高效的電源。因此，基站電源解決方案的重要性不言而喻，為確保5G基站的正常穩(wěn)定運(yùn)行，必須提高基站機(jī)房電源的可靠性、安全性以及高效性。

1 5G通信機(jī)房中UPS電源的建設(shè)

1.1 UPS電源的選擇和配置

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）按照工作模式不同可以劃分為后備式、在線式以及在線互動(dòng)式3大類。在通信機(jī)房運(yùn)行的過程中，對(duì)于電源的性能、參數(shù)要求較高，為了保障機(jī)房能夠穩(wěn)定工作，需要結(jié)合使用需求選擇最佳的電源設(shè)備。核心機(jī)房運(yùn)行過程中，電源時(shí)刻都在工作，幾乎沒有轉(zhuǎn)切換時(shí)間，因此一般使用的UPS電源基本上都是在線式。

現(xiàn)階段，市場(chǎng)中的UPS設(shè)備種類較多，在線式設(shè)備的價(jià)格較高，但是使用過程中的性能、穩(wěn)定性較強(qiáng)。在通信機(jī)房電源設(shè)備選擇時(shí)需要甄別不同型號(hào)和參數(shù)的設(shè)備，根據(jù)容量、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件，選擇質(zhì)量?jī)?yōu)良、品牌社會(huì)口碑較好的電源設(shè)備。UPS電源的容量單位為kVA。在設(shè)備配置過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一便是電源能夠承擔(dān)的功率，即電源的視在功率，而后需要保證功率因子的參數(shù)為0.8～1，這個(gè)數(shù)值能夠通過UPS設(shè)備的參數(shù)表進(jìn)行查詢。最后，需要確保電源的通信負(fù)載功率是額定功率的70%左右，即要求逆變器的轉(zhuǎn)換效率滿足基本要求，這樣才能夠有效降低電源使用過程中出現(xiàn)故障的頻率，也能夠根據(jù)電源視在功率、功率因子以及逆變器轉(zhuǎn)換效率這3個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出UPS電源的總體容量[1]。

1.2 UPS電源的環(huán)境要求

在通信機(jī)房中，UPS電源應(yīng)當(dāng)放置在整潔、干燥、通風(fēng)的區(qū)域中，機(jī)房溫度為20～25 ℃，濕度為40%～50%。此環(huán)境下，UPS電源能夠獲得運(yùn)行的最佳狀態(tài)。在機(jī)房建設(shè)的過程中需要安裝溫度計(jì)、濕度計(jì)以及空調(diào)等，便于技術(shù)人員在檢驗(yàn)過程中調(diào)整機(jī)房的干濕度，為設(shè)備運(yùn)行營(yíng)造良好的空間。此外，在機(jī)房建設(shè)過程中不可或缺的設(shè)備還有防雷裝置，并且配合穩(wěn)定的接地設(shè)施，能夠在雷雨天中保證機(jī)房設(shè)備安全。

1.3 UPS電源在通信基站中的設(shè)計(jì)

基站電源系統(tǒng)主要采用220 V/380 V交流市電引入加通信機(jī)房電源的模式。這種模式主要由市電電源系統(tǒng)、交流配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)以及后備發(fā)電系統(tǒng)組成。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，按照目前對(duì)設(shè)備用電的需求，會(huì)對(duì)直流設(shè)備使用雙電源系統(tǒng)進(jìn)行供電，對(duì)交流設(shè)備則使用UPS并機(jī)系統(tǒng)，或使用UPS-2N系統(tǒng)對(duì)機(jī)房進(jìn)行供電，從而避免了主用與備用網(wǎng)元設(shè)備同時(shí)掉線的風(fēng)險(xiǎn)[2]。為了能夠提高通信機(jī)房運(yùn)行時(shí)的安全穩(wěn)定性，絕大多數(shù)直流供電系統(tǒng)均使用雙電源系統(tǒng)進(jìn)行供電。通信機(jī)房的電源設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信機(jī)房的電源設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 模塊化UPS電源系統(tǒng)

2.1 模塊化UPS電源系統(tǒng)的解決方案

隨著5G的商用推廣，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用井噴式涌現(xiàn)，通信機(jī)房規(guī)模在可預(yù)見的未來(lái)將成倍增長(zhǎng)，其中5G設(shè)備數(shù)量、占地面積等投資成本也將隨之飆升。

針對(duì)5G時(shí)代的通信機(jī)房應(yīng)用，目前新一代模塊化UPS在原先基礎(chǔ)上體積縮小，對(duì)于同尺寸的產(chǎn)品，容量進(jìn)一步提升。新一代400 kVA/kW產(chǎn)品占地面積由2個(gè)柜減少到1個(gè)柜，節(jié)省占地面積高達(dá)50%，大幅提高了通信機(jī)房利用率。模塊化UPS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)8機(jī)并聯(lián)，容量可達(dá)6.4 MW，滿足超大型通信機(jī)房、工業(yè)等場(chǎng)景的電力保障需求。模塊化UPS系統(tǒng)應(yīng)用最優(yōu)化環(huán)保節(jié)能（Ecology Conservation Optimization，ECO）模式，綜合運(yùn)行效率高達(dá)99%，同時(shí)可減少對(duì)電網(wǎng)的污染。此外，可對(duì)負(fù)載電流的諧波和無(wú)功進(jìn)行智能檢測(cè)，并進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高旁路輸入的功率因數(shù)（Power Factor，PF）值，降低電流總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），使電網(wǎng)達(dá)到IEC620401類供電質(zhì)量，保障更多類型設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 模塊化UPS電源系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

