面向5G現(xiàn)網(wǎng)電源配套系統(tǒng)改造方案研究

劉 威

（北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100000）

1 5G網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備特征

作為一項(xiàng)由4G技術(shù)延伸出的全新通信技術(shù)，5G技術(shù)所沿用的RAN架構(gòu)也從原本的兩極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了CU、DU、AAU三級(jí)結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)采用了射頻和天線的一體化集成設(shè)計(jì)。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段主要有早期和中后期兩個(gè)環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)采用的結(jié)構(gòu)模式也具有一定差異，會(huì)根據(jù)URLLC及mMTC業(yè)務(wù)需求的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。早期建網(wǎng)中主要應(yīng)用了CU/DU混合+AAU的結(jié)構(gòu)模式，在中后期階段則要轉(zhuǎn)變?yōu)槿?jí)結(jié)構(gòu)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)來(lái)說(shuō)，其中設(shè)備的功率和體積也需要進(jìn)行改變，所以為保證5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的順利落實(shí)，需要重點(diǎn)研究5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相關(guān)的AAU規(guī)格、重量以及功率等條件，并分析現(xiàn)有的設(shè)備類型，找到網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備負(fù)荷的主要影響因素，利用針對(duì)性的舉措進(jìn)行處理。

據(jù)了解，AAU為4G組網(wǎng)中RRU和天線功能的拓展，但不同的是AAU的功耗水平與負(fù)荷水平息息相關(guān)。5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作涉及到了C-RAN與MIMO等先進(jìn)技術(shù)，期間也會(huì)沿用局部頻率多次使用等操作，所以這對(duì)于5G基站來(lái)說(shuō)也有了新的要求。在5G數(shù)據(jù)傳輸期間，不僅會(huì)面臨基站位置和基站數(shù)量等問題，同時(shí)也可能存在一些干擾問題。從宏觀的角度來(lái)看，5G技術(shù)在功能性及算法方面較以往有了顯著增強(qiáng)，但企業(yè)也需考慮5G網(wǎng)絡(luò)基站運(yùn)行的成本與功耗，以成本控制為方向，重點(diǎn)分析5G網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的特征，參考與4G的差異，并在4G的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)改動(dòng)、設(shè)備更換或引進(jìn)等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)電源配套系統(tǒng)的改造[1-3]。

2 面向5G現(xiàn)網(wǎng)的電源配套系統(tǒng)改造方案

5G現(xiàn)網(wǎng)基站電源配套系統(tǒng)是通信設(shè)備直接進(jìn)行供電的電源，也是整體系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)成，一般由交流市電引入線路、交直流配電設(shè)備以及蓄電池組等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G通信基站電源配套結(jié)構(gòu)

在5G現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)期間，因站點(diǎn)設(shè)備功耗的不斷提高，使得目前現(xiàn)網(wǎng)基站的電源配套急需進(jìn)行改造。結(jié)合某地區(qū)5G試驗(yàn)網(wǎng)點(diǎn)的情況來(lái)看，如果只結(jié)合1家新增5G的條件，那么外市電改造站的占比在25%左右，交流配電箱改造占比在18%左右，電池改造占比為5%，開關(guān)電源改造占比在70%上下[4]。

2.1 外市電配置原則與改造方案

2.1.1 外市電引入與改造原則

首先，控制好高壓引電的比例。盡量選擇低壓直供電的方式，如果需要高壓引電，則需要先確定現(xiàn)場(chǎng)條件并獲得運(yùn)營(yíng)商許可。其次，按照就近取電原則。提高引電路徑的審核，盡量避免繞遠(yuǎn)引電的現(xiàn)象，引電的距離如果大于直線距離的20%，則需要具備備用的搭火點(diǎn)和引電路由[5]。再次，控制頂管數(shù)量。電纜敷設(shè)方法需要合理選擇，有限選擇舊管道和架空敷設(shè)這類低成本方法，具體如表1所示。最后，鋁纜、鋁合金電纜等接入空開時(shí)需要選擇銅鋁過渡接線端子。清理掉鋁合金電纜表面氧化層并涂抹導(dǎo)電膏來(lái)隔離空氣，應(yīng)用專門的工具進(jìn)行壓接，控制接觸電阻。

表1 外市電電纜敷設(shè)方式

2.1.2 外市電配置

外市電通常負(fù)責(zé)為5G基站提供220 V低壓、380 V低壓以及10 kV高壓3種電壓等級(jí)，供電類型主要包括直供電和轉(zhuǎn)供電兩種。前者的電費(fèi)單價(jià)相對(duì)較低，電費(fèi)上繳至電力企業(yè)，后者電費(fèi)單價(jià)通常較高，電費(fèi)上繳至業(yè)主。

2.1.3 外市電改造的“六步法”

