基于物聯網的智能全并聯直流基站疊光系統設計與實現

沈國平 付銳 吳響容 黃卓越 呂明

（1.浙江經濟職業技術學院，杭州;2.杭州大光明通信系統股份有限公司，杭州）

1 引言

為了加快實現綠色和可持續發展的“雙碳”目標，節能減排、提升系統能效、采用綠色能源是通信基站持續發展的必經之路[1]。踐行低碳新理念，降低成本損耗已成為通信運營商的戰略目標。隨著光伏發電的廣泛應用，開發光伏新能源實現基站供電的綠色優化方案越來越引起各大運營商的重視。各大運營商紛紛引入“站點疊光”概念，對通信基站部署光伏，實現太陽能、電網、儲能電池多路供電[2]。為了更好地保障通信基站正常運行，提高基站綠色電能使用水平，在現有基站供電基礎上引入光伏發電系統。太陽能光伏供電，作為基站新能源建設方式，對緩解當地電網的用電負荷，促進通信基站的綠色發展具有積極的作用。

2 基站太陽能光伏

2.1 運營商基站

在移動通信系統中，目前運營商的基站分類一般分為宏基站、微基站和室分站三種。

2.1.1 宏基站

宏基站是移動通信系統中最基本的基站，其覆蓋面積大，可以滿足用戶對移動通信信號的要求。宏基站由于功率較大，需要一定的供電能力和建設成本，因此在建設中一般采用專用電源，通常部署于大型城市、交通樞紐等區域。

2.1.2 微基站

微基站是一種小型的基站設備[3]。它主要以機柜形式存在，是在室外人流相對集中的環境中部署的小型蜂窩網絡，具有覆蓋面積小、覆蓋距離短、覆蓋效率高等特點。

2.1.3 室分站

室分站是指在建筑物內部建立通信網絡，以實現無線信號覆蓋的一種基站。通常情況下，室內分布系統包括有源和無源兩種類型。

本文研究的基站光伏智能疊光綠色能源系統主要是宏基站，宏基站相對都具有固定的建筑物，具有安裝光伏組件的條件。

2.2 太陽能光伏

太陽能作為一種清潔能源，其能量巨大、無污染、非地域受限性等優勢，成為近些年來發展最快、最具活力的研究領域之一，其能量輸出隨著光照強度、溫度等環境條件的改變而改變。

光伏發電通過將太陽的光能轉化成電能實現對負載供電[4]。將太陽能光伏系統引入通信基站，通過光伏適配器將太陽光的光能轉換為電能，最大程度利用太陽能給基站供電，保證通信基站正常運行，節能環保的同時也緩解了用電高峰時期的市電壓力，為市民的生活和工作提供保障。

3 基站光伏系統傳統方案存在的問題

3.1 高壓直流，安全性隱患大

傳統基站光伏系統一般是光伏組件通過串聯，直流電壓達到500V～1000V（12kW 基站負載以下的一般光伏組件串聯達到此電壓），通過逆變器輸出380V 交流電壓供基站負載用，或通過并網柜并入國網電力系統。光伏系統直流側電壓達到500V～1000V，其拉弧往往是各類光伏電站火災事故的重要原因，安全風險較大。

3.2 能量轉換損耗大

傳統基站光伏系統需要經過二次能量轉換，一次是直流500V～1000V 通過逆變器輸出380V 或220V 交流電，第二次能量轉換是通過基站開關電源將380V 交流電轉換48V 低壓直流電，供基站設備用電[5]。經過兩次能量轉換，將損耗光伏發電電能。

3.3 投資大

在我國，基站設備用電是-48V 直流系統[6]，傳統基站光伏系統需要逆變器將直流電轉換為交流電，需要通過并網柜將電能上傳國家電網。這就大大增加了設備投資。

3.4 管理工作量大

傳統基站光伏系統因增加了逆變器和并網柜，增加了設備的故障點，并網柜的維護保養一般都需要電力局負責實施，因此會增加協調管理的工作量。

4 基站光伏智能疊光系統設計

DC-48V 疊光控制器系統采用模塊化設計思想，由太陽能光伏組件、光伏組件數字化適配器、低壓型智能匯流箱三部分組成，匯流箱輸出的直流電直接并入原基站開關電源和蓄電池能源系統。

4.1 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件是光伏發電系統的核心，其主要職責是將太陽光能轉化為電能。由于太陽光能輻射分散，單位面積上的能量有限，因此，通常需要將N 個（N ≥2）太陽能電池板串聯或者并聯，組成光伏電池方陣，以此獲得穩定、持久的太陽能資源，最終為負載供電。

本系統使用的光伏板是通過全并聯的方式組網，根據屋頂面積及實際場景進行組件裝機配置，可單組件擴容，保障投資收益最大化。

4.2 光伏組件數字化適配器

光伏適配器，即通用光伏DC/DC 模塊，安裝在每塊光伏組件背面，實現單個組件DC/DC 電源升壓[7]。光伏適配器將太陽能光伏組件電壓升壓轉換為48V 直流系統電壓，以并聯方式接入低壓型智能匯流箱，經匯流箱匯流后接入基站/機房開關電源直流母排，最終將太陽能產生的電能轉化成通信基站需要的電能，完成直流側疊光應用。

運營商基站的電源通常使用380V，而基站內部設備工作時需要使用-48V 直流電源。通常，每個基站會配置兩組蓄電池。當基站停電時，蓄電池會為基站提供電力，這時電流最高可能會達到上百安培，具體數值取決于不同的基站和其耗電情況。一般基站在正常市電供電時，對電池浮充狀態，在負載供電母排上是-52V 到-54V 之間，在對電池均充狀態，在負載供電母排上是-55V 到-56V之間。

