解決基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用分析

摘要：隨著5G基站的站址數(shù)逐年提升，現(xiàn)場(chǎng)管理和基站能耗管理方面的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，基站電費(fèi)共享分?jǐn)傄啻嬖趩?wèn)題。同時(shí)，5G用電量較4G用電量提高許多，5G基站用電平均高出3倍，高昂的電費(fèi)成本成為運(yùn)營(yíng)商的巨大壓力。通過(guò)綠能、節(jié)能、儲(chǔ)能、反向供能即“四能”應(yīng)用，提供了綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)，解決了基站無(wú)法實(shí)現(xiàn)能耗精細(xì)化管理的問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能降耗，達(dá)到了為用戶節(jié)省電費(fèi)成本的目的。因此，高效用電的創(chuàng)新技術(shù)具有較高的社會(huì)意義、環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：5G基站；基站能耗管理；基站電費(fèi)共享分?jǐn)?；?jié)能降耗

一、引言

中國(guó)鐵塔是全球規(guī)模最大的通信鐵塔基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供者，為堅(jiān)持共享發(fā)展理念，實(shí)施一體兩翼戰(zhàn)略，主要從事通信鐵塔等基站配套設(shè)施和高鐵地鐵公網(wǎng)覆蓋、大型室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)，同時(shí)依托獨(dú)特資源面向社會(huì)提供信息化應(yīng)用和智能換電、備電、充電等能源應(yīng)用服務(wù)，是我國(guó)移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的“國(guó)家隊(duì)”和5G新基建的“主力軍”。為實(shí)現(xiàn)“保住、管細(xì)、延壽、用好”在網(wǎng)資產(chǎn)，加大安全隱患整治力度，提高愈齡資產(chǎn)健壯性，切實(shí)保障設(shè)備設(shè)施運(yùn)行安全和客戶服務(wù)質(zhì)量，提升資產(chǎn)全生命周期運(yùn)營(yíng)價(jià)值，打造“健康塔”“長(zhǎng)壽塔”，并開(kāi)展鐵塔資產(chǎn)修理整治。2019年上海市人民政府關(guān)于加快推進(jìn)本市5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和應(yīng)用的實(shí)施意見(jiàn)，預(yù)示上海進(jìn)入全速推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)期。鐵塔公司作為通信鐵塔基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)商，全力支持配合運(yùn)營(yíng)商5G大建設(shè)任務(wù)。截至目前，上海鐵塔擁有物理站址超3萬(wàn)座，經(jīng)過(guò)數(shù)年間5G基站建設(shè)，上海鐵塔擁有5G邏輯站址數(shù)共計(jì)5.6萬(wàn)座，95%通過(guò)共享存量站址實(shí)現(xiàn)，助力上海5G基站密度、5G基站數(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)下載速率等均在全國(guó)領(lǐng)先，率先建成\"雙千兆城市\(zhòng)"。

隨著5G基站站址數(shù)的逐年提升，在現(xiàn)場(chǎng)管理和基站能耗管理方面的問(wèn)題逐漸暴露。運(yùn)營(yíng)商主設(shè)備較多的機(jī)房?jī)?nèi)，由于設(shè)備線路復(fù)雜以及施工不規(guī)范的原因，存在原計(jì)量設(shè)備霍爾線圈漏套和套錯(cuò)客戶設(shè)備的情況，導(dǎo)致基站電費(fèi)共享分?jǐn)偞嬖趩?wèn)題。同時(shí)，5G用電量較4G用電量提高許多，5G基站用電平均高出3倍，高昂的電費(fèi)成本成為運(yùn)營(yíng)商的巨大壓力。因此，運(yùn)營(yíng)商高度關(guān)注5G設(shè)備用電情況，原基站安裝計(jì)量設(shè)備無(wú)法區(qū)分運(yùn)營(yíng)商5G和非5G設(shè)備的能耗計(jì)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能耗精細(xì)化管理的目標(biāo)。

二、基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的原理及功能

為了徹底解決基站現(xiàn)場(chǎng)施工混亂和基站能耗不精細(xì)的兩大問(wèn)題，需要對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀進(jìn)行細(xì)致的研究分析。從需求定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)、集成測(cè)試和運(yùn)維維護(hù)，創(chuàng)新研發(fā)了智能配電解決方案，可以實(shí)現(xiàn)配電全流程管控。通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，解決了設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)差異備電﹑能耗計(jì)量不準(zhǔn)和無(wú)法預(yù)警異常等難題?；揪G能、節(jié)能、儲(chǔ)能、反向供能（以下簡(jiǎn)稱為“四能”），解決基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的具體分?jǐn)⑷缦拢?/p>

