基于5G網絡的基站電源系統創新研究

徐 華，田哲源，趙志紅

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

“4G改變生活，5G改變社會”。5G應用的三大場景，即eMBB、URLLC、mMTC，將提供給用戶更快的速率、更低的延遲、更大的容量以及更多的物聯網應用。由于5G網絡組網架構的升級以及設備形態的變化，5G基站數量及5G網絡設備功耗將大幅增加，這對基站電源配套提出了新的挑戰。2020年，5G將實現全面商用。提前對基站電源系統進行全面梳理和改造，將有利于5G網絡的快速建設和發展。

1 基于現狀的基站電源系統創新改造方案

1.1 典型基站電源系統配置

基站電源系統配置如表1、表2所示。

表1 典型基站電源設備標準配置表

1.2 基于基站電源系統現狀的改造方案

面對大容量、高功率密度的5G設備，如果利用原有基站電源系統建設5G，則基站的外市電容量、開關電源的容量及配置、蓄電池組的容量及配置都需要按照實際情況作全面擴容改造。根據CU、DU以及AAU的部署方式、架構特點，在綜合考慮3G、4G設備功耗的基礎上，對原電源設備進行合理的擴容和改造，以保證通信設備的正常運行。

1.2.1 外市電容量

外市電容量的設計為基站交流和直流設備總功耗之和，同時考慮遠期發展功耗，如表3、表4所示。

1.2.2 交流配電箱

按30 kW負荷計算交流配電箱容量：

基站交流配電箱引入一般為380 V/100 A（63 A），現有交流配電箱容量滿足要求，可利舊使用。

1.2.3 開關電源

現有典型基站組合開關電源容量一般為-48 V/600 A，整流模塊配置數量滿配為12個，每個整流模塊50 A。

綜合考慮3G、4G、5G以及傳輸等設備負荷設計開關電源容量，如表5所示。

存在問題及解決方案，具體如下。

第一，開關電源原機架容量為600 A，前期均無滿載配置，整流模塊數量少，需擴容整流模塊。建議選擇集采范圍以內的整流模塊，如果在集采范圍以外、且整流模塊價格高的開關電源，建議整機更換開關電源。

第二，開關電源直流輸出配電端子數量、容量不足，可配置直流配電箱。

第三，開關電源設計使用年限為8年，超期服役應更換。

第四，需整機更換開關電源有困難，可采用相關新創方案。

表3 5G典型基站外市電配置表

表5 5G典型基站開關電源配置表

1.2.4 蓄電池組

考慮到市電每年、每月、每次的停電次數、停電時長以及基站所處的地理位置，一般基站市電類別按3類考慮，且需要有移動發電機作為供電保證。因此，作為備電設備，基站蓄電池容量的選擇需按照如下設計原則。

關于蓄電池配置原則，蓄電池的容量應按近期負荷配置，依據蓄電池壽命，適當考慮遠期發展。

蓄電池組容量計算公式為：

目前，典型基站一般配置2組500 Ah密封閥控鉛酸蓄電池組，以在典型基站原有一套（3G、4G）設備的基礎上新增一套5G設備為例，考慮蓄電池放電時間為3 h，蓄電池組容量計算如下：

基站現有2組500 Ah蓄電池組滿足3 h放電時間需求。

存在的問題，具體如下。

第一，由于部分蓄電池組超期運行，每組中單只蓄電池質量參差不齊，導致個別落后蓄電池降低整組蓄電池效率。如果整組更換，成本高，施工難度大，對機房結構和面積有要求。

第二，對于現存容量不滿足設計或備電要求的蓄電池，如果考慮蓄電池擴容，將受到基站機房面積、承重等限制。

1.3 創新改造研究

1.3.1 開關電源創新改造方案

（1）插框電源

目前，各通信運營商現有基站、鄉鎮支局、接入網點、模塊局的直流供電系統采用組合式開關電源供電，涉及型號及廠家眾多。由于部分設備在網運行時間較長，處于逾齡超期服務邊緣，設備運行不穩定，無配品配件，多次修理無法恢復原有性能，面臨原設計容量低、無擴容空間、設備性能下降、故障率升高、設備能耗增加等問題。