4.2.1 基站光伏組件選擇

光伏組件一般直接直流輸出是12VDC、24VDC、48VDC，移動基站一般均是-48V 直流系統，故基站光伏智能疊光系統可選擇550W 輸出開路電壓在48V～49.1伏的光伏組件。

4.2.2 基站光伏電池板串聯、并聯選擇

光伏組件單板輸出電壓不能滿足基站設備供電要求，要滿足基站設備供電要求，則可以通過光伏電池串聯后再降壓來實現，或通過單塊光伏電池通過適配器將輸出電壓升壓到滿足基站負載供電要求。本方案選擇所有光伏電池板電源輸出通過并聯，每個光伏電池板配置適配器，通過適配器將輸出電壓升壓到滿足基站負載供電要求的方案。

光伏電池板適配器實現單個組件DC/DC 升壓，對每塊光伏板通過MPPT 跟蹤調節，提升發電效率，安裝光伏組件背面。針對系統安全性，專門針對通信基站設計輸出電壓范圍，輸出高限閾值可調。設計輸出啟動無波動，不會對負載設備及蓄電池產生沖擊。單個光伏組件參數的采集，通過RS485 上傳到匯流箱。

4.2.3 基站光伏電池板數量設計原則

基站光伏電池板數量設計原則是基站總光伏電池板發電功率小于等于基站實際負載最大值功率。假設基站最大直流負載是5.3kW(不含電池均充時的功率)，一般基站正常工作時負載電壓是-53.6V，則基站負載電流最大98.88A。如選擇的光伏組件是550W 每塊，則選擇8塊光伏電池板。通過8 塊光伏電池板并聯，電池板最大輸出功率4.4kW，最大輸出電流82A，低于基站負載電流最大98.88A。8 塊光伏電池板適配器并聯接入智能匯流箱，并且每個適配器通過RS485 與匯流箱控制板通信。

4.3 智能匯流箱

將光伏電池板適配器輸出并聯接入匯流箱，匯流箱控制板通過RS485 采集光伏適配器工作狀態信息，形成物聯網組件級監控。同時，匯流箱配置獨立直流電表對疊光系統發電量進行精準計量，實現精細化管理；在光伏板正常發電時，匯流箱控制板通過RS485 調整適配器輸出電壓高于開關電源母排電壓的1.5V～2V，保證優先使用光伏電池板電能。

匯流箱內直流計能電表通過RS485 接入匯流箱控制板，匯流箱控制板自帶4G 無線模塊和以太網網口，可以通過4G 無線上傳到能耗平臺，同時可以通過以太網接入基站動環監控系統，實現物聯網有線/無線雙通道數據監控。

智能匯流箱通過4G 模塊，將現場運行數據及系統發電數據上傳至能耗運營管理平臺，實時監測每個組件工作狀態、任何組件損壞可以快速定位，實現遠程運營管理，極大降低運維成本。此外，智能匯流箱具有輸入熔絲保護、直流防雷、輸出空開保護等完善的保護機制，能夠保證通信系統可靠運行。

基站智能疊光系統通過匯流箱的電源輸出端口連接至原有基站-48V 高頻開關電源直流母排，可實現優先光伏發電為基站供電。開關電源接入點必須選擇在開關電源的一、二次下電接觸器與電池電流檢測分流器(或霍爾)之間母排上，接入點不能接在電池分流器下端或直流負載端，否則將影響電源系統對電池電流及負載電流檢測，造成電源系統控制邏輯異常。基站光伏疊加供電系統要求匯流箱、光伏組件支架單獨進行接地，接地排原則上利用基站已有接地排。

5 甘肅某運營商張掖火車站基站光伏智能疊光綠色能源系統應用案例設計

5.1 張掖火車站基站適合安裝光伏發電系統

甘肅省的張掖市是太陽能資源較豐富的區域之一，其火車站基站樓頂有400 平方米，周圍沒有建筑物遮擋，環境適合安裝光伏發電系統。

5.2 張掖火車站基站光伏組件的選擇

張掖火車站基站直流負載功率5.6kW(不含蓄電池均充功率)，基站正常工作時直流電壓是-53.3V，基站負載電流在105A。選擇的光伏組件550W 每塊，通過8 塊光伏電池板并聯，電池板最大輸出功率可達4.4kW，最大輸出電流可達82A。

5.3 張掖火車站基站光伏智能疊光能源系統安裝后數據分析

從該站點運行數據可以看到：在2023年9月22日至9月28日這段時間內，張掖火車站基站光伏智能疊光能源系統的總發電量達到了121.29KWh，平均每天發電17.3KWh。據統計張掖地區一般光伏年有效利用小時數是1611.88 小時，折算一年可正常光伏發電天數為200 天左右，則張掖地區一個基站一年可光伏發電3460KWh，該系統的應用可以直接減少市電用電量。

6 總結

本文針對基站光伏系統傳統方案存在的問題，在校企合作的基礎上設計的一款智能全并聯直流基站疊光系統，經過實際安裝應用，檢驗出可以減少市電用電量，緩解當地電網的用電負荷，延長基站標配的蓄電池壽命，降低基站的掉站率，縮減系統維護成本等優勢，有益于構建資源節約型和環境友好型社會。同時，該系統安裝具有簡單可靠、發電效率高、運維智能、安全可靠及可行度高的特點，便于大范圍推廣。