電源運維在5G電源配套建設中的應用研究

周曉輝

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

盡管5G相關標準尚處于不斷完善的階段，但得益于技術層面的優勢，使其獲得了行業內外的一致好評與期待。3G技術滿足了人與人即時通信的需求，4G實現了各項數據、語音以及應用的交互發展。5G技術的到來，使人們的生活、社交、學習等也獲得了更多元的可能，它是推動現代社會朝著數字化經濟發展的最強動力。而隨著5G技術的推廣與發展，其相關配套的基站設備功率、能耗等技術指標也需要得到相應提升。因此，加強對5G電源配套技術與設備的研究，有助于5G技術的快速普及，具備重要的現實意義與社會價值。

1 5G網絡優勢及特征

（1）更高的速度。5G網絡的基站峰值要求不低于20 Gb/s，其數據傳輸速度最高可達10 Gb/s，是既往4G網速的百倍，5G技術所具備的寬帶傳輸能力可以完美滿足用戶觀看4K高分辨率（High Definition，HD）視頻、體驗虛擬現實游戲的需求。網絡設備升級后，其電源配套技術也亟需升級。

（2）更低的延遲。5G技術的優勢不僅僅體現在用戶精神體驗上的升級，該技術同時也是無人駕駛、工業生產自動化等領域變革、創新的最佳載體。既往4G通信技術的延遲約為140 ms，盡管已經能夠滿足絕大部分用戶日常生活中觀看視頻、聽音樂的需求，但卻絕對無法滿足無人駕駛、虛擬交互等新需求，反觀5G技術最低1 ms的延遲，絕對是時代發展的最佳助力。

（3）萬物互聯。物聯網是5G技術發展的源動力，基于設計需求出發，物聯網首先針對的便是對物品識別與信息閱讀的需求，其次是利用互聯網傳輸、共享相關信息數據，實現對互聯網物體的統一調配、管理與數據分析，最后優化人們工作、生活與學習的模式，實現萬物互聯。

（4）泛在網絡。泛在網絡指互聯網技術的廣泛覆蓋與縱深覆蓋。一方面，將網絡傳遞至既往接觸不到的高山、河谷之中，通過部署大量的傳感器便能夠對各個地方的地形地貌、地下河流、大氣環境等進行監測，從而對地貌變化、地震、極端天氣等進行精準預測。另一方面，其能夠將網絡信號傳遞至地下室、洗手間、車庫等4G網絡信號更差的區域，實現全域的網絡覆蓋[1]。

2 5G網絡對電源系統的需求

基于5G技術優勢與特征，能夠明確的是5G時代的到來必然需要更穩定、高效率的配套電源設施建設[2]?，F階段，5G宏站單系統的典型功耗在3～5 kW，從長遠發展來看，預計后續階段5G相關設施設備的功耗能夠下降至2.5 kW，達到既有4G蜂窩網絡的2倍以上。以此為基礎，每新增一套相對完善的5G電源系統，平均便要額外消耗7～10 kVA的外市電，而這也需要對既有范圍內的市政供電系統、后備電池容量等進行擴容升級改造，方能滿足使用需求[3]。圖1是4G基站與5G基站形態對比。

圖1 4G基站與5G基站形態對比

為了滿足5G基站供電需求，有兩條技術途徑。

（1）基于外市電出發?，F階段既有基站的外市電更多的是10～20 kVA，約占整體比重的87%，而小于10 kVA的約占6%，大于20 kVA約占7%。而4G基站大多為6%～8%，注定其無法為3家或者以上運營商提供5G網絡共享服務。

（2）基于蓄電池出發。現階段既有的基站蓄電池容量并不統一，通常以1 000 Ah最為常見，為滿足5G系統的需求，需要在既有的基礎上以200 kg的單機架出發，進行1～1.5個機架的擴容[4]。

3 5G發展背景下電源系統的新挑戰

（1）在5G功耗持續上升影響下對基站配電容量的挑戰。支撐5G的3D多入多出（Multi Input Multi Output，MIMO）技術相較于既往的通信等級而言往往具有更高的功耗，與4G相比較，其功耗便要遠超4G功耗的2～4倍，這意味著傳統的供電模式、規模、電流量等完全無法滿足其使用需求，因而建設難度較大。

（2）5G對電源穩定性、可靠性的要求極高，提升了基站后備電的建設難度。5G網絡可以廣泛地應用于虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）、自動生產、虛擬交互等業務之中，基站的穩定性是一切任務的開展與運行基礎。以工信部的數據出發，對我國近年來5G基站的增長規模以及其在未來的發展規模進行預測，預測結果如圖2所示?？梢娫谖磥?，5G基站的數量會成倍增加，但基于基礎不成熟、使用人數暴增等現實挑戰，都直接或者間接地提升了后備電源的建設與擴容難度，因而對后備電源而言提出了較新、較艱巨的挑戰[5]。

