解決基站綠色高效用電創新技術應用分析

摘要：隨著5G基站的站址數逐年提升，現場管理和基站能耗管理方面的問題逐漸暴露出來，基站電費共享分攤亦存在問題。同時，5G用電量較4G用電量提高許多，5G基站用電平均高出3倍，高昂的電費成本成為運營商的巨大壓力。通過綠能、節能、儲能、反向供能即“四能”應用，提供了綠色高效用電創新技術，解決了基站無法實現能耗精細化管理的問題；實現了綠色節能降耗，達到了為用戶節省電費成本的目的。因此，高效用電的創新技術具有較高的社會意義、環境意義和經濟價值。

關鍵詞：5G基站；基站能耗管理；基站電費共享分攤；節能降耗

一、引言

中國鐵塔是全球規模最大的通信鐵塔基礎設施服務提供者，為堅持共享發展理念，實施一體兩翼戰略，主要從事通信鐵塔等基站配套設施和高鐵地鐵公網覆蓋、大型室內分布系統的建設、維護和運營，同時依托獨特資源面向社會提供信息化應用和智能換電、備電、充電等能源應用服務，是我國移動通信基礎設施建設的“國家隊”和5G新基建的“主力軍”。為實現“保住、管細、延壽、用好”在網資產，加大安全隱患整治力度，提高愈齡資產健壯性，切實保障設備設施運行安全和客戶服務質量，提升資產全生命周期運營價值，打造“健康塔”“長壽塔”，并開展鐵塔資產修理整治。2019年上海市人民政府關于加快推進本市5G網絡建設和應用的實施意見，預示上海進入全速推進5G網絡建設時期。鐵塔公司作為通信鐵塔基礎設施服務商，全力支持配合運營商5G大建設任務。截至目前，上海鐵塔擁有物理站址超3萬座，經過數年間5G基站建設，上海鐵塔擁有5G邏輯站址數共計5.6萬座，95%通過共享存量站址實現，助力上海5G基站密度、5G基站數和5G網絡下載速率等均在全國領先，率先建成\"雙千兆城市\"。

隨著5G基站站址數的逐年提升，在現場管理和基站能耗管理方面的問題逐漸暴露。運營商主設備較多的機房內，由于設備線路復雜以及施工不規范的原因，存在原計量設備霍爾線圈漏套和套錯客戶設備的情況，導致基站電費共享分攤存在問題。同時，5G用電量較4G用電量提高許多，5G基站用電平均高出3倍，高昂的電費成本成為運營商的巨大壓力。因此，運營商高度關注5G設備用電情況，原基站安裝計量設備無法區分運營商5G和非5G設備的能耗計量，無法實現能耗精細化管理的目標。

二、基站綠色高效用電創新技術的原理及功能

為了徹底解決基站現場施工混亂和基站能耗不精細的兩大問題，需要對當前現狀進行細致的研究分析。從需求定義、系統設計、功能實現、集成測試和運維維護，創新研發了智能配電解決方案，可以實現配電全流程管控。通過技術攻關，解決了設備無法實現差異備電﹑能耗計量不準和無法預警異常等難題。基站綠能、節能、儲能、反向供能（以下簡稱為“四能”），解決基站綠色高效用電創新技術的具體分敘如下：

（一）基站綠色高效用電創新技術的原理

智能配電解決方案的原理主要是通過配電單元硬件的創新設計和理念，在普通的空氣開關上加上了兩個功能：控制和計量。通過空開側邊的內嵌電機實現，可通過遠程命令方式，讓電機運作從而實現對應空開的合閘和分閘。也通過電機實現將凸輪卡死空開，以機械鎖定的方式禁止現場將空開合閘。同時采用的能耗計量是目前最為精準和先進的錳銅計量方案，當負載電流方向經過的錳銅分流器時，電流會在電阻上產生出一個毫伏級的電壓值。可根據經過電流的大小發生變化而導致錳銅的電阻值發生響應變化，后續根據歐姆定理可計算出電流值實現計量。通過BIM技術將現場安裝的網關情況，如能耗數據、設備狀態、操作命令等通過無線傳輸的方式發送或接收。智能調度平臺通過匯總和分析每個基站的每套智能配電單元設備數據，實現大數據分析、差異化備點等功能。

