通信基站蓄電池備電方案分析與探討

梁亞飛（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

通信基站的電源系統(tǒng)作為基站設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)，為基站設(shè)備正常運(yùn)行提供了重要保障，是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。基站正常工作時(shí)，其通信設(shè)備的用電需求由基站外市電提供；當(dāng)外市電供電中斷時(shí)，需要由備用發(fā)電機(jī)組或基站備用油機(jī)發(fā)電，為基站通信設(shè)備正常運(yùn)行提供備電需求；當(dāng)備用發(fā)電機(jī)組或者基站備用油機(jī)無法滿足基站供電需求時(shí)，需要由基站蓄電池組放電提供基站通信設(shè)備用電需求。因此，蓄電池組對(duì)于基站通信設(shè)備正常運(yùn)行至關(guān)重要，是通信電源系統(tǒng)的重要組成部分。

鐵塔公司基站采用鉛酸蓄電池和梯次電池為設(shè)備提供備電，由于現(xiàn)有通信基站采用的蓄電池廠家種類繁多、基站運(yùn)行環(huán)境各不相同、蓄電池組生產(chǎn)質(zhì)量各有差異，導(dǎo)致現(xiàn)有蓄電池整體性能下降較快，同時(shí)，隨著5G 基站大規(guī)模增加，對(duì)基站蓄電池備電、維護(hù)和管理等工作提出了更高要求。因此，如何科學(xué)選擇蓄電池備電方案，做好基站蓄電池組配置工作，對(duì)現(xiàn)有基站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)效益、客戶體驗(yàn)等方面影響較大，尤其是對(duì)于滿足后期5G 基站備電要求至關(guān)重要。

1 建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 蓄電池容量計(jì)算

（1）鉛酸電池容量需求計(jì)算：

其中：K為安全系數(shù)1.25；I為放電電流（A）；T為放電小時(shí)數(shù)；η為放電容量系數(shù)，如表1 所示；t為實(shí)際電池所在的環(huán)境溫度數(shù)值；α為電池溫度系數(shù)（1/℃），當(dāng)放電小時(shí)率＜l 時(shí)，取α=0.01，當(dāng)10 ＞放電小時(shí)率≥1 時(shí)，取α=0.008，當(dāng)放電小時(shí)率≥10 時(shí)，取α=0.006。

表1 鉛酸蓄電池放電容量系數(shù)表（η）

（2）梯次電池容量需求計(jì)算：

其中：Q為電池容量（Ah）；K為安全系數(shù)，取1.25；P1為一次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率（W）；P2為二次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率（W）；T1為一次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長(zhǎng)（h），T1不應(yīng)小于等于1 h；T2為二次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長(zhǎng)（h）；T3為充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員技術(shù)創(chuàng)新能力時(shí)長(zhǎng)（h），谷時(shí)（0:00-8:00）、峰時(shí)（8:00-12:00，18:00-22:00）；a為溫度調(diào)整系數(shù)，寒冷、寒溫Ⅰ、寒溫Ⅱ地區(qū)取1.25，其余地區(qū)取1.0；由式（2）可知，基站蓄電池容量與放電小時(shí)數(shù)（即后備保障時(shí)長(zhǎng)）有著緊密的聯(lián)系。

1.2 蓄電池備電能力

現(xiàn)有情況下，鐵塔存量基站蓄電池組容量基本能夠滿足現(xiàn)有基站設(shè)備一次下電3 h 備電、二次下電5（10）h 備電需求，但是隨著各運(yùn)營(yíng)商5G 建設(shè)需求集中爆發(fā)，5G 設(shè)備功耗是原來4G 設(shè)備功耗的2.5～3.5倍，在S111 配置下，5G 基站設(shè)備滿載功耗約4 500 W。目前，鐵塔公司新增蓄電池統(tǒng)一采用梯次電池備電，因此，根據(jù)章節(jié)1.1 梯次電池容量計(jì)算公式可知，在滿足運(yùn)營(yíng)商一次下電3 h 備電時(shí)長(zhǎng)需求情況下，梯次電池容量需求至少為330 Ah。