模塊化UPS系統(tǒng)是一種高可用性的UPS主機(jī)設(shè)備系統(tǒng)。主機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，可實(shí)現(xiàn)在線熱插拔，除此之外，主機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵組件均采用冗余方式，使得單臺(tái)主機(jī)的可靠性達(dá)到了傳統(tǒng)雙機(jī)備份的系統(tǒng)可靠性；同時(shí)，UPS主機(jī)系統(tǒng)的平均故障恢復(fù)時(shí)間也從以往的數(shù)小時(shí)下降到幾分鐘。模塊化UPS主機(jī)可以按照客戶實(shí)際負(fù)載進(jìn)行配置，模塊化結(jié)構(gòu)允許用戶可以靈活地根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展主機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)隨實(shí)際負(fù)載的增加不斷提升UPS供電容量，節(jié)省了過量投資帶來(lái)的資金浪費(fèi)和能量消耗。模塊化UPS降低了采購(gòu)和管理成本，在模塊UPS系統(tǒng)下可以采用電源相位多制技術(shù)來(lái)改變過往單一性造成的制約，用戶無(wú)需再考慮如何采購(gòu)不同相位或容量的UPS產(chǎn)品來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)的需要[3]。為了滿足5G信號(hào)的低時(shí)延，就必須依賴超高的基站密度和即時(shí)計(jì)算能力，從供電系統(tǒng)建設(shè)的角度來(lái)說(shuō)，將更加復(fù)雜化。對(duì)于通信機(jī)房而言，模塊化UPS將是一種可靠、可選、可用的發(fā)展趨勢(shì)。

3 UPS發(fā)展中的新材料

3.1 第三代半導(dǎo)體材料

UPS電源在進(jìn)行交直流變換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額定功率10%左右的功耗，這些功耗主要來(lái)自于UPS內(nèi)部的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）及高頻二極管這些半導(dǎo)體器件。這些器件在導(dǎo)通和開關(guān)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生損耗，并且工作頻率越高，損耗越大。隨著UPS電源容量越來(lái)越大，在不增加體積的情況下，只能通過提高工作頻率來(lái)滿足要求。由于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料（如硅、鍺等）受特性限制，工作頻率的提升空間已經(jīng)很小，并且伴隨著工作頻率的提升也會(huì)帶來(lái)更大的開關(guān)損耗和發(fā)熱，已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)UPS發(fā)展的需求。

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、石墨為代表，這些材料具有高頻、高壓和耐高溫等特性，在某些應(yīng)用場(chǎng)景正在逐步代替硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。利用第三代半導(dǎo)體材料的這些特性，不僅可以大幅縮小電源模塊的體積，節(jié)省空間，也可以使電源模塊在較高頻率下工作時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生較大功耗，大幅提升了電源的工作效率，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量[4]。隨著UPS電源用于服務(wù)器、云和電信等更高功率的應(yīng)用場(chǎng)景，傳統(tǒng)材料的技術(shù)性能已經(jīng)發(fā)展到了瓶頸階段，因此對(duì)于新型材料的應(yīng)用變得越來(lái)越緊迫，而第三代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能性。

3.2 鋰電池材料

傳統(tǒng)的UPS電源一般采用鉛酸蓄電池，雖然價(jià)格低廉、安全性較高，但單體能量密度小、體積大、使用壽命短，且易造成環(huán)境污染。鋰電池由于材料稀缺，制造成本較高，但其單體能量密度大、體積小、使用壽命長(zhǎng)，且較環(huán)保。從使用成本來(lái)看，一般鉛酸蓄電池的單體能量密度為30～50 Wh/kg，單位能量原材料成本約為0.40元/Wh；鋰電池的能量密度為150～200 Wh/kg，單位能量原材料成本約為0.50～0.70元/Wh。由此看來(lái)，鋰電池的原材料成本不到鉛酸電池的2倍，但同等容量下鋰電UPS的體積僅為鉛酸電池UPS的1/5～1/4，這將大幅降低電池的安裝空間，為機(jī)房節(jié)省場(chǎng)地費(fèi)用，從而節(jié)省投資成本和持續(xù)的運(yùn)營(yíng)成本。從維護(hù)成本來(lái)看，一般鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命為300～500次，鋰電池的循環(huán)壽命為2 000～6 000次，是鉛酸蓄電池的4～6倍，大大降低了更換UPS電池的成本和維護(hù)的負(fù)擔(dān)，消除了電池更換造成的宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)[5]。此外，鋰電池在低溫條件（-20 ℃）下的放電性能為70%左右，鉛酸電池僅不到60%。更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性意味著鋰電池UPS可以適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著UPS容量的不斷擴(kuò)充，在有限的使用空間里，利用鋰電池取代鉛酸蓄電池將作為UPS電源未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

5G在通信機(jī)房電源方面所提出的要求非常嚴(yán)格，同時(shí)為了能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模、大范圍部署，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程具體實(shí)際場(chǎng)景，采取有效的技術(shù)方案來(lái)解決機(jī)房電源穩(wěn)定、可靠供應(yīng)的問題，以保證5G網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。UPS電源系統(tǒng)能夠?yàn)闄C(jī)房穩(wěn)定運(yùn)行、電力順利輸送提供基礎(chǔ)性保障，也能夠維護(hù)好通信系統(tǒng)的安全性。為了保障通信機(jī)房的穩(wěn)定運(yùn)行，需要科學(xué)設(shè)計(jì)和配置UPS電源，在通信機(jī)房建設(shè)中對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)施科學(xué)、合理、規(guī)范的保養(yǎng)維護(hù)措施，有效延長(zhǎng)機(jī)房電源的使用時(shí)間，為其他設(shè)備的正常工作奠定堅(jiān)實(shí)的環(huán)境基礎(chǔ)。