面向5G基站直流配電系統輕量化改造方式研究

陳先凌，黃存東，王煜東，方中圓，沈 奇

（1.中國移動通信集團設計院有限公司 浙江分公司，浙江 杭州 310012；2.中國移動通信集團浙江有限公司 金華分公司，浙江 金華 310011）

0 引 言

4G改變生活，5G改變社會。相較于4G，5G在帶寬、連接以及時延3個關鍵指標上均得到大幅度提升。5G不僅帶來更高速的網絡，而且還對智能交通、工業自動化、智慧家庭以及社會管理等各個方面產生重要影響[1]。

當前我國5G網絡已開始規模部署，龐大的4G存量站址資源為5G形成快速組網提供了便利。目前各運營商在機房配套改造方面都有相應的實踐，尤其在機房供電保障方面，通過直接新增電源模塊、替換開關電源或蓄電池等方式進行擴容改造，但該方式存在原有模塊停產、機房空間或承重不足、斷站改造時間過長等問題[2]。為更好地開展5G基站規模部署建設，需探索和實踐輕型化的供電改造方案。基于以上背景，本文將結合某區域5G建設案例，對5G組網方式以及機房電力配套需求進行分析，在此基礎上探討輕量級的配電系統改造方案。

1 5G組網架構及機房特征

目前，5G規模部署采用CRAN與DRAN相結合的組網架構，如圖1所示。

圖1 DRAN與CRAN組網架構

CRAN以綜合業務區為單元，將區域內5G系統BBU進行集中至中心機房堆疊，實現傳輸資源利用、站點能耗以及機房租賃成本的最優，并為后期垂直行業運用、MEC部署奠定基礎[3]。CRAN架構下，中心機房選取以綜合業務區內的節點機房、匯聚機房、條件較好的自有無線機房以及新購機房等為主，遠端機房需求進一步弱化，可采用室外配電柜對遠端設備進行直流供電，少量疑難站點可直接進行交流直供。

DRAN作為CRAN組網架構的補充，對目前不具備CRAN組網條件的站點采用DRAN部署，實現整個規劃區域內5G網絡快速覆蓋。DRAN架構下，站點機房的作用繼續保留，站點無線設備及傳輸設備供電由站址機房保障。

2 5G基站直流配電改造需求分析

2.1 直流配電容量需求算法

依據《通信電源設備安裝工程設計規范》（GB 51194—2016）對開關電源、蓄電池容量的設計要求，結合備電時長等要求對直流配電改造需求建立算法，相應算法及說明如下文所述[4]。

（1）開關電源接入端子需求。依據當前主要廠家設備接電需求，為滿足升壓配電盒（為BBU、AAU供電）接入，一次下電側需提供2路100 A或1路160 A接電端子，為滿足PTN接電，二次下電側需提供1路32 A接電端子。

（2）開關電源容量需求測算。現網開關電源整流模塊容量普遍為單只100 A、50 A或30 A型，整流模塊總數N的計算公式為：

式中：I通信設備指機房內、外遠期規劃的所有通信設備的典型電流之和；I蓄電池充電指蓄電池按10 h時計算的均充電流；S整流模塊指本期配置單只整流模塊的容量。計算整流模塊數量時，應考慮整流模塊總數值往上取整，作為站點需要配置模塊數量。

（3）鉛酸電池容量測算。現網容量估算參照全新配置的鉛酸蓄電池組需求估算方式，總容量采用以下計算公式：

式中：Q表示蓄電池組總容量；K表示安全系數，取1.25；I表示負荷電流；T表示放電小時數；η表示放電容量系數；t表示實際電池所在地最低環境溫度數值；a表示電池溫度系數。當放電小時率≥10時，取a=0.006；當10＞放電小時率≥1時，取a=0.008；當放電小時率＜1時，取a=0.01。

（4）鐵鋰電池容量測算。鐵鋰電池的放電實際容量將受到環境溫度、放電率以及放電終止電壓（通信考慮2.7 V）的影響而發生變化。鐵鋰電池容量需求可采用以下公式計算：

式中：η'為放電率影響系數；c為環境溫度影響系數；I'為放電電流。當I'≤1C時，η'取1；當1C＜I'≤3C時，η'取1.25。當溫度為-20 ℃時，c取1.5；當溫度為-10 ℃時，c取1.2；當溫度為0～20 ℃時，c取1.1；當溫度為23 ℃以上時，c取1。

2.2 5G基站配電需求模型

設備功耗可分別定義為額定功耗和典型功耗，額定功耗即為滿配滿載最大功耗值、典型功耗即為設備常態業務下運營功耗值[5]。結合遠期網絡擴容需求、擴容的難易程度以及投資經濟性，設定開關電源整流模塊擴容需求，蓄電池備電容量依據設備典型功耗測算，基站交流引接容量、開關電源機架容量、空調制冷量需求依據設備額定功耗值測算。依據上述章節設定的需求算法，當前各類配置模型下機房配電設備容量需求如表1所示。

表1 5G機房直流配電容量需求模型

2.3 5G基站配電系統現狀

現有D-RAN站點通常采用1站1機房方式，現網存量物理站點常規配置1套直流配電系統用于基站設備供電，CRAN架構站中心機房依據機房原屬性不同配置1～2套直流配電系統。城區、主城區存量站因容量需求等因素，單物理站已疊加多套系統且采用高載波配置，現有站點配電系統開關電源接電端子接入、開關電源現有配置模塊利用、蓄電池備電容量已接近最大負荷。同時因站點建設時間、機房條件差異，5G系統疊加引起的直流配電系統需求將面臨配電機架容量不足、設備配件停產、機房空間或承重條件不足等問題[6]。