同時(shí)，由于蓄電池的容量、放電時(shí)長(zhǎng)與浮充電壓、充電電流、放電終止電壓、放電率、電池所處環(huán)境溫度、基站停電頻次等諸多因素有關(guān)，在日常蓄電池維護(hù)中，每個(gè)基站蓄電池所處的環(huán)境、充放電次數(shù)和負(fù)載功耗不盡相同。因此，現(xiàn)有基站蓄電池備電能力已經(jīng)捉襟見肘，根據(jù)分析可知，隨著5G 基站大規(guī)模建設(shè)，現(xiàn)有基站蓄電池備電能力受到極大的挑戰(zhàn)。

1.3 蓄電池維護(hù)與管理

在當(dāng)前鐵塔基站蓄電池維護(hù)管理過程中，大部分基站需要依靠代維人員上站巡檢和手動(dòng)排查故障，但是一線代維人員很難主動(dòng)準(zhǔn)確判定蓄電池故障。因此，這種基于人工排查消除隱患的方式，無法及時(shí)有效獲知蓄電池運(yùn)行狀態(tài)和蓄電池故障信息，影響實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，從而進(jìn)一步導(dǎo)致通信基站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量下降，運(yùn)營(yíng)商客戶日常網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)感變差，鐵塔公司的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益受到了很大的影響。

同時(shí)，按照目前蓄電池維護(hù)與管理工作操作，蓄電池日常排查需要依靠代維人員親自上站巡檢，這種操作方式極大的浪費(fèi)了公司人力物力，并且人工統(tǒng)計(jì)蓄電池存在的故障報(bào)警信息和工作日志會(huì)導(dǎo)致整體工作效率低下；當(dāng)基站蓄電池組出現(xiàn)備電故障無法有效提供備電保障時(shí)，工作人員不能高效及時(shí)確定出現(xiàn)的問題[1]。換言之，按照目前蓄電池的維護(hù)與管理操作，無法對(duì)蓄電池設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)隨地監(jiān)管和測(cè)試。

2 建設(shè)解決方案

2.1 建立完善監(jiān)控信息

目前，隨著梯次電池在通信基站中的大規(guī)模應(yīng)用，同一基站中會(huì)存在鉛酸蓄電池與梯次電池、不同廠家不同容量梯次電池混用等場(chǎng)景，鐵塔公司目前采用電池共用管理器（BMS）對(duì)不同類型電池進(jìn)行統(tǒng)一管理。因此，為方便后期蓄電池維護(hù)和管理，提高蓄電池巡檢排查精準(zhǔn)度，快速高效查找基站蓄電池組出現(xiàn)的一些問題，建立基站蓄電池組“整體通信電源系統(tǒng)監(jiān)控、通信電源系統(tǒng)配置和通信電源系統(tǒng)維護(hù)操作管理”為一體的運(yùn)行維護(hù)平臺(tái)對(duì)于鐵塔公司蓄電池備電具有重要意義。

通信電源系統(tǒng)中的蓄電池維護(hù)與監(jiān)控管理的系統(tǒng)平臺(tái)由BMS、基站開關(guān)電源、動(dòng)環(huán)監(jiān)控以及后臺(tái)運(yùn)行維護(hù)平臺(tái)構(gòu)成。該運(yùn)行平臺(tái)能夠?qū)⒒緜潆姷男铍姵亟M納入維護(hù)與監(jiān)控管理系統(tǒng)，對(duì)蓄電池組工作的狀態(tài)和出現(xiàn)問題進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控。蓄電池維護(hù)與監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)可以為相關(guān)技術(shù)人員和管理人員提供精確的故障信息和整體的運(yùn)行狀態(tài)信息，能夠快速高效查找基站蓄電池組出現(xiàn)的一些問題，同時(shí)根據(jù)蓄電池組出現(xiàn)的問題和蓄電池組的設(shè)備信息自動(dòng)生成產(chǎn)生故障的可能原因和一些解決故障的方案措施，極大地減少了蓄電池維護(hù)與管理過程中的人力物力，提高了基站蓄電池組的維護(hù)效率。

蓄電池維護(hù)與監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)工作原理與BMS安裝示例如圖1 所示。

2.2 區(qū)域化備電方案

圖1 蓄電池維護(hù)與監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)工作原理與BMS 安裝示例圖