在利用原開關電源機架的基礎上，保留原系統的交流主輸入空開、電池熔絲、分流器、接觸器以及直流輸出電纜，設計具有普遍性和兼容性的整流單元（即插框電源），替換原整流單元；滿足原系統的各種要求，包括動環監控系統的監管、蓄電池組的管理等功能。

插框電源的應用能減少施工難度和改造工程量，減少因整體割接開關電源對網絡帶來的安全隱患，提高投資收益比。

（2）微站電源

針對大功率的5G AAU用電，當AAU拉遠設計，其用電無法從集中機房引入時，為滿足其直流用電需要，可采用市電直供+室外直流電源的方式，即微站電源，將220 V交流電轉換為48 V直流電，微站電源的容量和數量可根據5G設備的功耗設計。微站電源設備還可根據站址的重要性，對有供電保證的基站，配置具有不同備電時長的鋰電池組，如圖1所示。

圖1 微站電源設備

整個微站電源采用一體化機柜設計；支持抱桿、壁掛、落地及環抱等多種安裝方式，可滿足各種路燈桿、監控桿、水泥桿及信號桿等小微站的建設場景。

（3）直流遠供

直流遠供設備是將基站內開關電源的-48 V直流電通過遠供設備升壓到240～400 V，并再通過電纜送至遠端基站的降壓設備端。

直流遠供設備由局端設備、傳輸線路及遠端設備組成。其中局端設備是遠供系統的核心，是將-48 V直流隔離升壓到240～400 V（DC/DC升壓）的主要設備，布放在直供電、市電條件好、蓄電池備電時間充足且具備發電條件的基站機房；而遠端設備是將局端傳輸至遠端的直流高壓變換成DC48 V/AC220 V的設備。傳輸線路是實現直流遠供電源局端與遠端之間連接的“鎧裝鋁芯電纜”或“鎧裝銅芯電纜”“復合光纜”，其完成直流高壓、小電流電源的遠程傳輸，為通信設備輸電，最遠傳輸距離可達3 000 m。

對于不具備市電引入條件、市電不穩定或采用轉供電方式的拉遠基站、高鐵基站、樓面基站以及小區微站，可采用直流遠供技術，將供電有保證的基站的直流電源通過電力電纜送至遠端基站。

（4）升壓設備（模塊）

由于5G設備功耗增加，受設備供電電壓的限制，傳統供電方案供電距離受限嚴重。因此，采用供電高壓化，即“升壓供電”是滿足5G高功耗的必然選擇。

采用升壓模塊，即在開關電源直流輸出端設計一個升壓模塊，將電壓升至57～63 V，通過電纜傳輸至遠端AAU設備。

如果采用銅芯電纜傳輸，考慮全程壓降、線路損耗、電纜型號及設備效率等，以新增一個AAU，設備功耗為1 500 W為例，則直流電纜截面積S=IL/(γΔU)。其中，I為供電回路電流；L為供電回路長度；γ為電纜材料導電率，銅取57，鋁取37。經計算，如果采用2×10 mm2銅芯電纜，傳輸距離可達70 m。因此，采用升壓模塊，可增加供電距離，減少電纜的線徑，從而降低成本，提高建站效率。

方案特點和意義有3個方面，具體如下。

第一，升壓設備可進一步穩定AAU的供電電壓，有效提升AAU供電質量。同時，由于每個AAU輸電線路較長，若采用升壓設備可降低設備間的相互影響，特別在一路AAU短路情況下，其他AAU受到其短路的影響小，甚至不必專門再為AAU設置斷路器或者熔斷器等保護器件。

第二，降低線路損耗，提高線路的傳輸效率[2]。

第三，升壓模塊是在電源和負載之間增加了一個電源變換節點，即增加一道故障點，此故障點通過多模塊冗余備份解決。同時，升壓變換器也存在轉換效率的問題，可采用高效變換器解決轉換效率，同時抵消線損。

