5G時代背景下通信機房UPS電源設計的解決思路

許 亮，鄧 超

（湖北省郵電學校，湖北 武漢 430079）

0 引 言

電源是通信系統的心臟，是保證通信系統各部分正常運行的關鍵，在通信系統中有著無可替代的作用。隨著5G時代的到來，通信系統對電源供應提出了更高的要求。由于5G網絡采用超密集組網技術，基站數量不斷增加，電源需求也必然不斷增加，特別是小型、微型站點獲得爆炸式增長，造成站點的電力引入困難。同時，已建基站機房空間相對有限，電源系統的改建、擴建困難，而基站機房數量增多，同樣也需要更可靠、高效的電源。因此，基站電源解決方案的重要性不言而喻，為確保5G基站的正常穩定運行，必須提高基站機房電源的可靠性、安全性以及高效性。

1 5G通信機房中UPS電源的建設

1.1 UPS電源的選擇和配置

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）按照工作模式不同可以劃分為后備式、在線式以及在線互動式3大類。在通信機房運行的過程中，對于電源的性能、參數要求較高，為了保障機房能夠穩定工作，需要結合使用需求選擇最佳的電源設備。核心機房運行過程中，電源時刻都在工作，幾乎沒有轉切換時間，因此一般使用的UPS電源基本上都是在線式。

現階段，市場中的UPS設備種類較多，在線式設備的價格較高，但是使用過程中的性能、穩定性較強。在通信機房電源設備選擇時需要甄別不同型號和參數的設備，根據容量、環境、經濟條件，選擇質量優良、品牌社會口碑較好的電源設備。UPS電源的容量單位為kVA。在設備配置過程中需要重點關注的問題之一便是電源能夠承擔的功率，即電源的視在功率，而后需要保證功率因子的參數為0.8～1，這個數值能夠通過UPS設備的參數表進行查詢。最后，需要確保電源的通信負載功率是額定功率的70%左右，即要求逆變器的轉換效率滿足基本要求，這樣才能夠有效降低電源使用過程中出現故障的頻率，也能夠根據電源視在功率、功率因子以及逆變器轉換效率這3個數據計算出UPS電源的總體容量[1]。

1.2 UPS電源的環境要求

在通信機房中，UPS電源應當放置在整潔、干燥、通風的區域中，機房溫度為20～25 ℃，濕度為40%～50%。此環境下，UPS電源能夠獲得運行的最佳狀態。在機房建設的過程中需要安裝溫度計、濕度計以及空調等，便于技術人員在檢驗過程中調整機房的干濕度，為設備運行營造良好的空間。此外，在機房建設過程中不可或缺的設備還有防雷裝置，并且配合穩定的接地設施，能夠在雷雨天中保證機房設備安全。

1.3 UPS電源在通信基站中的設計

基站電源系統主要采用220 V/380 V交流市電引入加通信機房電源的模式。這種模式主要由市電電源系統、交流配電系統、直流配電系統以及后備發電系統組成。隨著5G網絡的進一步發展，按照目前對設備用電的需求，會對直流設備使用雙電源系統進行供電，對交流設備則使用UPS并機系統，或使用UPS-2N系統對機房進行供電，從而避免了主用與備用網元設備同時掉線的風險[2]。為了能夠提高通信機房運行時的安全穩定性，絕大多數直流供電系統均使用雙電源系統進行供電。通信機房的電源設備結構如圖1所示。

圖1 通信機房的電源設備結構

2 模塊化UPS電源系統

2.1 模塊化UPS電源系統的解決方案

隨著5G的商用推廣，物聯網、人工智能等領域的創新應用井噴式涌現，通信機房規模在可預見的未來將成倍增長，其中5G設備數量、占地面積等投資成本也將隨之飆升。

針對5G時代的通信機房應用，目前新一代模塊化UPS在原先基礎上體積縮小，對于同尺寸的產品，容量進一步提升。新一代400 kVA/kW產品占地面積由2個柜減少到1個柜，節省占地面積高達50%，大幅提高了通信機房利用率。模塊化UPS系統可實現8機并聯，容量可達6.4 MW，滿足超大型通信機房、工業等場景的電力保障需求。模塊化UPS系統應用最優化環保節能（Ecology Conservation Optimization，ECO）模式，綜合運行效率高達99%，同時可減少對電網的污染。此外，可對負載電流的諧波和無功進行智能檢測，并進行補償，有效提高旁路輸入的功率因數（Power Factor，PF）值，降低電流總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），使電網達到IEC620401類供電質量，保障更多類型設備穩定運行。