（二）基站綠色高效用電創新技術的功能

實現了以下六大功能：一是打造智能配電調度平臺，可查看全市存量及新建基站的配電資源情況，實現了“資源調度自動化、空開狀態可視化、配電規則流程化、能耗數據圖表化”，該平臺會收集每個基站的各個空開能耗情況，并根據自定義的能耗算法，判斷客戶設備運營的工作狀況，為用戶提高了設備使用效率。在負載低的情況下自動關閉設備，達到節能降耗，為用戶節省電費成本的目的；二是通過無線傳輸方式，實現對智能空開遠程上電、下電及鎖定，有效管控了現場隨意接線、合閘、分閘等操作，提高了現場施工的規范性、安全性；三是平臺比對用戶訂單狀態，有效管控客戶設備內驗、交維、起租、上電等規范流程，進一步提高電費的精細化管理；四是支持單路空開接入設備的電量計量，為用戶精準化分析設備運行情況提供了有效的數據支撐，協同用戶降本增效；五是可設置任意時間段上電、下電，滿足不同客戶的差異化備電需求；六是具備非故障性空開下電情況的自動恢復功能，維護人員無需上站手動合閘供電，減少維護上站次數，提高了工作效率。

三、基站綠色高效用電創新技術的現狀及優化

（一）基站綠色高效用電創新技術的現狀

上海現有近三萬座基站中，目前在網運行鉛酸電池共計近1萬組。鉛酸蓄電池使用過程中出現老化和性能劣化，極大縮短了后備電池的有效供電時長。研究探索鉛酸電池延壽解決方案就變得尤為重要。首先調研了基站鉛酸電池使用現狀，發現的問題是蓄電池使用一定循環次數后，不能有效輸出，或輸出效率不足，導致無法達到預期的儲能收益，甚至因對單體電池無法管控產生安全問題。

通過對鉛酸電池在國內最新相關技術的了解與研究，采用在單只電池主動均衡管理的方法來解決鉛酸電池延壽的問題。通過實時掌控單只蓄電池工作狀態，保障充放電過程中單只無損，則可有效實現應有蓄電池循環壽命。在監控蓄電池整組剩余容量、剩余備電時長性能基礎上，結合站點信息、物業信息、環境信息、發電設備、接口信息等生成最優調度方案，蓄電池智能精準管理平臺獲取充放電策略，從而降低日常應用中的油機發電成本，提高代維發電響應效率。

（二）基站綠色高效用電創新技術的優化

通過結合蓄電池整組及單體的情況，將電池中單體能量較高的遷移到電池中單體能量較低的，或使用整組（4節或24節）的電池容量補充到整體中單體容量最低的電池，能量通過這個環節進行均衡分配及調度。均衡系統是由兩個電池組成，經過兩個電池并聯形成一個均衡單元，一個均衡單元由于容量不平等，產生電量、電流或電壓不平衡時，該均衡電路在相位相反的兩個方波驅動下交替開關，由電路中的儲能元件構成的能量或者容量交換通路依次把電池組中電壓高的電池的電荷遷移至電池組中整體電壓低的電池中，直至將上述所說的兩個電池的容量、電壓、電流平衡為止。

通過解決以上問題，主要實現了以下三大功能：

首先，實現差異化充電。以往通信基站的電池充電采用整組充電的方式，無法對不同級別電壓進行差異化區別，差異化配置，本系統改變以往的充電方式，采取差異化充電，實現對不同狀態的電池（按電壓、容量、電流等）進行區分，施加對單體電池以最適合的充電電壓/電流進行充電，避免整組充電帶來的電池組中單體電池的欠充、過充問題，做到對單體電池的高效率、特性充電。

其次，實現能量轉移放電。以往放電模式為整組統一放電，組中單體全量參與，在以往傳統的放電過程中，無法區別化對待落后單體電池，在采用本新技術后，可以通過系統智能判斷，將由部分電池的能量對“落后”電池進行額外的能量補充，從而在根本上保證整組電池中個體電池的容量、電壓的一致性，避免傳統方式放電帶來單體電池過放、欠放問題，做到高效率、特性化放電。

最后，實現電池鏡像技術。傳統模式中，如果整組電池中單體或者數節出現斷路或者開路等極端情況時，會導致整組電池出現瞬斷，從而引起斷站、無法提供服務的情況。

而通過電池鏡像技術，對出現極端情況的單體電池（線束脫落、斷路、短路、內部極板損壞等情況）采取鏡像處理，通過鏡像技術，模擬出一節或數節電池電壓及容量，保證電池組工作電壓穩定和持續供電，效果如下：