1.3.2 蓄電池創新改造方案

通信局站一般將市電作為主用電源，當市電停電，柴、汽油發電機未啟動時，由閥控式鉛酸蓄電池作為備用電源供電。目前，各通信運營商及鐵塔公司單站一般采用容量為300 Ah、500 Ah、800 Ah的閥控式鉛酸蓄電池兩組。由于各站市電供電情況不同，每站機房環境、負載容量等的不同，而這些因素都能影響蓄電放電時間和運行壽命，所以在不同機房，相同容量蓄電池的放電時間、放電電壓等參數也有所不同。在實際運行中，經常出現單組、單體蓄電池“落后”或“降容”等問題，從而導致整組蓄電池無法正常使用。此外，蓄電池由于自身缺陷（內在品質、個體差異）和運行環境影響（基站溫度、開關電源參數設定、市電情況及日常維護）等，導致健康程度逐年下降、續航時長降低。同時，隨著多年在網運行，鉛酸蓄電池的相對體積大、能量密度低、功率密度低、循環保用壽命短等缺點暴露出來，其帶載運行壽命一般不超過6-8年。

（1）磷酸鐵鋰電池及梯次電池

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，由電極、電解液、外殼、極柱及隔膜組成的基本功能單元[3]。

將從電動汽車上退役的動力蓄電池（或其中的蓄電池包/蓄電池模塊/單體蓄電池）進行二次使用的動力鋰電池為梯次電池。

對退役單體電池進行循環壽命測試。在25 ℃、100%DOD、1C3充放電條件下，梯次利用單體電池容量由全新單體電池狀態下容量的80%下降至60%，單體可循環1 000～2 500次。按照單體電池循環壽命的85%估算成組后電池循環壽命，預計電池模組循環壽命約為800～2 000次。

鋰電池循環壽命、耐高溫、高倍率放電等性能優于目前應用在通信基站的鉛酸電池，尤其是在市電環境不好的高溫場景等。一些小型基站、分散基站、末端供電、小容量站點、新能源基站、普通宏基站、利用太陽能、風能等新能源基站，通過梯次利用動力鋰電池，以期達到降低通信基站配套設備成本的目的，同時也充分體現了生態設計、綠色經濟、低碳經濟、循環經濟等理念。表6為鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池和梯次電池性能對比表。

梯次電池配置方法為：

其中，Q為電池容量；K為安全系數，取1.25；P1為一次下電設備功率；P2為二次下電設備功率；T1為一次下電側設備備電總時長，T1＞1 h；T2為二次下電側設備備電總時長；a為溫度調整系數，河南為暖溫地區，系數取1。

無線設備電池后備時間按3 h配置，傳輸設備電池后備時間按相應延長2 h配置，如表7所示。

當然，為確保利用梯次鋰電池的安全性，防止使用過程中出現過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，應為梯次電池組配置、加裝具備過充、過放、過流、高低溫、短路保護等保護功能，具備電壓均衡、充電限流、熱管理功能的電池管理系統（BMS）。

（2）蓄電池合路器

在開關電源和電池之間串聯蓄電池合路器。蓄電池合路器的每個模塊單獨管理一組電池，通過智能雙向DC/DC升降壓主動控制電池充放電。蓄電池合路器可以對整組及單體電池健康度檢測和實時監測，并可通過內置4G無線模塊通信，將測試和監測數據實時上傳數據中心平臺，實現遠程控制，如圖2所示。

表6 鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池和梯次電池性能對比表

表7 5G典型基站梯次電池配置表

隨著5G設備功耗的增加，原配備的蓄電池組不能滿足目前的續航要求。如果更換新的蓄電池組，不僅投資巨大，且舊電池組的不當處理易造成極大浪費。因此，采用電池合路器，使不同容量、不同時期、不同品牌、不同電壓的蓄電池可再利用。