圖2 2019-2035年中國5G基站數量預測（數據來源：工信部）

4 新型運維技術在5G電源配套建設中的應用

4.1 市政供電削峰技術

所謂的市電削峰是以某一區域為主，依照該區域內通信設備功耗隨話務量來回波動的特性，在用電高峰期利用蓄電池對市政供電進行補償供電，在用電量較小的時間段對蓄電池進行充電，可以理解為一種錯峰的供電機制。該方法綜合了錯峰、限流、儲能電池等多元化的技術手段，全面約束電池的蓄電量、用電量等，以滿足不同階段的用電需求。從根源上避免了基站的大規模改造，甚至可達成高速改造或是免改造，在減少財政支出的基礎上提升建設質量[6]。

4.1.1 備電電池錯峰充電技術

該技術主要應用于用電負荷高峰時期，通過適當降低電池充電電流的方式，重點為通信設備供電，以備電池錯峰充電的方式，最大程度地滿足區域內用戶的通信有序性。結合實際的數據進行計算后可知，該技術可以達到的削峰比例約為16%，僅需要保障市電容量缺口在固定范圍內，同時24 h內停電時間在6 h之內的基站基礎環境，就能夠滿足絕大部分的供電需求。該技術并不是全然沒有缺陷，相較于其他技術而言，備電電池錯峰充電的技術手段往往需要更高的充電時長[7]。基于此，可以充分保留其優勢，聯通限流充電的方式，為廣大用戶提供更穩定的通信感受。除去對備用電池進行錯峰充電處理之外，還可通過約束電池充電電流流量的方式，能夠將削峰比例提升至30%。其更適應運用在保障級別相對較低、供電缺口不大且每24 h停電時間不超過3 h的5G基站。

4.1.2 儲能電池削峰技術

該技術手段主要通過在用電負荷較小的時間段引導儲能電池進行自動充電，并在有需要的高峰用電期進行放電，從而達成15%以上的削峰比。該技術手段最顯著的優勢在于，其不會拉長備用電池的充電、放電時長，從而有效保障5G基站運行的穩定性與質量。但該技術中的儲能電池僅僅可以在備用電池充電過程中或是在用電高峰期與備用電池進行疊加使用。具體的應用中，更適宜供電缺口較小、停電頻繁且具有規律性的5G基站。

4.1.3 錯峰充電結合儲能電池削峰技術

該方法的原理是在用電荷載高峰時間段停止對儲能電池充電，同時必須在用電負荷較小的低谷階段才能夠恢復充電。而對于高峰期、低谷期的判斷，應結合不同區域市政供電的經驗以及基站所連接設備的實際荷載情況、性能、特征等進行綜合判斷。該技術手段具有更高的靈活性與實用性，其能夠加強對通信設備負載波動情況的控制力度，進而其削峰比例最高可達到40%左右。該技術手段主要適用于具有較大缺口的市電容量，且不具備連續性停電特征的、等級較低的基站[8]。

結合實際運行過程中市電容量缺口的規模、每日停電頻率、基站其余保障等因素方面的差異，應選擇更合理、高效的市電削峰技術方案，以維持5G高功耗用電需求下，市電容量的調整穩定性。綜合上述幾種方式，設計了3種市電削峰技術方案，如表1所示。

表1 市政供電削峰技術方案闡述表

4.2 蓄電池共用管理技術

當不同類型蓄電池聯動既有電池過程中出現不兼容、排異等反應時，應用該技術在有需要的情況下適當調整蓄電池的組合類型，實現模塊化、標準化的擴容。使用過程中，首先需要對電池進行主動控制，率先引導鋰電池進行放電，為市電削峰以及削峰填谷等技術夯實基礎。其運行示意如圖3所示。

圖3 蓄電池共用管理示意圖

該技術的充電模式可以細分為基于各個電池接口與外置鉛酸電池并聯充電的共同充電模式以及基于電池接口與外置鉛酸電池依照一定順序依次充電的單體充電兩種，通常運用于市電容量存在較大缺口的情況下。

放電模式同樣可以細分為共同放電與優先放電兩種模式。一是在各條電路系統中依照設計方案，以預設的限流值為標準進行放電；二是在預設兩級放電次序的情況下結合實際需求進行優先放電。選用梯級電池可以滿足削峰的放電需求，選擇鉛酸電池可以滿足備電的放電需求。

該技術能夠使得不同廠家、型號、種類的電池聯同作業，這不僅能夠有效降低工程建設的難度與周期，同時可以縮減建設、檢修過程中的支出成本，達成降本增效的目標。

4.3 集中供電方案

以現階段較為主流的48 V供電電源為例，首先，需要將供電電壓從48 V提升至直流250～400 V，并結合專用電纜將其輸送到遠端機區域；其次，需要借助遠端機將既定電流電壓進行變壓處理，使其轉變為直流48 V以及交流220 V電流，從而為相關5G設備進行持續供電，并且其供電不會發生中斷情況。該技術不僅能夠有效降低周邊基站市電擴容壓力以及蓄電池運行壓力，同時具有較強的靈活性與較快的反應能力，因而可以在相對更短的時間內投入使用且保持運行的穩定性。

5 結 論

總而言之，5G技術的規模化、快速化發展需要多元技術的支持，這增加了基站配套電源建設工作的挑戰性。而在5G電源配套建設中加強新型技術的應用能夠有效應對其挑戰，在全方位提升5G網絡建設速度、擴大推廣范圍的同時，也能夠為相關企業、機構及5G網絡使用者提供更高的經濟效益和社會效益，促進我國通信事業蓬勃發展。