5G基站電源解決方案研究及應用

郭 濤，金立標，江 陵，陳 郁

（1.中國聯通蘇州市分公司，江蘇 蘇州 215000；2.中國聯通江蘇省分公司，江蘇 南京 210008）

0 引 言

隨著經濟、信息技術、電子技術的快速發展，據中華人民共和國工業和信息化部統計信息顯示，截至2021年6月，我國已建成5G基站96.1萬個，占全球70%，5G連接數已超過3.65億，占全球80%。下一步，我國將繼續大力推進5G、千兆網絡等新一代信息通信基礎設施建設。5G建設主要面臨的挑戰是能耗和空間的優化。其中，能耗主要分為通信主設備能耗和配套設施能耗兩部分。5G有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）通信主設備等能耗大幅增加。以中國聯合網絡通信集團有限公司建設的5G設備標準配置（3個AAU+1個BBU）為例，單個AAU設備平均功耗值0.54 kW、單個BBU設備平均功耗值0.16 kW，總功耗1.87 kW，折算成48 V系統供電，相當于每套5G設備增加直流負載35 A。基站配套設施能耗主要包括空調、電源、建筑結構，其中電源系統一般由交流供電系統、直流配電系統組成，能耗主要包括電源系統的自身損耗、線纜損耗等能量損失。另外，由于5G基站的頻率較高，在網絡覆蓋方面，5G需要增加更多的設備用于連續覆蓋。而5G基站需要大量的時間逐步建設，各大運營商都有不同程度的站址稀缺。充分挖掘現有資源，提高機房電源利用率以及區域內的共建共享將會是主流趨勢[1]。

1 5G基站動力配套現狀及問題

基站通信動力系統設備分為電源設備、空調設備、動力環境監控系統以及防雷接地系統。電源設備主要包括交、直流配電設備。其中，交流配電設備包括油機、交流配電箱、進線電纜等，直流供電設備包括開關電源、蓄電池、直流列頭柜等。基站動力系統如圖1所示。

圖1 基站動力系統示意圖

1.1 動力配套設備配置

（1）交流外市電容量不足。5G設備的增加，不僅是直觀上開關電源設備直流負載的增加，還有空調冷負荷、蓄電池擴容后充電電流的增加。按照目前運營商現有基站的資源條件，外市電容量根本無法滿足5G基站的要求，特別是轉供電、租用站點，在“雙碳”背景下，變壓器擴容難度較大，成本高，擴容改造周期長，根本無法滿足5G快速部署的要求。

（2）開關電源容量不足。目前，運營商基站內的主流開關電源主要有600 A組合式開關電源和300 A插框式開關電源兩種，配置50 A整流模塊，標準機架尺寸1 800×600×800。組合式開關電源占用機房空間，300 A插框式開關電源擴容困難。兩種主流開關電源都無法滿足5G設備擴容需求且無法實現數字化維護。

（3）蓄電池容量不足。目前，各運營商現有基站大多采用 2 組 300 A·h、500 A·h、1 000 A·h 的鉛酸閥控電池作為后備電源。隨著使用年限的增加，實際的維護工作中經常出現單組、單體蓄電池落后或開路狀態，導致整組蓄電池無法正常使用，剩余容量逐年下降，后備時長縮短。同時，隨著5G設備增加，越來越多的站點出現容量不足情況，需要擴容1 000 A·h電池甚至通過并聯更多組數才能達到后備時長要求。另外，鉛酸存在重量重、體積大、循環使用壽命短等缺點，無法滿足后期削峰填谷等新節能技術的推廣使用[2]。

1.2 站址稀缺以及基站空間不足

5G時代的到來，意味著同一區域需要的5G通信設備比4G通信設備多。因此，在一個面積緊張、空間狹小的接入機房內要放置更多的機柜，必然要占用大量空間。目前機房內除了機柜，最占用空間的無疑是電源及后備電源，很多機房目前都標配600 A組合式開關電源，2組500 A·h雙層雙列電池，約占用10個機柜位置。考慮電池維護等因素，實際占用空間更大，因此高密度模塊化電源和鐵鋰電池的空間優勢就顯得尤為重要。

2 新的供電解決方案

2.1 高功率密度模塊化電源

高功率密度模塊化電源采用標準19英寸機架式安裝，高度僅4U，配置8塊高功率75 A整流模塊，滿配600 A，體積是同容量600 A組合式開關電源的1/4，安裝擴容方便，可快速部署。它搭配智能監控單元，可對削峰填谷全周期監控，計量削峰填谷數據，通過對鐵鋰電池實時監控檢測電池整體狀態，實現站點數字化、智能化。高密度功率模塊化電源結構如圖2所示。