（一）基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的原理

智能配電解決方案的原理主要是通過(guò)配電單元硬件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和理念，在普通的空氣開(kāi)關(guān)上加上了兩個(gè)功能：控制和計(jì)量。通過(guò)空開(kāi)側(cè)邊的內(nèi)嵌電機(jī)實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)遠(yuǎn)程命令方式，讓電機(jī)運(yùn)作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)空開(kāi)的合閘和分閘。也通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)將凸輪卡死空開(kāi)，以機(jī)械鎖定的方式禁止現(xiàn)場(chǎng)將空開(kāi)合閘。同時(shí)采用的能耗計(jì)量是目前最為精準(zhǔn)和先進(jìn)的錳銅計(jì)量方案，當(dāng)負(fù)載電流方向經(jīng)過(guò)的錳銅分流器時(shí)，電流會(huì)在電阻上產(chǎn)生出一個(gè)毫伏級(jí)的電壓值?？筛鶕?jù)經(jīng)過(guò)電流的大小發(fā)生變化而導(dǎo)致錳銅的電阻值發(fā)生響應(yīng)變化，后續(xù)根據(jù)歐姆定理可計(jì)算出電流值實(shí)現(xiàn)計(jì)量。通過(guò)BIM技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)安裝的網(wǎng)關(guān)情況，如能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、操作命令等通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送或接收。智能調(diào)度平臺(tái)通過(guò)匯總和分析每個(gè)基站的每套智能配電單元設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析、差異化備點(diǎn)等功能。

（二）基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的功能

實(shí)現(xiàn)了以下六大功能：一是打造智能配電調(diào)度平臺(tái)，可查看全市存量及新建基站的配電資源情況，實(shí)現(xiàn)了“資源調(diào)度自動(dòng)化、空開(kāi)狀態(tài)可視化、配電規(guī)則流程化、能耗數(shù)據(jù)圖表化”，該平臺(tái)會(huì)收集每個(gè)基站的各個(gè)空開(kāi)能耗情況，并根據(jù)自定義的能耗算法，判斷客戶設(shè)備運(yùn)營(yíng)的工作狀況，為用戶提高了設(shè)備使用效率。在負(fù)載低的情況下自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備，達(dá)到節(jié)能降耗，為用戶節(jié)省電費(fèi)成本的目的；二是通過(guò)無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能空開(kāi)遠(yuǎn)程上電、下電及鎖定，有效管控了現(xiàn)場(chǎng)隨意接線、合閘、分閘等操作，提高了現(xiàn)場(chǎng)施工的規(guī)范性、安全性；三是平臺(tái)比對(duì)用戶訂單狀態(tài)，有效管控客戶設(shè)備內(nèi)驗(yàn)、交維、起租、上電等規(guī)范流程，進(jìn)一步提高電費(fèi)的精細(xì)化管理；四是支持單路空開(kāi)接入設(shè)備的電量計(jì)量，為用戶精準(zhǔn)化分析設(shè)備運(yùn)行情況提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，協(xié)同用戶降本增效；五是可設(shè)置任意時(shí)間段上電、下電，滿足不同客戶的差異化備電需求；六是具備非故障性空開(kāi)下電情況的自動(dòng)恢復(fù)功能，維護(hù)人員無(wú)需上站手動(dòng)合閘供電，減少維護(hù)上站次數(shù)，提高了工作效率。

三、基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的現(xiàn)狀及優(yōu)化

（一）基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的現(xiàn)狀

上海現(xiàn)有近三萬(wàn)座基站中，目前在網(wǎng)運(yùn)行鉛酸電池共計(jì)近1萬(wàn)組。鉛酸蓄電池使用過(guò)程中出現(xiàn)老化和性能劣化，極大縮短了后備電池的有效供電時(shí)長(zhǎng)。研究探索鉛酸電池延壽解決方案就變得尤為重要。首先調(diào)研了基站鉛酸電池使用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是蓄電池使用一定循環(huán)次數(shù)后，不能有效輸出，或輸出效率不足，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到預(yù)期的儲(chǔ)能收益，甚至因?qū)误w電池?zé)o法管控產(chǎn)生安全問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)鉛酸電池在國(guó)內(nèi)最新相關(guān)技術(shù)的了解與研究，采用在單只電池主動(dòng)均衡管理的方法來(lái)解決鉛酸電池延壽的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)時(shí)掌控單只蓄電池工作狀態(tài)，保障充放電過(guò)程中單只無(wú)損，則可有效實(shí)現(xiàn)應(yīng)有蓄電池循環(huán)壽命。在監(jiān)控蓄電池整組剩余容量、剩余備電時(shí)長(zhǎng)性能基礎(chǔ)上，結(jié)合站點(diǎn)信息、物業(yè)信息、環(huán)境信息、發(fā)電設(shè)備、接口信息等生成最優(yōu)調(diào)度方案，蓄電池智能精準(zhǔn)管理平臺(tái)獲取充放電策略，從而降低日常應(yīng)用中的油機(jī)發(fā)電成本，提高代維發(fā)電響應(yīng)效率。