首先，提升基站備電時長。將基站內原有鋰電池移放到四能柜中，通過與換電柜融合，一起實現基站的安全、高效備電功能；換電柜日常仍可正常運營，通過換電柜與四能柜的結合將不確定的換電電池容量最大程度作為基站備電時長的補充。

其次，結合光儲系統，降低基站整體用電成本，實現綠色低碳。四能柜結合光儲系統，使電網與新能源和儲能電池實現相互融合、能源互補，降低整體用電成本。基站上方敷設了光伏板，可以降低基站內部溫度，從而間接降低用電能耗。

第三，通過峰谷電價差套利，盤活電池資產，取得額外收益。國家為適應新能源大規模發展，更好引導用戶有序用電，促進新能源消納，并后續隨著電力逐步市場化后，分時電價成為大趨勢。基站為24小時負載，無法避開峰時電價的用電時間，通過電池谷時吸納電量，峰時釋放電量的方式，可以實現降低用電成本。

最好，聚合四能柜資源，協同基站參與虛擬電廠調度，取得額外收益。虛擬電廠目標就是實現電網穩定，同時保證電網安全運營，實現市場資源最優化。根據現場測試輸出波形判定，并網切離網3ms，離網切并網10ms，并離網快速切換時間均≤20ms，可以實現電源類負載不掉電。經過第三方檢測結果：保障基站的用電可靠性及不間斷供電。

四、基站綠色高效用電創新技術的案例分析

兩個基站經濟性測算非常好，兩個案例測算如下：

項目一：基站站點四能柜配置

基站四能柜系統：15kW/86kWh（38kWh作為備電使用，剩余50kWh作為儲能使用，參與峰谷套利和虛擬電廠）基站四能柜設計壽命15年，電池不低于6000次循環。站點情況：站點總負載18kW，峰時電價1.0437元/度，谷時電價0.4941元/度。

站點年用電費用統計：基站每日用電量：18kW×24H=432kWh/天，每日電費：216×1.0437+216×0.4941=332.17元/日，每年電費332.17×365=12.12萬元/年。預估削峰填谷收益：基站每天的峰時用電期間，其中50KWh可通過四能柜實現谷時用電成本，按上海峰谷差價0.5496元/kWh，考慮電池往返效率90%，電池衰減系數96%，實際峰谷差價為0.5496×0.9×0.96=0.4749元/KWh。每日削峰填谷收益為50×0.4749=23.75元/日，每年削峰填谷收益為23.75×365=0.87萬元/年，預估減少投資基站備電收益。基站內每5年投入100AH電池×8，每5年投資2.4萬元，15年共節約投資約2.4萬元/次×3=7.2萬元，預估參與虛擬電廠響應收益，按照歷史情況判斷預估參與虛擬電廠調度20次/年，根據目前上海國網發布的虛擬電廠政策：快速響應6元/kWh，每年虛擬電廠60KWh×6元/KWh×20次=0.72萬元/年，預估光伏發電收益，根據上海地區的年光照總輻射量1492kWh/m2，光伏板的裝機功率8kW，以及光伏組件的衰減系數（首年2.5%，其余每年0.6%），和系統整體效率96%。

15年的平均每年的收益 1492×8kW×96%×93.3% =0.56萬元/年。

項目二，15年預估總收益為：削峰填谷：0.87萬元/年*15=13萬元，虛擬電廠：0.72萬元/年×15=10.8萬元，光伏發電： 0.56萬元/年×15=8.4萬元，減少備電投資：2.4×3=7.2萬元

15年總計收益：13萬元+10.8萬元+8.4萬元+7.2萬元=39.4萬元，項目規模化量產后，每套四能柜系統EPC投建成本為15萬元/站左右，靜態回收期預計5.7年回本。

通過兩個案例測算，表明基站綠色高效用電創新技術應用有很好的經濟效益。

通過兩個案例測算，表明基站綠色高效用電創新技術應用較好的經濟效益。

五、結束語

實踐表明通過“四能”融合解決基站綠色高效用電創新技術，解決了基站無法實現能耗精細化管理的目標，達到了節能降耗的目的，為用戶節省了電費成本，因此具有廣泛的社會意義和經濟價值。圍繞產業高質量發展的總體目標，以大力發展基站工業化為載體，以數字化、智能化升級為動力，形成一套涵蓋科研、設計、生產加工、施工裝配、運營等全產業鏈融合一體的智能建造產業體系，從而大力推進基站設施新質生產力的發展。

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