2.2 模塊化UPS電源系統的獨特優勢

模塊化UPS系統是一種高可用性的UPS主機設備系統。主機采用模塊化的設計方式，可實現在線熱插拔，除此之外，主機內部的關鍵組件均采用冗余方式，使得單臺主機的可靠性達到了傳統雙機備份的系統可靠性；同時，UPS主機系統的平均故障恢復時間也從以往的數小時下降到幾分鐘。模塊化UPS主機可以按照客戶實際負載進行配置，模塊化結構允許用戶可以靈活地根據實際情況擴展主機功率，實現隨實際負載的增加不斷提升UPS供電容量，節省了過量投資帶來的資金浪費和能量消耗。模塊化UPS降低了采購和管理成本，在模塊UPS系統下可以采用電源相位多制技術來改變過往單一性造成的制約，用戶無需再考慮如何采購不同相位或容量的UPS產品來適應系統的需要[3]。為了滿足5G信號的低時延，就必須依賴超高的基站密度和即時計算能力，從供電系統建設的角度來說，將更加復雜化。對于通信機房而言，模塊化UPS將是一種可靠、可選、可用的發展趨勢。

3 UPS發展中的新材料

3.1 第三代半導體材料

UPS電源在進行交直流變換時，會產生額定功率10%左右的功耗，這些功耗主要來自于UPS內部的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）及高頻二極管這些半導體器件。這些器件在導通和開關時均會產生損耗，并且工作頻率越高，損耗越大。隨著UPS電源容量越來越大，在不增加體積的情況下，只能通過提高工作頻率來滿足要求。由于傳統的半導體材料（如硅、鍺等）受特性限制，工作頻率的提升空間已經很小，并且伴隨著工作頻率的提升也會帶來更大的開關損耗和發熱，已經無法滿足未來UPS發展的需求。

第三代半導體材料以碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、石墨為代表，這些材料具有高頻、高壓和耐高溫等特性，在某些應用場景正在逐步代替硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。利用第三代半導體材料的這些特性，不僅可以大幅縮小電源模塊的體積，節省空間，也可以使電源模塊在較高頻率下工作時，不會產生較大功耗，大幅提升了電源的工作效率，減少了系統的發熱量[4]。隨著UPS電源用于服務器、云和電信等更高功率的應用場景，傳統材料的技術性能已經發展到了瓶頸階段，因此對于新型材料的應用變得越來越緊迫，而第三代半導體材料的應用為實現這一目標提供了可能性。

3.2 鋰電池材料

傳統的UPS電源一般采用鉛酸蓄電池，雖然價格低廉、安全性較高，但單體能量密度小、體積大、使用壽命短，且易造成環境污染。鋰電池由于材料稀缺，制造成本較高，但其單體能量密度大、體積小、使用壽命長，且較環保。從使用成本來看，一般鉛酸蓄電池的單體能量密度為30～50 Wh/kg，單位能量原材料成本約為0.40元/Wh；鋰電池的能量密度為150～200 Wh/kg，單位能量原材料成本約為0.50～0.70元/Wh。由此看來，鋰電池的原材料成本不到鉛酸電池的2倍，但同等容量下鋰電UPS的體積僅為鉛酸電池UPS的1/5～1/4，這將大幅降低電池的安裝空間，為機房節省場地費用，從而節省投資成本和持續的運營成本。從維護成本來看，一般鉛酸蓄電池的循環壽命為300～500次，鋰電池的循環壽命為2 000～6 000次，是鉛酸蓄電池的4～6倍，大大降低了更換UPS電池的成本和維護的負擔，消除了電池更換造成的宕機風險[5]。此外，鋰電池在低溫條件（-20 ℃）下的放電性能為70%左右，鉛酸電池僅不到60%。更強的環境適應性意味著鋰電池UPS可以適應更多的應用場景。隨著UPS容量的不斷擴充，在有限的使用空間里，利用鋰電池取代鉛酸蓄電池將作為UPS電源未來的發展趨勢。

4 結 論

5G在通信機房電源方面所提出的要求非常嚴格，同時為了能夠實現5G網絡的大規模、大范圍部署，相關技術人員應當結合工程具體實際場景，采取有效的技術方案來解決機房電源穩定、可靠供應的問題，以保證5G網絡的正常運行。UPS電源系統能夠為機房穩定運行、電力順利輸送提供基礎性保障，也能夠維護好通信系統的安全性。為了保障通信機房的穩定運行，需要科學設計和配置UPS電源，在通信機房建設中對動力系統實施科學、合理、規范的保養維護措施，有效延長機房電源的使用時間，為其他設備的正常工作奠定堅實的環境基礎。