（二）基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)化

通過(guò)結(jié)合蓄電池整組及單體的情況，將電池中單體能量較高的遷移到電池中單體能量較低的，或使用整組（4節(jié)或24節(jié)）的電池容量補(bǔ)充到整體中單體容量最低的電池，能量通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行均衡分配及調(diào)度。均衡系統(tǒng)是由兩個(gè)電池組成，經(jīng)過(guò)兩個(gè)電池并聯(lián)形成一個(gè)均衡單元，一個(gè)均衡單元由于容量不平等，產(chǎn)生電量、電流或電壓不平衡時(shí)，該均衡電路在相位相反的兩個(gè)方波驅(qū)動(dòng)下交替開(kāi)關(guān)，由電路中的儲(chǔ)能元件構(gòu)成的能量或者容量交換通路依次把電池組中電壓高的電池的電荷遷移至電池組中整體電壓低的電池中，直至將上述所說(shuō)的兩個(gè)電池的容量、電壓、電流平衡為止。

通過(guò)解決以上問(wèn)題，主要實(shí)現(xiàn)了以下三大功能：

首先，實(shí)現(xiàn)差異化充電。以往通信基站的電池充電采用整組充電的方式，無(wú)法對(duì)不同級(jí)別電壓進(jìn)行差異化區(qū)別，差異化配置，本系統(tǒng)改變以往的充電方式，采取差異化充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同狀態(tài)的電池（按電壓、容量、電流等）進(jìn)行區(qū)分，施加對(duì)單體電池以最適合的充電電壓/電流進(jìn)行充電，避免整組充電帶來(lái)的電池組中單體電池的欠充、過(guò)充問(wèn)題，做到對(duì)單體電池的高效率、特性充電。

其次，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移放電。以往放電模式為整組統(tǒng)一放電，組中單體全量參與，在以往傳統(tǒng)的放電過(guò)程中，無(wú)法區(qū)別化對(duì)待落后單體電池，在采用本新技術(shù)后，可以通過(guò)系統(tǒng)智能判斷，將由部分電池的能量對(duì)“落后”電池進(jìn)行額外的能量補(bǔ)充，從而在根本上保證整組電池中個(gè)體電池的容量、電壓的一致性，避免傳統(tǒng)方式放電帶來(lái)單體電池過(guò)放、欠放問(wèn)題，做到高效率、特性化放電。

最后，實(shí)現(xiàn)電池鏡像技術(shù)。傳統(tǒng)模式中，如果整組電池中單體或者數(shù)節(jié)出現(xiàn)斷路或者開(kāi)路等極端情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)瞬斷，從而引起斷站、無(wú)法提供服務(wù)的情況。

而通過(guò)電池鏡像技術(shù)，對(duì)出現(xiàn)極端情況的單體電池（線束脫落、斷路、短路、內(nèi)部極板損壞等情況）采取鏡像處理，通過(guò)鏡像技術(shù)，模擬出一節(jié)或數(shù)節(jié)電池電壓及容量，保證電池組工作電壓穩(wěn)定和持續(xù)供電，效果如下：

首先，提升基站備電時(shí)長(zhǎng)。將基站內(nèi)原有鋰電池移放到四能柜中，通過(guò)與換電柜融合，一起實(shí)現(xiàn)基站的安全、高效備電功能；換電柜日常仍可正常運(yùn)營(yíng)，通過(guò)換電柜與四能柜的結(jié)合將不確定的換電電池容量最大程度作為基站備電時(shí)長(zhǎng)的補(bǔ)充。

其次，結(jié)合光儲(chǔ)系統(tǒng)，降低基站整體用電成本，實(shí)現(xiàn)綠色低碳。四能柜結(jié)合光儲(chǔ)系統(tǒng)，使電網(wǎng)與新能源和儲(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)相互融合、能源互補(bǔ)，降低整體用電成本?；旧戏椒笤O(shè)了光伏板，可以降低基站內(nèi)部溫度，從而間接降低用電能耗。

第三，通過(guò)峰谷電價(jià)差套利，盤(pán)活電池資產(chǎn)，取得額外收益。國(guó)家為適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展，更好引導(dǎo)用戶有序用電，促進(jìn)新能源消納，并后續(xù)隨著電力逐步市場(chǎng)化后，分時(shí)電價(jià)成為大趨勢(shì)?；緸?4小時(shí)負(fù)載，無(wú)法避開(kāi)峰時(shí)電價(jià)的用電時(shí)間，通過(guò)電池谷時(shí)吸納電量，峰時(shí)釋放電量的方式，可以實(shí)現(xiàn)降低用電成本。

