750 V高壓直流供電技術分析

王 旭，陳東旭

（中國鐵塔股份有限公司，北京 100195）

0 引 言

近些年，全球移動通信技術發展迅猛，第五代移動通信技術（5G）不斷成熟。隨著5G技術的演進，5G網絡將會走向低、高頻混合組網，為滿足網絡容量增長的業務需求，需部署大量的末梢站點。與傳統4G網絡相比，小微基站的密集覆蓋使得5G網絡的站點數量和整體功耗呈現大幅度增長，這對通信系統的供電技術提出了更高的要求[1]。

在早期網絡建設中，直流-48 V、交流220 V的集中遠供技術得到應用，但存在效率低、系統運行可靠性差以及安全性低等情況。在對通信設備供電保障中，傳統的后備電源配置模式需要有所突破，利用高壓直流遠供取代交流遠供成為一種趨勢[2]。與交流供電系統相比，高壓直流供電系統在停電情況下也可以直接從蓄電池后端進行電力輸送，避免了諧波的干擾，可實現持續供電。從結構來說，高壓直流供電系統也是相對簡易，可擴容性相對較高，能源利用效率更高。目前，國內的高壓直流供電系統主要有240 V和336 V兩種[3,4]。

為應對5G網絡各類設備的高功率密度以及高能耗，在應用直流供電系統的同時，大幅提升系統工作電壓至750 V，輸入輸出電流會減小，從而有效減少線路壓降，降低整個供電系統損耗，提升系統能效。此外，大部分大型電動汽車退役大Pack電池組的電壓在750 V左右，可直接應用在750 V高壓直流遠供系統，對退役動力蓄電池進行梯次利用，實現綠色循環發展，加速行業實現碳中和。

1 750 V高壓直流供電系統原理

1.1 系統原理及組成

750 V高壓直流遠供系統是由局端、遠端以及輸電線纜組成的獨立電源系統。系統局端設備將儲能站穩定的-48 V直流電或者380/220 V交流電的電壓升壓至750 V的高壓直流，通過電力電纜、光電復合纜或者通信電纜等傳送至遠端站點，再經遠端設備降至直流-48 V或者交流220 V，對通信設備進行供電，實現遠端站址穩定供電保障[5]。750 V高壓直流遠供系統原理如圖1所示。

1.1.1 局端設備

750 V直流遠供系統局端設備的作用是將-48 V直流隔離升壓到直流250～800 V，連續可調（DC/DC）。局端設備具備完整的保護、監控、均流以及冗余備份功能，通過電源線纜送至遠端，為遠端通信設備提供電源保障。此外，局端設備一般放置在有后備電源的中心基站（局站）機房內。

1.1.2 遠端設備

遠端設備可以將輸入的750 V高壓直流電變換成穩定的直流-48 V，且具有防水功能，能夠在室外使用。

1.1.3 遠供輸電線路

遠端供電通過專用的供電線路進行供電，也可通過復合光纜進行供電。線纜材質一定程度會影響到供電傳輸距離。電纜材質可選用銅芯或者鋁芯，由于鋁芯相比銅芯電纜不易被盜，因此在戶外時可考慮選用鋁芯電纜代替銅芯電纜。

1.2 典型應用場景

在傳統的基站建設中，外市電引入多采用“一站一引”的方式，這種方式引入成本較高，后期不易維護。與傳統基站供電方式不同，750 V高壓直流遠供系統供電成本相對較低，引入方式靈活，其典型應用場景主要有拉遠微站和高鐵隧道兩類。

1.2.1 拉遠微站

拉遠微站普遍不具備外市電引入條件或者引入成本較高、市電穩定性較差。末端負荷小、位置分散的站點（燈桿、掛墻、樓頂抱桿的小微站）和用于市區內不容易取電、取電費用較高或交流電供電不穩定的網絡覆蓋設備站點均屬于拉遠微站典型應用場景。

針對此類型場景，應用750 V高壓直流遠供系統，宜采用星形供電方式，由中心局端站向周圍微站、RRU以及AAU等通信設備供電，具體布局示意如圖2所示。在星型供電方式的系統中，局端設備輸入-48 V直流電壓，輸出 250～800 V的直流電，一般建議采用N+1冗余方式備份。遠端設備輸入380 V直流電壓，輸出-48 V的直流電或 220 V的交流電，外掛于AAU/RRU設備下部的遠端設備還需具備防水外殼。分配單元主要負責完成DC/DC（400～380 V/750～380 V）降壓變換。局端與分配單元之間距離不宜太遠，一般在0.5 km左右。

1.2.2 高鐵隧道

第二類典型應用場景為新建站串行分布的高鐵隧道覆蓋場景。此類場景普遍發電難度大、維護成本高。

針對該類型場景，宜采用線性級聯供電方式，由中心局端站向兩側RRU等通信設備供電，具體布局示意如圖3所示。局端設備和遠端設備的特性同第一類場景相似，分配單元負責完成DC/DC（400～380 V/750～380 V）降壓變換。傳輸光纜宜選用復合光纜或電力線，站間距一般為700～800 m。

