面向5G網(wǎng)絡(luò)供配電方案創(chuàng)新研究

司 鼎，徐 華，趙志紅

（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

2020年，5G網(wǎng)絡(luò)全面商用。隨著超密集組網(wǎng)、Massive MIMO以及高工作頻段等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗和重量大幅增加，基站數(shù)量也隨之增加。隨著各種增值業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，電力消耗增加。因此，創(chuàng)新供配電模式并應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)，是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)降本增效、高效運營以及持續(xù)發(fā)展的重要方法。

1 無線網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)

1.1 基站供電現(xiàn)狀

現(xiàn)有基站機房的外市電、組合開關(guān)電源、鉛酸蓄電池以及空調(diào)等通常采用標(biāo)準(zhǔn)通用配置，即外市電容量≤30 kW，開關(guān)電源模塊為6～10塊容量為50 A的-48 V/600 A開關(guān)電源，300 Ah、500 Ah、800 Ah的鉛蓄電池組各2組，3臺功率分別為7.5 kW、12.5 kW、20 kW的空調(diào)。由表1可知，空調(diào)和通信設(shè)備是基站運行的主要耗電設(shè)備，其中直流系統(tǒng)的耗電量占70%左右，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量占30%左右。

表1 2020年7月綜合接入機房用電量統(tǒng)計表

1.2 存在的問題

1.2.1 外市電容量問題

不同站型的地理位置、市電路由、外市電引入費用以及配電設(shè)備容量要求不同，但實際運行中，一般基站外市電均采用統(tǒng)一配置，因此存在超負荷和低配置問題，造成了不必要的資源浪費。

1.2.2 開關(guān)電源容量問題

開關(guān)電源模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)配置，無論基站設(shè)備功耗大小，一般均配置不少于6塊電源模塊，無法做到精確化配置。開關(guān)電源的效率與負載率有關(guān)，當(dāng)負載率達到80%以上時，效率最高。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的配置存在效益低下和資源浪費的情況。

1.2.3 蓄電池容量問題

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在考慮傳輸設(shè)備供電要求的情況下，通信運營商各基站蓄電池容量按遠期負荷或開關(guān)電源滿容量設(shè)計，備電時長為8 h。根據(jù)當(dāng)?shù)厥须姽╇娗闆r、機房實際負荷以及柴油發(fā)電機容量，不同站址的基站的蓄電池容量存在不一致性。因此，相同容量的蓄電池的配置存在投資浪費、資源浪費以及對機房容量的浪費。

2 無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化站點定義

2.1 布局站

布局站點利用傳統(tǒng)宏蜂窩組網(wǎng)方式，滿足一定站距、站高以及覆蓋指標(biāo)要求，有效覆蓋道路、綠地、廣場以及公園等開放區(qū)域，一定程度上滿足了深度覆蓋率的要求。無線專業(yè)和電源專業(yè)中，布局站的選取是整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的骨干，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋中起支撐作用。此類站址在建設(shè)初期電源配備相對完善，一般為宏基站。站址的外市電容量、開關(guān)電源容量、電池容量、監(jiān)控系統(tǒng)以及機房空間等相關(guān)電源配套條件較好，在5G新型供電方式中可作為供電架構(gòu)的主站。

布局站站址的選取應(yīng)結(jié)合多種數(shù)據(jù)進行驗證。從無線專業(yè)角度考慮供電條件選擇站址，主要包括5方面要求。第一，機房空間足夠、承重條件好以及可進行電源設(shè)備的擴容改造。第二，外市電供電方式為直供電，上游接電位置為變壓器。第三，物業(yè)協(xié)調(diào)容易、發(fā)電方便。第四，站型要以多扇區(qū)宏站（扇區(qū)數(shù)量≥3）為主。第五，布局基站站距應(yīng)滿足不同場景站距標(biāo)準(zhǔn)。不同場景站距可進行實際測試獲取，也可利用仿真獲取[1]。

充分結(jié)合電源專業(yè)容量要求和無線專業(yè)覆蓋要求選取的布局站，可直接作為5G供電系統(tǒng)的主站向四周延伸供電，從而提升5G供電效率和直供電比例。

2.2 補丁站

城區(qū)補丁站點主要起補充作用，能夠有效規(guī)避干擾，解決布局站點的室內(nèi)外局部無覆蓋與弱覆蓋問題。補丁站在基站建設(shè)方面采用多樣化的覆蓋手段。與布局站全為宏站不同，此類站址建設(shè)除了傳統(tǒng)的宏站外，還采用了微站、RRU拉遠以及一體化基站等多種方式進行建設(shè)。補丁站在電源配備方面與布局站存在一定的差距。個別站址的機房配備了一定容量的電源配套設(shè)備，但是狹小的機房空間和外市電容量限制了此類基站向外延伸供電的條件。僅有部分站址為宏站的補丁站電源配套及外市電供電條件較好，可作為供電延伸的輔助支點。