最好，聚合四能柜資源，協(xié)同基站參與虛擬電廠調(diào)度，取得額外收益。虛擬電廠目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定，同時(shí)保證電網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)資源最優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試輸出波形判定，并網(wǎng)切離網(wǎng)3ms，離網(wǎng)切并網(wǎng)10ms，并離網(wǎng)快速切換時(shí)間均≤20ms，可以實(shí)現(xiàn)電源類負(fù)載不掉電。經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)結(jié)果：保障基站的用電可靠性及不間斷供電。

四、基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)的案例分析

兩個(gè)基站經(jīng)濟(jì)性測(cè)算非常好，兩個(gè)案例測(cè)算如下：

項(xiàng)目一：基站站點(diǎn)四能柜配置

基站四能柜系統(tǒng)：15kW/86kWh（38kWh作為備電使用，剩余50kWh作為儲(chǔ)能使用，參與峰谷套利和虛擬電廠）基站四能柜設(shè)計(jì)壽命15年，電池不低于6000次循環(huán)。站點(diǎn)情況：站點(diǎn)總負(fù)載18kW，峰時(shí)電價(jià)1.0437元/度，谷時(shí)電價(jià)0.4941元/度。

站點(diǎn)年用電費(fèi)用統(tǒng)計(jì)：基站每日用電量：18kW×24H=432kWh/天，每日電費(fèi)：216×1.0437+216×0.4941=332.17元/日，每年電費(fèi)332.17×365=12.12萬(wàn)元/年。預(yù)估削峰填谷收益：基站每天的峰時(shí)用電期間，其中50KWh可通過(guò)四能柜實(shí)現(xiàn)谷時(shí)用電成本，按上海峰谷差價(jià)0.5496元/kWh，考慮電池往返效率90%，電池衰減系數(shù)96%，實(shí)際峰谷差價(jià)為0.5496×0.9×0.96=0.4749元/KWh。每日削峰填谷收益為50×0.4749=23.75元/日，每年削峰填谷收益為23.75×365=0.87萬(wàn)元/年，預(yù)估減少投資基站備電收益?；緝?nèi)每5年投入100AH電池×8，每5年投資2.4萬(wàn)元，15年共節(jié)約投資約2.4萬(wàn)元/次×3=7.2萬(wàn)元，預(yù)估參與虛擬電廠響應(yīng)收益，按照歷史情況判斷預(yù)估參與虛擬電廠調(diào)度20次/年，根據(jù)目前上海國(guó)網(wǎng)發(fā)布的虛擬電廠政策：快速響應(yīng)6元/kWh，每年虛擬電廠60KWh×6元/KWh×20次=0.72萬(wàn)元/年，預(yù)估光伏發(fā)電收益，根據(jù)上海地區(qū)的年光照總輻射量1492kWh/m2，光伏板的裝機(jī)功率8kW，以及光伏組件的衰減系數(shù)（首年2.5%，其余每年0.6%），和系統(tǒng)整體效率96%。

15年的平均每年的收益 1492×8kW×96%×93.3% =0.56萬(wàn)元/年。

項(xiàng)目二，15年預(yù)估總收益為：削峰填谷：0.87萬(wàn)元/年*15=13萬(wàn)元，虛擬電廠：0.72萬(wàn)元/年×15=10.8萬(wàn)元，光伏發(fā)電： 0.56萬(wàn)元/年×15=8.4萬(wàn)元，減少備電投資：2.4×3=7.2萬(wàn)元

15年總計(jì)收益：13萬(wàn)元+10.8萬(wàn)元+8.4萬(wàn)元+7.2萬(wàn)元=39.4萬(wàn)元，項(xiàng)目規(guī)?；慨a(chǎn)后，每套四能柜系統(tǒng)EPC投建成本為15萬(wàn)元/站左右，靜態(tài)回收期預(yù)計(jì)5.7年回本。

通過(guò)兩個(gè)案例測(cè)算，表明基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)兩個(gè)案例測(cè)算，表明基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用較好的經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明通過(guò)“四能”融合解決基站綠色高效用電創(chuàng)新技術(shù)，解決了基站無(wú)法實(shí)現(xiàn)能耗精細(xì)化管理的目標(biāo)，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，為用戶節(jié)省了電費(fèi)成本，因此具有廣泛的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。圍繞產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的總體目標(biāo)，以大力發(fā)展基站工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，形成一套涵蓋科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系，從而大力推進(jìn)基站設(shè)施新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展。

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