面向5G現網電源配套系統改造方案研究

梁 暉，姚利民

（1.廣州杰賽科技股份有限公司通信規劃設計院，廣東 廣州，510310；2.中國聯合網絡通信有限公司江西省分公司，江西 南昌 330096）

0 引 言

2018年12月，工信部正式向三大運營商頒發全國范圍5G中低頻段試驗頻率使用許可，標志著5G在國內已經進入實質性建設階段。根據三大運營商2018年年報公布數據顯示，2019年三家運營商預計約投資340億元用于5G網絡建設，2019年將會在部分城市開展5G試商用，2020年將全面開展5G商用。

對于運營商，5G具有樹立品牌及獲得競爭先機的作用，然而對于網絡建設者尤其是通信基礎設施建設者，5G的大規模部署將帶來更大的站址密度、更大的功耗容量及更大的建設成本。因此，如何挖掘現網資源潛力，實現規模化快速完成網絡建設，降本增效，是網絡建設者需要考慮的重要問題。

1 5G基站電源配套需求

5G的關鍵技術和網絡能力決定了設備功耗比原有無線基站主設備有較大增幅，對基站配套提出了更高要求。5G部署初期，主要是CU/DU合設（BBU）+AAU部署。根據設備廠家調研，5G設備功耗平均約是4G基站的3倍左右，如表1所示。功耗的增加，帶來供電及備電相關改造，其散熱也影響機房空調部署。

表1 各廠家5G設備尺寸及功耗

2 通信基站電源配套核算及面向5G改造建議

通信基站電源配套系統是指對通信設備直接供電的電源，是整體通信設備的重要組成部分，主要由交流市電引入線路、油機發電機組、交直流配電設備、整流設備、蓄電池組、空調等設備及設施組成，如圖1所示。

圖1 通信基站電源配套結構示意圖

5G建設過程中，由于5G站點設備功耗大幅度增加，導致現網基站電源配套需要大規模改造。根據某省5G試驗網站點統計顯示，在僅考慮一家新增5G的前提下，外市電需改造站點占比26%，交流配電箱需改造占比18%，空調需改造占比25%，電池需改造占比6%，開關電源需改造占比72%。

2.1 外市電配置原則及改造建議

外市電主要為基站提供220 V/380 V交流電源，是整個通信基站所有動力的根本。根據電壓等級，外市電一般分為3類。其中，用戶電是220 V、380 V；配電是6 kV、10 kV；輸電是35 kV、110 kV、220 kV、330 kV及500 kV；用戶電220 V、380 V是通信基站用電。其配置計算為：

通信基站用電中，外市電還包括直供電和轉供電。其中，直供電是由供電局直接向鐵塔公司供電，并與其結算電費；轉供電是由電力部門向業主供電，由業主向鐵塔公司供電，與業主結算電費。

外市電低壓引入電纜需同時滿足載流量、壓降及機械強度要求。通信局（站）電源系統技術要求（YD/T 1051-2000）中規定通信電源設備用交流供電時，設備的電源輸入端子處測量的電源允許變動范圍為額定電壓值的+10%～-15%。

其中，ΔU為壓降，I為電流，P為功率，L為導線回路長度，A為導線橫截面積，cosθ為功率因數，一般取0.8，r為導線材料的電導率（銅線為0.017 5、鋁線為0.028 3）。

根據上述算法，可得到表2。

5G電源配套改造中，外市電是工作量最大的改造內容。5G大規模建設時期，城區基站多是三家共享，其中外市電改造將是5G建設的一大難題。

表2 不同規格的電纜最大引電距離

外市電改造中，根據現網站點功耗及預計新增設備功耗，通過上述配置原則核算，外市電改造建議如表3所示。

新引入一路市電原則上應優于三類（平均月市電故障≤4.5次，平均每次故障持續時間≤8 h）市電電源，優選從公共電網引入一路380 V的交流電源。

如果無法引入，則在滿足供電質量前提下，建議按以下三種方案處理。

（1）若外市電容量滿足，但交流配電箱或下火點斷路器空開容量不足時，應采用大容量交流配電箱或大容量斷路器進行替換對外電擴容。

（2）從基站附近的建筑物就近引入一路380 V的交流電源。

表3 外市電改造建議

（3）取電費用高、拉電難度大的場景，可選用直流遠供設備進行供電。

2.2 交流配電箱配置原則及改造建議

交流配電箱主要作用是分配交流電能，集成市電油機轉換開關、電涌保護器，常見規格380 V/100 A，380 V/63 A，對應最大市電引入容量分別為23.5 kW和37.3 kW，其配置算法為：