2.3 吸熱站

吸熱站的主要作用是解決熱點區(qū)域的容量和感知問題，滿足熱點業(yè)務(wù)吸收要求，保障熱點區(qū)域用戶感知，為業(yè)務(wù)發(fā)展儲備承載能力。該站點采用多載波（聚合）、異頻異系統(tǒng)部署、扇區(qū)分裂以及室分引入等手段，靈活部署，按需而建。

吸熱站設(shè)備一般為微站和微微站等設(shè)備，一般為無機房站址。它的供電方式多為直流遠供供電或直接引外市電，僅可作為支路。

2.4 室分站

室分站有別于布局站等類型，主要用于室內(nèi)樓宇的5G信號覆蓋，一般為有源室分。各個有源發(fā)射點分散布置在建筑物內(nèi)，無機房。后備電源建設(shè)條件差，僅可作為支路。

2.5 5G基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分層

根據(jù)無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化站點整體情況確定布局站，由布局站聯(lián)系和匯集周邊非結(jié)構(gòu)站。

3 建立立體聯(lián)動供電模式

基站的設(shè)計應(yīng)打破以往單基站電源設(shè)備無差別和統(tǒng)一配置的常規(guī)設(shè)計理念，將交、直流供電系統(tǒng)與基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)橫向、縱向的滲透和深入，建立立體聯(lián)動供配電模式。重新定義各類基站電源配置原則，以布局站、補丁站以及吸熱站為研究單元，測算不同5G設(shè)備不同環(huán)境下能耗，制定主從站篩選規(guī)則及方法。供配電模式按單元劃分，每個單元根據(jù)基站類型分為中心站和個體站。不同單元的不同站型可采用相應(yīng)的供電配置。

3.1 建設(shè)供配電中心

將環(huán)境相對較好，空間及承重可滿足條件，且外市電供電有保證的機房，建設(shè)為集中放置多套大容量開關(guān)電源系統(tǒng)、多組大容量蓄電池組（鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、梯次電池）、直流遠供系統(tǒng)的供配電中心機房。該供配電中心配電系統(tǒng)容量在保證本機房設(shè)備供電的基礎(chǔ)上，可為周邊各類補盲站、吸熱站以及室分站提供安全的供電。該中心適應(yīng)5G基站多元化供電，可多站共用一套電源系統(tǒng)，減少供電協(xié)調(diào)，縮短建設(shè)周期，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，提升了設(shè)備效率。

3.2 外市電引入的再研究

削峰填谷是充分利用供電部門分時電價政策，把用電負荷從用電高峰階段調(diào)整到用電低谷時期，同時在低谷時期將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能進行儲存，而在用電高峰時段將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能對通信設(shè)備供電，以達到降低電價和電費的目的。采用削峰填谷的局址供電方式應(yīng)為直供電，且需要充分考慮梯次電池應(yīng)用情況和當(dāng)?shù)胤濉⒐入妰r差，確定效益臨界點。

3.3 磷酸鐵鋰電池和梯次電池的利用

近年來，磷酸鐵鋰電池在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，它的循環(huán)壽命長、耐高溫以及高倍率放電的優(yōu)勢逐漸明顯，性能遠遠優(yōu)于鉛酸電池。特別是小型基站、小容量站、分散基站以及利用太陽能、風(fēng)能等的新能源基站，利用磷酸鐵鋰電池或梯次電池可達到降低通信基站配套設(shè)備成本的目的，體現(xiàn)了生態(tài)設(shè)計、綠色經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟以及循環(huán)經(jīng)濟等理念。

3.4 高壓直流的利用

高壓直流系統(tǒng)是通過整流將交流380 V轉(zhuǎn)換為240 V的高壓直流。高壓直流系統(tǒng)含整流屏、直流配電單元以及閥控式蓄電池組。直流配電單元將電輸出至各直流通信設(shè)備。每個直流供電系統(tǒng)可接兩組或多組蓄電池組。系統(tǒng)采用微處理機控制，可自動實現(xiàn)電池的均、浮充轉(zhuǎn)換，具有遠端遙信、遙測以及遙控等功能。