3 配電系統輕量化改造方案

3.1 采用常規方案實現配電系統改造

存量站點直流配電系統改造主要針對機房內開關電源、蓄電池進行改造。其中，開關電源改造又包含一次/二次下電接電端子新增或替換、機架容量提升、電源模塊配置增加等內容，蓄電池改造包含蓄電池的擴容替換、規模擴增。依據需求對常規配電設備改造方案進行分類描述如下。

（1）開關電源接電端子改造。優先利舊現有空余端子，若無對應規格端子，采用替換其他規格冗余端子或空余槽位新增接電端子[7]。

（2）開關電源機架容量改造。部分早期配置現網機架或壁掛式機架容量偏低，無法滿足本次5G系統疊加后容量需求，依據機房條件采用替換大容量開關電源架方案或新增1套直流配電系統（開關電源+蓄電池）為5G系統供電。

（3）開關電源模塊擴容改造。5G系統疊加后，現有機架模塊配置不足，依據測試需求擴增對應型號模塊。部分站點機架老舊，相應模塊已無法采購，常規方案參考上述機架容量不足方案。

（4）鉛酸電池容量改造。現網無線機房電池配置以兩組500 A·h鉛酸電池為主，部分站點因業務需求而疊加較多現有系統，部分站點承載周邊宏微站及室分站BBU拉遠堆疊需求，新增5G系統后，兩組500 A·h鉛酸電池需替換擴容為兩組1 000 A·h鉛酸電池。機房空間及承重條件不足時，可替換為相應容量的鐵鋰電池，但工程量較大、改造成本較高[8]。

（5）鐵鋰電池容量改造。鐵鋰電池為模塊化堆疊并聯，容量改造可參考開關電源模塊擴容改造方案。

3.2 輕量化改造思路及應用案例

輕量化改造思路是通過對疑難站老舊設備進行深度改造再利用，降低設備替換帶來的大工程量和高成本，同時對配電系統改造需求進行系統性考慮，結合成本、斷站時長等因素制定系統性、簡約的改造方案。以下通過案例形式介紹輕量化改造具體方式。

3.2.1 改造案例A

圖2 輕量化改造案例改造效果示例

站點B 5G疊加后開關電源一次下電接電端子已接滿，無法新增或替換；電源模塊配置不足需擴增50 A模塊2塊，對應模塊可采購；現有2組500 A·h鉛酸電池滿足5G疊加后站點3 h備電時長。綜上所述，本站開關電源一次下電需對現網設備進行收編改造，無法收編改造時需考慮整體替換開關電源。上述方案改造工作量過大，通過研究改造開關電源母排的可行性，結合廠家論證，制定在開關電源空余位置拓展1塊母排的方案，匯總批次需求，由相關開關電源廠家統一實施[9]。

3.2.2 改造案例B

站點B 5G疊加后開關電源接電端子滿足，電源模塊配置不足需擴增50 A模塊2塊，但電源設備型號老舊，對應模塊無法采購；現有兩組500 A·h鉛酸電池滿足5G疊加后站點3 h備電時長。綜上所述，本站僅需擴容2塊50 A電源模塊，但因同型號模塊停產無法擴增，采用常規整體替換開關電源方案，但存在工程量大、改造成本高、斷站施工等問題。通過研究將開關電源模塊框槽整體拆除，替換成可新安裝該品牌新型號電源模塊框槽輕量化方案，實現開關電源的可擴容、再利用[10]。該方案可邀請開關電源廠家具體實施，實施時無需斷站（期間由蓄電池供電），且可有效降低改造工作量與成本。

3.2.3 改造案例C

站點C開關電源一次下電接電端子已接滿，無法新增或替換，電源模塊配置不足需擴增50 A模塊2塊，對應模塊可采購；同時兩組500 A·h鉛酸電池不滿足5G疊加后站點3 h備電時長。綜上所述，本站開關電源一次下電需對現網設備進行收編改造，電池需替換為兩組1 000 A·h鉛酸電池或滿足3 h備電時長鐵鋰電池。輕量型改造以改造的系統性角度出發，將開關電源及蓄電池改造需求合二為一，結合原方案改造成本分析，引入室外一體化柜改造思維，通過遴選滿足5G系統供電需求、安裝維護便捷、機房空間條件需求度低的一體化能源柜為新疊加5G系統供電。

3.3 方案優勢分析

通過對3個不同條件、需求的改造案例分析，由設備廠家實施對開關電源結構性改造，同時新增為5G系統提供專屬供電保障的集成化新能源機柜，實現直流配電改造簡約化、輕量化的目標，可有效降低配電系統改造的周期和成本。結合案例從改造工時、改造投資以及斷站需求3個維度量化對比，如表2所示。

表2 輕量化與工程常規改造方案多維度對比

4 結 論

5G設備功耗高，現有共址存量站點配電系統普遍存在改造需求。面對原有設備配件停產、機房空間或承重不足等場景時，單一工程常規改造方案存在改造周期長、成本高、對現網影響大等不足。通過對基站配電系統設備現狀、改造需求、系統整體性分析，提出對配電設備進行結構性、集成化改造方案。經實施論證，該方案具備經濟性、高效性特點，可為當前5G規模部署中直流配電改造提供借鑒。