圖3 750 V高壓直流遠供系統原理圖

2 750 V高壓直流供電技術分析

2.1 供電線路基本模型

在直流遠供系統中，從局端到遠端的供電過程可抽象為最基本的輸電線路模型，原理如圖4所示。

圖4 750 V高壓直流遠供系統原理圖

750 V直流遠供系統供電線路的電阻RL為：

式中：ρ為電阻率，單位為Ω·mm2/m；S為線路的橫截面積，單位為mm2；L為線路長度，單位為m。

供電線路的線路壓降ΔU和功率損耗ΔP為：

式中，I為線路上流過的電流，單位為A。

局端和遠端處的電壓和功率分別滿足：

式中：U1和U2分別為局端處和遠端處的電壓，單位為V；P1和P2分別為遠端處和遠端處的功率，單位為kW。

2.2 供電能力對比計算分析

供電能力指在滿足安全用電和用戶需求的前提下，供電線路所能提供的最大供電能力。供電能力的大小取決于負荷大小和輸電距離。在高壓直流供電系統的計算分析中，電纜的型號、供電距離及供電功率均是變量因素，為了便于分析不同電壓等級直流遠供系統的供電能力，本文將設立兩種場景進行對比分析[6]。場景一是相同電纜和相同供電距離下，比較不同電壓等級系統的供電功率；場景二是相同電纜和相同功率（5G單系統）下，比較不同電壓等級的供電距離。

2.2.1 場景一

假定采用星型供電方式，宏站到微站的距離按500 m測算，電力電纜選取銅芯兩芯電纜，銅線的電阻率為 0.018 4 Ω·mm2/m。4 mm2、6 mm2、10 mm2的銅纜允許的最大載流量分別為36 A、45 A以及60 A。

根據已建立的電路線路基本模型，在局端電壓等級U1、電纜型號（橫截面積S、載流量I）以及供電距離L確定的前提下，可依據式（1）～式（5）計算得到供電線路的線路壓降和線路損耗等關鍵指標，6 mm2銅纜的計算結果如表1所示（未核驗）。

表1 場景一計算結果（未核驗）

由表1計算結果可以得到，電纜載流量按最大載流量計算，線路壓降比較大，對應的線路損耗為最大。然而在實際工程實踐中，供電線路壓降不能高于10%，故需要對上述計算結果核驗校準。核驗后的計算結果如表2所示。

表2 場景一計算結果（已核驗）

參照上述6 mm2銅纜的計算過程，分別對4 mm2和10 mm2銅纜進行計算，綜合6 mm2的計算結果，得到直流遠供系統相同供電距離下的供電功率，具體如表3所示。

表3 相同供電距離下系統的供電功率

由表3的數據可知，不同的電纜對高壓直流供電系統的供電能力存在影響，選擇更粗即橫截面積越大的電纜，載流量會增加，線路環阻會減小，從而可以減小壓降，提高供電功率。在選擇合適的電纜的情況下，相同的供電距離，高壓直流供電系統的電壓等級決定著系統供電功率的上限，電壓等級越高，遠端的負荷功率越大，供電能力越強。

2.2.2 場景二

5G單系統遠端設備功耗按3.5 kW測算，電力電纜選取銅芯兩芯電纜。銅線的電阻率為0.018 4 Ω·mm2/m。4 mm2、6 mm2、10 mm2的銅纜允許的最大載流量分別為36 A、45 A以及60 A。

根據已建立的電路線路基本模型，在局端電壓等級U1、電纜（橫截面積S、載流量I）以及遠端總功率P2確定的前提下，可依據式（1）～式（5）計算得到供電線路的線路壓降、線路損耗等關鍵指標，6 mm2銅纜的計算結果及核驗結果如表4和表5所示。

表4 場景二計算結果（未核驗）

表5 場景二計算結果（已核驗）

參照上述6 mm2銅纜的計算過程，分別對4 mm2和10 mm2銅纜進行計算，綜合6 mm2的計算結果，得到直流遠供系統針對5G單系統的供電距離，如表6所示。

表6 5G單系統下系統的供電距離

由表6的數據可知，不同橫截面積的電纜對高壓直流供電系統的供電距離存在影響，選擇更粗的電纜，載流量會增加，線路環阻會減小，從而提供更長的供電距離。在選擇合適的電纜的情況下，對于一套5G單系統，高壓直流供電系統的電壓等級決定著系統供電距離的上限，電壓等級越高，供電距離越長，供電能力越強。

3 結 論

750 V高壓直流遠供系統在傳統直流供電系統的基礎上，大幅提升系統工作電壓至750 V，通過供電能力計算分析，可以得到以下結論。

一是將直流遠供系統工作電壓提升至750 V，可配置退役大Pack電池，實現電動汽車電池的梯次利用，加速行業實現碳中和。二是高電壓等級系統可有效減低線路壓降，減小線路損耗。三是在選取合適電纜的情況下，高電壓等級會提供更大的供電功率，允許更遠的供電距離，系統的供電能力更強。