交流配電箱面向5G改造應遵循現網影響最小、安全可靠、造價最省的原則。當容量滿足輸出空開容量不足時，僅需更換空開，若經核算配電箱容量不足，更換大容量交流配電箱。

2.3 空調配置原則及改造建議

基站空調按電源制式區分為單相、三相兩類，一般為單冷制式。空調選型應根據機房設備負荷、機房結構及區域（溫度帶）等因素確定空調冷量，根據基站冷量需求選擇最適合的空調規格，負荷計算原則為：

其中，系數0.16為單位面積熱負荷基準，0.15 kW=150 W/ m2×制冷系數/1 000，不同區域制冷系數有所不同。

面向5G改造時，空調選配或替換建議如下。

（1）制冷量需求確定后，根據制冷量總需求和各類型空調制冷量選擇空調類型和數量。

（2）已有空調的基礎上，應考慮安裝空間的限制，然后考慮是在原有基礎上新增空調，還是替換原有規格的空調。

2.4 電池配置原則及改造建議

基站蓄電池主要功能是儲存電能，為基站提供后備供電，現階段一般常用的蓄電池有梯次電池和鉛酸電池兩類，其電池容量計算分別如下。

梯次電池電池容量計算為：

其中，Q為蓄電池容量；K為安全系數，取1.25；P1為一次下電側通信設備工作實際功率；P2為二次下電側通信設備工作實際功率；T1為一次下電側通信設備備電總時長；T2為二次下電側通信設備備電總時長；α為電池溫度系數。

鉛酸蓄電池容量計算為：

其中，Q，K同上；T為放電小時數；I為負荷電流；η為放電容量系數，根據設計規范，3 h系數值為0.75；α為電池溫度系數；t為實際電池所在地的最低環境溫度數值（所在地有采暖設備時，按15 ℃考慮，無采暖設備時，按5 ℃考慮）。

現網基站蓄電池使用年限、廠家、容量及類型不同，蓄電池改造方式應根據實際情況進行改造，根據上述蓄電池核算原則，改造方案選擇的優先級別如表4所示。

2.5 開關電源配置原則及改造建議

開關電源有三大功能：配電（合理分配交流與直流電能）、整流（交流整直流）和電池管理（電池充電和放電的管理）。其模塊配置原則為N+1配置（n≤10，備1；n＞10，每10備1）。

表4 蓄電池改造建議

其中，R為開關電源容量；P為通信設備工作實際功率；Q為蓄電池組總容量；η為容量系數。

現網改造中，開關電源不滿足要求主要受限于開關電源總容量、電源模塊不足和空開端子不夠等，可通過新增或替換開電源、擴整流模塊，增加空開分路或新增直流配電屏等方式解決。

3 面向5G現網基站外市電改造創新建議

3.1 梯次電池削峰填谷解決外市電不足

通常通信設備功耗隨通信業務量變化呈周期性波動，通過充分挖掘存量站市電資源，利用備電電池限流錯峰充電和通信負荷削峰填谷技術，把用電“負荷”從用電高峰“卸載”到用電低谷，如圖2所示。設備用電高峰時段，備電蓄電池限流錯峰充電或利用儲能電池放電，用電低谷時段對蓄電池充電，可以實現市電削峰，降低基站市電容量需求。實現部分基站市電免改造，縮短建設周期，降低外市電改造成本壓力。

圖2 削峰填谷電源系統圖

3.2 光電結合解決外市電

分布式光伏發電系統特指在通信基站附近建設，太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電后接入公共電網，運行方式是用戶側自發自用、多余電量上網，如圖3所示。

4 結 論

未來網絡建設尤其是5G網絡建設，從低頻到高頻，站點逐步加密，網絡架構從“宏”到“宏微”立體分層覆蓋轉變，超密集組網驅動微基站爆發，近一步縮小了通信基站的站間距。網絡的演進對電源配套的要求越來越高，本文通過對電源配套各組成單元的配置原則進行分析，給出了合理化建議，尤其是面向5G現網基站改造的創新型建議，利于網絡快速、低成本部署。

圖3 光伏供電電源系統圖