3.5 供配電個體

3.5.1 再生能源的利用

隨著不斷的實踐與進步，光伏行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)與產(chǎn)品性能不斷提升，生產(chǎn)成本不斷下降，使得光伏系統(tǒng)的綜合效率可以達80%。光伏發(fā)電能為負載提供了穩(wěn)定可靠的電能，因此外市電引入困難、引入費用高以及市電不穩(wěn)定等達不到三類供電級別的基站可根據(jù)負載要求，設(shè)計滿足負載N×24 h工作用電的太陽能供電。

3.5.2 高壓、大功率直流遠供的利用

傳統(tǒng)400 V直流遠供產(chǎn)品受輸電電壓和設(shè)備容量的限制，已無法完全滿足現(xiàn)階段5G基站的建設(shè)需求。高壓、大功率直流遠供是將基站內(nèi)開關(guān)電源的-48 V直流電通過遠供設(shè)備升壓到500～700 V，并再通過電纜送至遠端基站的降壓設(shè)備端。

考慮投資成本、傳輸距離以及線纜損耗等因素，高壓、大功率直流遠供在供電功率、線纜線徑一樣的情況下，傳輸距離更遠。在供電功率、線纜線徑、傳輸距離一致的情況下，線路損耗更小。當(dāng)負載功率為3 600 W時，如采用鋁芯2×16 mm2電纜，局端輸出電壓設(shè)置為700 V，遠端輸入電壓設(shè)置為400 V，最遠傳輸距離則可達6.38 km，即每傳輸1 km線路損耗為166.51 W。

因此，不具備市電引入條件、市電不穩(wěn)定或采用轉(zhuǎn)供電方式的拉遠基站、高鐵基站、樓面基站以及小區(qū)微站，可采用高壓、大功率直流遠供技術(shù)，將供配電中心的直流電源通過電力電纜送至遠端基站。

3.5.3 微電網(wǎng)集中供電

基于高壓、大功率直流遠供設(shè)備的特點，園區(qū)、景區(qū)以及大型場館等區(qū)域性建設(shè)場景一定距離范圍內(nèi)可能分布多個5G拉遠基站，從而存在引入分散和單獨市電協(xié)調(diào)難度大、周期長、費用高、后期電費繳納和維護工作量大等問題。集中市電引入時，市電路由由于線徑過大鋪設(shè)困難，可能存在安全隱患等問題。因此，可采用直流高壓微網(wǎng)集中供電方案，選取市電容量滿足要求、開關(guān)電源和電池具備擴容條件且具備空余空間的機房站作為遠端供配電中心，采用高壓直流遠供系統(tǒng)集中為區(qū)域內(nèi)拉遠基站供電。

3.5.4 5G壁掛電源

5G壁掛電源具備組合開關(guān)電源的功能，最大容量200 A，滿配4塊50 A高效模塊，且模塊擴容方便，可在線維修，同時具有電池管理功能，可以外接電池進行備電。該電源具有容量大、效率高以及可靠性高等特點，可選擇掛墻、桿體以及落地等3種室外安裝方式[2]。

4 供配電立體聯(lián)動系統(tǒng)

供配電立體聯(lián)動系統(tǒng)作為供電中心，其站內(nèi)可配置多套開關(guān)電源系統(tǒng)，可通過電纜將-48 V直流電送到周邊補丁站或吸熱站。為減少電纜的使用，可采用高壓直流的供電方式，即站內(nèi)開關(guān)電源采用高壓直流，其供電電壓為240 V，通過電纜壓降將電壓降至設(shè)備所需電壓值。

一般情況下，與中心站距離較近的補丁站可不再設(shè)立直流系統(tǒng)，其直流電只需由中心站供給即可。當(dāng)補丁站與中心站距離較遠時，補丁站內(nèi)只需配置-48 V組合開關(guān)電源。當(dāng)市電正常時，由市電供電。當(dāng)市電不正常時，由中心站供電。因此，此站無需配置蓄電池組，減少了對機房面積和承重的要求。吸熱站內(nèi)的設(shè)備功耗相對較小，其供電方式可就近由中心站或補丁站采用高壓、大功率直流遠供、升壓模塊或壁掛電源的方式供給。面向5G供配電立體聯(lián)動供電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G供配電立體聯(lián)動供電結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

作為一項關(guān)鍵技術(shù)，5G給人們的生活帶來便利的同時，也給5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運行帶來了巨大考驗，尤其是5G大能耗所帶來的供電問題。因此，從網(wǎng)絡(luò)分層出發(fā)，詳細闡述了現(xiàn)有供電方式的優(yōu)缺點，并根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了立體化5G供配電方式，以期為下一步5G超密集組網(wǎng)建設(shè)提供參考。