圖2 高密度功率模塊化電源結構

高密度功率模塊化電源具有以下優點：一是支持“市電削峰”，支持“錯峰用電”，搭配智慧鋰電可實現智能儲能，合理利用電峰谷電價差，節約成本；二是通信接口豐富，滿足RS485、網口、干接點等，便于實現遠程管理；三是支持交、直流計量，支持多種計費模式；四是支持光伏高低壓平滑疊加供電；五是支持配電單元靈活擴展；六是內置藍牙和連接密碼，采用通用App，用于本地維護[3]。高密度功率模塊化電源監控如圖3所示。

圖3 高密度功率模塊化電源監控

2.2 智慧鋰電

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，由電極、電解液、外殼、極柱及隔膜組成的蓄能單元。與常規閥控鉛酸蓄電池相比，智慧鋰電除了具備體積小、重量輕、能量密度高、循環壽命高等優點，還具備以下優勢。

（1）滿足直流遠供、新舊混用、鉛鋰混用等場景，雙向DCDC智能鋰電管理系統，完美地解決了常規鋰電的短板。

（2）因為體積小、重量輕，智慧鋰電在安裝時，對空間和承重沒有特殊要求，節省了基站空間資源，在有限的空間內盡量為5G設備騰挪空間，易于維護使用。

（3）工作溫度范圍廣。相比常規閥控鉛酸蓄電池苛刻的環境溫度要求，智慧鋰電工作溫度在-20～50 ℃（推薦使用溫度15～35 ℃），南方高溫環境下不會造成容量損失。

（4）狀態監測。支持對電芯的電壓、溫度以及整組的電壓、電流檢測，具備電荷狀態（State Of Charge，SOC）、健康狀態（State Of Health，SOH）檢測計算，易于維護使用，可以最大限度地提升電池的安全可靠性和使用壽命。

（5）內置先進的電池管理系統（Battery Management System，BMS）功能。電池管理系統搭配雙向DC功率變換技術，具備雙向升降壓功能，可與站點存量電池直接并聯使用，滿足電池利舊、站點備電平滑擴容需求。

（6）并聯擴功率特性。最大支持32組電池并聯，支持最大功率不高于4 kW。

（7）告警管理。支持過壓、欠壓、過流、高低溫等異常告警。

（8）恒流恒壓。在工作期間內均使用恒流恒壓的工作模式且充放電限流可調，避免因電池組自身的不均衡性而導致電池組出現過流保護切斷輸出，出現“雪崩”效應。

（9）均流控制。通過控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）通信接口，每個電池可接收其他電池組的數據信息，通過自適應均流策略運算，實現放電均流控制，或采用自適應容量均衡策略運算，實現最佳容量匹配充放電[4]。

2.3 氫燃料電池

氫燃料電池實際是一種質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC），使用H2作為燃料，與空氣中的氧氣在電堆內反應生成水。通過電化學反應將化學能直接轉換為電能，因為氫燃料電池結構構造簡單，具有能量轉換效率高、噪聲小、穩定的特點。同時，反應物H2為可再生清潔能源，電化學反應過程中不產生明火，無安全隱患，生成物為無污染的水且不產生溫室氣體，是真正綠色環保的新能源。氫燃料電池原理如圖4所示。

工作原理如下：一是H2通過管道或導氣板到達陽極；二是在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質子，并釋放出2個電子，陽極反應為H2→2H+2e-；三是在電池的另一端，O2（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，在陰極催化劑的作用下，O2和H+與通過外電路到達陰極的電子發生反應生成水，陰極反應為1/2O2+2H+2e-→H2O，總的化學反應為H2+1/2O2＝H2O。

電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給H2和O2，就可以向外電路的負載連續輸出電能。

2.4 傳統備用電源供電方案與氫燃料電池備用電源供電方案對比

傳統備用電源供電方案如圖5所示，氫燃料電池備用電源供電方案如圖6所示。

圖5 傳統備用電源供電方案

圖6 氫燃料電池備用電源供電方案

與傳統的備用電源供電方案相比，氫燃料電池具有以下明顯的優勢。

（1）應急能力。燃料電池單次能夠持續運行24 h甚至更長，而鉛酸電池的備用時間一般為8 h左右。

（2）遠程監控。監控中心可以通過遠程監控模塊，實時監測和控制燃料電池各部分的運行狀況、庫存燃料量；對鉛酸電池來講，監控中心難于監控電池備用時間，需要人工維護。

（3）安全性。氫氣作為極易揮發的氣體，在儲罐泄漏時在敞開空間不積累，安全性遠高于汽油、液化氣；氫是儲存在儲罐中，不是在燃料電池中，安全性遠高于鉛酸電池和鋰電池。

（4）使用能耗。電池運行溫度范圍窄，一般在20～28 ℃，需運行在空調房間，維護能耗非常高。燃料電池的運行范圍廣，可以在環境溫度為-40～50℃內運行，維護能耗幾乎為零。