電池合路器的應用，能提升蓄電池容量，提高蓄電池續航時間，從而降低施工難度和減少投資。

1.3.3 削峰填谷

（1）智能管理，市電削峰填谷

電力公司為了均衡用電負荷出臺分時電價政策，鼓勵用電企業在電價格較低時段用電。即把用電“負荷”從用電高峰“卸載”到用電低谷，在谷電時段將電能轉換成化學能儲存，用電高峰時段將化學能轉換成電能對通信設備供電，以達到降低電價和電費的目的，如表8所示。

目前，鋰電池在通信供電系統的應用主要以“備電為主”，但由于其具有多次充放電的特點，因此，隨著鋰電池的廣泛推廣和應用，采用“儲能為主、備電為輔”的方式并配合蓄電池雙向主動式管理系統，將鋰電池的利用價值發揮到最大。即利用基站儲能和峰谷時段電價差，進行分時充放電節能化管理，在電價便宜時自動為蓄電池充電，并在電價高的時段切換為放電模式，有效地盤活了過去僅用于應急備電的電池，讓它們在基站中發揮更大的功效，并有效地減少基站運行中的電費支出。

削峰填谷的應用，應綜合考慮當地峰、谷電價差以及梯次電池的單價，落實相關峰谷電價的政策，確定儲能的效益臨界點即峰谷電價差。同時，基站用電均應采用直供電。

現有日均持續用電負荷為-48 V/60 A的基站，目前配置鉛酸蓄電池2組300 Ah。通過安裝蓄電池雙向智能管理系統，市電正常時，采用削峰填谷方案，由鋰電池工作，當市電停電，油機未到時，由鉛酸蓄電池作為備用電源給通信設備供電。

首先對現有鉛酸電池進行檢測，其測試容量超過備電時長4 h，滿足3 h備電需求。

按8 h峰電放電需求，增配梯次電池容量：

其中，Q為電池容量；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為一次下電側設備備電總時長；T2為二次下電側設備備電總時長；T3為削峰填谷時長；a為溫度調整系數，寒冷、寒溫Ⅰ及寒溫Ⅱ地區取1.25，其余地區取1.0。

將鉛酸電池作為備電需要，僅計算削峰填谷需求梯次電池容量。經計算，Q=1.25×1.25×60 A×53.5 V×8≈40 kW·h。

梯次電池投資為40 kW·h×0.68元/kW=2.72萬元；4路/200 A蓄電池雙向智能管理系統為0.6萬元；其他費（施工和輔料）為0.3萬元；則總計為2.72+0.6+0.3=3.62萬元。

關于效益分析，具體如下。

日均峰時耗電量為60 A×53.5 V×8 h=25.68 kW·h；日均收益=日均峰時耗電量×（峰時電價-谷時電價），即25.68 kW·h×（1.05元/kW·h-0.35元/kW·h）=17.976 8元。

投資收益年限為3.62×10 000÷17.976 8÷365≈5.5年，即5年6個月；要求梯次電池循環壽命≥2 000次。

由分析可知，削峰填谷能源收益要求峰谷電價差達到一定水平方可實現；隨著梯次電池價格逐年下降，投資成本會進一步縮減；需求大容量備電基站，在市電正常時可以實施階段性削峰填谷，在電池和設備折舊期內創造額外能源收益。

（2）峰值限流

利用運維管理平臺FSU對基站開關電源實現遙調功能，根據峰谷電價時間段遠程自動調整開關電源的浮充電壓或控制電源模塊開關機，實現削峰填谷功能。

選擇具備開關電源支持遠程控制，或可通過升級/替換監控模塊實現遠程控制，且FSU遠程通信正常的基站。

當電價在峰值時，可根據實際負荷，遠端降低開關電源的浮充電壓或減少電源模塊的運行數量。當電價在谷值時，可恢復原設計值。

此類基站的選擇對FSU遠程控制系統要求高，由于動遠程控制邏輯功能復雜，存在FSU離線失控的風險，同時需對原有鉛酸電池進行撤除，全部替換為磷酸鐵鋰電池，將鐵鋰電池作為備電+儲能適用。

2 結 論

本文對基于5G網絡的基站電源系統進行創新研究，以供參考。