目前，新建基站蓄電池一般均按照特定的配置原則進(jìn)行備電時(shí)長(zhǎng)配置，如鐵塔公司一般按照一次下電3 h 備電時(shí)長(zhǎng)、二次下電5（10） h 備電時(shí)長(zhǎng)配置，但全國(guó)各地基站外市電可靠性存在差異，且部分區(qū)域基站滿足維護(hù)到站時(shí)長(zhǎng)較短、相對(duì)停電頻次較少或者基站停電時(shí)長(zhǎng)較短等情況，這為鐵塔公司降低蓄電池備電時(shí)長(zhǎng)需求提供了可行條件。

例如，根據(jù)章節(jié)1.1 蓄電池容量計(jì)算公式可知，單站5G 系統(tǒng)，在滿足運(yùn)營(yíng)商一次下電1 h 備電時(shí)長(zhǎng)需求情況下，梯次電池容量需求110 Ah。對(duì)比1.2 章節(jié)，3 h 備電時(shí)長(zhǎng)情況下梯次電池容量需求為330 Ah，可節(jié)約蓄電池200 Ah（按照基站蓄電池每組100 Ah 配置計(jì)算）。因此，如何對(duì)基站區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化蓄電池備電方案，對(duì)于進(jìn)一步降低基站蓄電池備電時(shí)長(zhǎng)需求，提高后期5G 大規(guī)模建設(shè)基站備電能力有重要幫助。

實(shí)施區(qū)域化備電方案可從如下幾方面分析：

（1）通過與維護(hù)、監(jiān)控中心等部門溝通對(duì)接，收集存量站址月均停電頻次、停電時(shí)長(zhǎng)、維護(hù)到站時(shí)長(zhǎng)、油機(jī)配置、蓄電池備電能力、基站等級(jí)等信息，建立存量基站基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)；

（2）根據(jù)收集到的基站數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行分析判斷，制定基站備電要求等級(jí)，針對(duì)外市電接入質(zhì)量較高、蓄電池備電能力強(qiáng)、維護(hù)到站時(shí)間短等一類基站可初步納入降低蓄電池備電時(shí)長(zhǎng)的范圍，對(duì)基站備電時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行初步區(qū)域劃分；

（3）針對(duì)承接的運(yùn)營(yíng)商需求信息，與存量基站數(shù)據(jù)庫(kù)信息匹配，然后進(jìn)一步勘察核實(shí)，針對(duì)具體場(chǎng)景具體分析，出具優(yōu)化后的蓄電池備電時(shí)長(zhǎng)方案；

（4）與運(yùn)營(yíng)商聯(lián)合會(huì)審，針對(duì)優(yōu)化后的備電時(shí)長(zhǎng)方案與運(yùn)營(yíng)商溝通確認(rèn)，對(duì)于備電時(shí)長(zhǎng)方案無異議的需求站址，雙方確認(rèn)后進(jìn)行改造建設(shè)，滿足工程建設(shè)需求。

2.3 創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)目前5G 基站建設(shè)遇到的蓄電池容量不足、備電時(shí)長(zhǎng)不能滿足建設(shè)需求等問題，鐵塔公司還應(yīng)積極聯(lián)合廠家，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)，針對(duì)難點(diǎn)問題重點(diǎn)攻克，研發(fā)測(cè)試滿足建設(shè)需求的產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)[2]。例如，目前推出的智能開關(guān)電源柜、削峰填谷技術(shù)、集中供電技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)建設(shè)配套產(chǎn)品更新、建設(shè)方式轉(zhuǎn)變，滿足后期蓄電池備電能力需求。

新型智能開關(guān)電源柜如圖2 所示。

圖2 新型智能開關(guān)電源柜

3 結(jié) 論

隨著5G 基站大規(guī)模增加，鐵塔基站對(duì)于蓄電池備電能力提出了更高要求，而蓄電池容量的增加對(duì)機(jī)房、機(jī)柜空間和樓面站機(jī)房的承重都將提出新的要求。因此，如何科學(xué)選擇蓄電池備電方案，做好基站蓄電池組配置工作，對(duì)于后期基站備電能力建設(shè)具有重要意義。本文從完善蓄電池監(jiān)控信息、區(qū)域化備電方案和創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用三個(gè)方面分析介紹了蓄電池備電解決方案，后期還應(yīng)結(jié)合基站實(shí)際建設(shè)，針對(duì)不同場(chǎng)景設(shè)計(jì)備電方案，進(jìn)行最優(yōu)化備電方案選擇。