（5）低噪聲。與傳統的柴油機相比，燃料電池在運行過程中同噪聲低，對于靜音要求高的場所尤為重要。

（6）綠色環保。與鉛酸電池相比，燃料電池在生產、使用及用后可循環過程中對環境污染排放非常低，綠色環保；不同于傳統的柴油機，燃料電池在運行過程中不發生燃燒，沒有NO2、NO、SO2以及其他固體顆粒產生。

（7）經濟性。生命周期內，按8年計算，其花費低于現有的鉛酸電池電源系統。

（8）可靠性。在大多數情況下，燃料電池的可靠性和平均無故障時間均高于現有產品。

（9）空間占用。對于相同備用時間的備用電源，氫燃料電池備用電源不占機房內設備空間，且所占空間比普通蓄電池備用小得多，尤其是當備用時間不少于8 h的情況下。

3 5G基站電源解決方案試點效益分析

通過上述的研究分析，中國聯合網絡通信集團有限公司對于這3項5G供電技術進行了試點安裝，針對不同場景的基站，應用不同的技術解決方案。現就試點測試數據及經驗分享如下。

3.1 高功率密度模塊化電源搭配智慧鋰電

中國聯合網絡通信集團有限公司某分公司八坼友誼路基站機房有5G設備接電需求，基站原搭配1套愛默生PS48600組合式開關電源，直流負載180 A，搭配2組500 A·h雙登電池，主要設備為6個4G BBU、8個5G BBU、3個5G AAU，還有電信、移動友商等無線設備，預計5G設備負載需求60 A，現有基站開關電源、電池無法因站點空間限制，已無法擴容[5]。

針對以上情況，于2021年12月采用高功率密度機架電源及智慧鋰電進行改造擴容，將600 A高功率密度機架電源及4組48 V的100 A·h智慧鋰電集成在一個標準2M機柜內，將無線BBU及新增5G設備接至新設備內，目前該試點運行情況良好，負載85 A，鋰電池后備時長滿足3 h要求。在基站有限的空間資源條件下，基站空間面積節省3/4，完全滿足基站5G設備的接電需求，同時解決原有開關電源、電池容量不足問題。高密度功率模塊化電源及智慧鋰電試點安裝圖如圖7所示。

圖7 高密度功率模塊化電源及智慧鋰電試點安裝圖片

3.2 氫燃料電池

中國聯合網絡通信集團有限公司某分公司的姚橋基站地勢偏遠，處于縣分鄉鎮區域，發電距離較遠，使用移動式發電車發電較為困難，選取該站點進行氫燃料電池的測試。該站采用的氫燃料電池與基站開關電源系統進行了聯動，可對此次試驗的氫燃料電池進行遠程監控，并進行聯合調測。測試期間，記錄了氫燃料發電機綜合能耗、柴汽油消耗量及費用、人工費等，估算10年柴油機發電和氫燃料發電機發電總成本。在試驗期間基站內設備運行正常，無故障發生。氫燃料電池試點安裝如圖8所示。

圖8 氫燃料電池試點安裝圖片

氫燃料電池發電與柴油發電機發電數據對比如表1所示。人工費按100元單次上站計算。燃料費：氫燃料發電機25元/罐，可發電1.5 h；柴油發電機每小時發電約4 L，油價按5.5元/L計算。綜合成本包含移動發電車損耗費、油費，發電車按照0.126 L/km計算。

表1 氫燃料電池發電與柴油發電機發電數據對比

由表1可知：氫燃料電池發電與柴油發電機發電數據進行了分析，通過橫向和縱向的對比，在試驗期間使用氫燃料發電機設備給基站供電1 h，可降低常規柴油發電機供電1 h成本90.6%。以10年估算，使用氫燃料發電機設備，能夠降低總成本32.8%。

4 結 論

隨著5G設備接電需求的增加及5G設備的大面積部署，通過對高功率密度模塊化電源及智慧鋰電的優勢分析，提出將高功率密度模塊化電源搭配智慧鋰電使用應用于5G高負荷站點，實現快速擴容、快速安裝，深挖現有基站的資源，利用現有基站的空間完成5G接電需求，完美匹配多種特殊場景，為5G基站供電建設、擴容提供了多種思路。通過高功率密度模塊化電源搭配智慧鋰電試點情況來看，在大部分站點沿用傳統供電方案的情況下，綜合考慮機房現有條件，利用各種新的解決方案可以有效快速地實現5G基站快速建設。通過氫燃料電池試點情況來看，使用氫燃料電池替代現有的蓄電池和移動油機發電設備，不僅能夠保證市電停電后中基站設備的持續供電，而且大大降低基站備用電源的蓄電池組、移動油機、汽柴油消耗、人工和空調電費成本投入。氫氣充足的情況下，氫燃料發電機供電時長可達20 h以上，同時運行過程中的噪聲較低。氫燃料電池設備及燃料綠色環保，能夠很好地滿足目前“雙碳”形勢下的規劃目標，在滿足基站安全的條件下，可在運營商選取合適的基站大力推廣使用。