（1）直接共享。直接共享適用于原市電引入的容量已經(jīng)達(dá)到要求的站點(diǎn)，這時(shí)不需要再進(jìn)行外市電改造，可以直接進(jìn)行共享，同時(shí)還要檢查報(bào)裝容量、電表以及壓降等。（2）利舊增容。適合電表或空開容量較低等情況，需要先向電力部門進(jìn)行增容申請(qǐng)，之后更換斷路器與電表，最后利舊原本的電纜。（3）電池錯(cuò)峰、限流充電[6]。若基站的市電容量缺口較少，保障要求不高，則可以適用，如果基站斷電頻率較高則不適用。電池錯(cuò)峰充電需要控制開關(guān)電源的輸入功率，降低電池的充電功率，利用錯(cuò)峰充電的方式降低對(duì)市電的需求量。限流充電需要控制開關(guān)電源參數(shù)，盡量減少電池的充電功率，從而降低市電電容需求量。（4）電池補(bǔ)電。比較適宜擴(kuò)容市電缺口大且沒有頻繁停電情況的基站，市電容量不需要預(yù)留電池充電功率，而是通過空調(diào)工作間隔來(lái)為電池供電，能夠減少對(duì)市電供給需求。并且通過高循環(huán)鋰電池在負(fù)載較高時(shí)進(jìn)行放電，負(fù)載較低時(shí)充電，能夠改善設(shè)備的負(fù)載波動(dòng)。（5）外電改造。在搭火點(diǎn)變壓器容量滿足要求，但供電線路載流量不滿足要求的情況下，利用替換電纜和利舊現(xiàn)有管道等方式來(lái)控制改造成本。同時(shí)在引進(jìn)單相電過程中可以采用三相電來(lái)改善引電的容量[7]。在變壓器不滿足要求的情況下，可以申請(qǐng)?jiān)鋈莶⑻鎿Q變壓器。（6）重新引電。適合原搭火點(diǎn)在擴(kuò)容方面不滿足條件或成本較高等情況。在燈桿站或拉遠(yuǎn)站等原引入220 V單相電的條件下，可以將單相電換為三相電，原單向輸入壁掛電源更換為三相輸入的嵌入式電源，也可以重新引入單相電，并增設(shè)壁掛電源[8]。

2.2 交流配電箱改造方案

交流配電箱主要負(fù)責(zé)交流電能的分配，集成市電油機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)與電涌保護(hù)器的類型多為380 V/100 A和380 V/63 A，相對(duì)的最高市電引入容量為23.5 kW與37.3 kW。

在5G現(xiàn)網(wǎng)電源配套系統(tǒng)改造過程中需要秉承著影響最小化、造價(jià)最省化以及安全可靠等理念，如果容量能夠達(dá)到要求但輸出空開容量卻不夠，那么只需要替換空開即可，但如果經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)配電箱容量不滿足標(biāo)準(zhǔn)，則需要及時(shí)進(jìn)行更換。

2.3 空調(diào)改造方案

基站空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)電源類型可以劃分單相和三相兩種，通常以單冷制式為主。空調(diào)型號(hào)需要結(jié)合設(shè)備的總負(fù)荷和機(jī)房構(gòu)成等條件來(lái)設(shè)計(jì)，結(jié)合基站冷量要求，選擇適合的空調(diào)規(guī)格，負(fù)荷的計(jì)算方法為制冷量=設(shè)備功耗+機(jī)房面積×0.15。在改造方案中，空調(diào)的選擇和更換需要明確以下兩點(diǎn)：一是在明確制冷量要求后結(jié)合整體的制冷要求情況和空調(diào)制冷量類型選擇種類與數(shù)量；二是對(duì)現(xiàn)有的空調(diào)來(lái)說(shuō)，需要分析安裝空間是否達(dá)到要求，之后再設(shè)計(jì)空調(diào)的新增，或直接替換原本空調(diào)[9]。

2.4 電池改造方案

5G基站蓄電池的主要作用是電能的存儲(chǔ)以及為基站各系統(tǒng)供給電能。目前常見的蓄電池分為鉛酸電池與梯次電池，梯次電池的電池容量算法為：

式中，Q為容量；K指的是安全系數(shù)，一般情況下安全系數(shù)的取值為1.25；P1為一次下電側(cè)通信設(shè)備功率；P2指的是二次下電側(cè)通信設(shè)備功率；T1指的是一次下電側(cè)通信設(shè)備的備電時(shí)間；T2則是二次下電側(cè)通信設(shè)備備電時(shí)間；a為電池溫度。

鉛酸電池的電池容量算法為：

式中，Q、K與梯次電池相同；T為放電時(shí)間（h），I為負(fù)荷電流，η為放電容量，a為電池溫度，t為電池所處的最低環(huán)境溫度。

5G現(xiàn)網(wǎng)基站電池的選擇需要考慮電池設(shè)備的生產(chǎn)廠家、容量以及使用壽命等條件，而電池改造也需要結(jié)合現(xiàn)有電池的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)施，改造方案選擇的優(yōu)先級(jí)如表2所示。

表2 電池改造方案

2.5 開關(guān)電源改造方案

根據(jù)開關(guān)電源系統(tǒng)的配置來(lái)看，其功能性包括配電、整流以及電池管理。在配電方面，該系統(tǒng)用于直流電和交流電的分配輸送；在整流方面，可以實(shí)現(xiàn)交流整直流；在電池管理方面，主要管理電池的充、放電。開關(guān)電源的模塊配置大多以N+1配置為主（n≤10），電源容量為：

式中，R為電源容量，P為設(shè)備工作功率，Q為電池組容量，η為容量系數(shù)。在5G現(xiàn)網(wǎng)改造工程中，如果開關(guān)電源難以達(dá)到系統(tǒng)需求，原因大多表現(xiàn)在電源模塊不足或電源容量不足等，可以利用更換或添加的方式來(lái)改善[10]。

3 結(jié) 論

現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，5G技術(shù)也已經(jīng)開始了基站建設(shè)與正式推行，但目前距離5G網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋仍有一段路要走。5G基站電源配套這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與改造是確保5G技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵依據(jù)，只有做好建設(shè)與改造鞏固才能獲得5G網(wǎng)絡(luò)商用的先機(jī)。