面向5G現(xiàn)網(wǎng)電源配套系統(tǒng)改造方案研究

梁 暉，姚利民

（1.廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 廣州，510310；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江西省分公司，江西 南昌 330096）

0 引 言

2018年12月，工信部正式向三大運(yùn)營商頒發(fā)全國范圍5G中低頻段試驗(yàn)頻率使用許可，標(biāo)志著5G在國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性建設(shè)階段。根據(jù)三大運(yùn)營商2018年年報(bào)公布數(shù)據(jù)顯示，2019年三家運(yùn)營商預(yù)計(jì)約投資340億元用于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，2019年將會(huì)在部分城市開展5G試商用，2020年將全面開展5G商用。

對(duì)于運(yùn)營商，5G具有樹立品牌及獲得競(jìng)爭(zhēng)先機(jī)的作用，然而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者尤其是通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)者，5G的大規(guī)模部署將帶來更大的站址密度、更大的功耗容量及更大的建設(shè)成本。因此，如何挖掘現(xiàn)網(wǎng)資源潛力，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化快速完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，降本增效，是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者需要考慮的重要問題。

1 5G基站電源配套需求

5G的關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)能力決定了設(shè)備功耗比原有無線基站主設(shè)備有較大增幅，對(duì)基站配套提出了更高要求。5G部署初期，主要是CU/DU合設(shè)（BBU）+AAU部署。根據(jù)設(shè)備廠家調(diào)研，5G設(shè)備功耗平均約是4G基站的3倍左右，如表1所示。功耗的增加，帶來供電及備電相關(guān)改造，其散熱也影響機(jī)房空調(diào)部署。

表1 各廠家5G設(shè)備尺寸及功耗

2 通信基站電源配套核算及面向5G改造建議

通信基站電源配套系統(tǒng)是指對(duì)通信設(shè)備直接供電的電源，是整體通信設(shè)備的重要組成部分，主要由交流市電引入線路、油機(jī)發(fā)電機(jī)組、交直流配電設(shè)備、整流設(shè)備、蓄電池組、空調(diào)等設(shè)備及設(shè)施組成，如圖1所示。

圖1 通信基站電源配套結(jié)構(gòu)示意圖

5G建設(shè)過程中，由于5G站點(diǎn)設(shè)備功耗大幅度增加，導(dǎo)致現(xiàn)網(wǎng)基站電源配套需要大規(guī)模改造。根據(jù)某省5G試驗(yàn)網(wǎng)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)顯示，在僅考慮一家新增5G的前提下，外市電需改造站點(diǎn)占比26%，交流配電箱需改造占比18%，空調(diào)需改造占比25%，電池需改造占比6%，開關(guān)電源需改造占比72%。

2.1 外市電配置原則及改造建議

外市電主要為基站提供220 V/380 V交流電源，是整個(gè)通信基站所有動(dòng)力的根本。根據(jù)電壓等級(jí)，外市電一般分為3類。其中，用戶電是220 V、380 V；配電是6 kV、10 kV；輸電是35 kV、110 kV、220 kV、330 kV及500 kV；用戶電220 V、380 V是通信基站用電。其配置計(jì)算為：

通信基站用電中，外市電還包括直供電和轉(zhuǎn)供電。其中，直供電是由供電局直接向鐵塔公司供電，并與其結(jié)算電費(fèi)；轉(zhuǎn)供電是由電力部門向業(yè)主供電，由業(yè)主向鐵塔公司供電，與業(yè)主結(jié)算電費(fèi)。

外市電低壓引入電纜需同時(shí)滿足載流量、壓降及機(jī)械強(qiáng)度要求。通信局（站）電源系統(tǒng)技術(shù)要求（YD/T 1051-2000）中規(guī)定通信電源設(shè)備用交流供電時(shí)，設(shè)備的電源輸入端子處測(cè)量的電源允許變動(dòng)范圍為額定電壓值的+10%～-15%。

其中，ΔU為壓降，I為電流，P為功率，L為導(dǎo)線回路長度，A為導(dǎo)線橫截面積，cosθ為功率因數(shù)，一般取0.8，r為導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率（銅線為0.017 5、鋁線為0.028 3）。

根據(jù)上述算法，可得到表2。

5G電源配套改造中，外市電是工作量最大的改造內(nèi)容。5G大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，城區(qū)基站多是三家共享，其中外市電改造將是5G建設(shè)的一大難題。

表2 不同規(guī)格的電纜最大引電距離

外市電改造中，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)功耗及預(yù)計(jì)新增設(shè)備功耗，通過上述配置原則核算，外市電改造建議如表3所示。

新引入一路市電原則上應(yīng)優(yōu)于三類（平均月市電故障≤4.5次，平均每次故障持續(xù)時(shí)間≤8 h）市電電源，優(yōu)選從公共電網(wǎng)引入一路380 V的交流電源。

如果無法引入，則在滿足供電質(zhì)量前提下，建議按以下三種方案處理。

（1）若外市電容量滿足，但交流配電箱或下火點(diǎn)斷路器空開容量不足時(shí)，應(yīng)采用大容量交流配電箱或大容量斷路器進(jìn)行替換對(duì)外電擴(kuò)容。

（2）從基站附近的建筑物就近引入一路380 V的交流電源。

表3 外市電改造建議

（3）取電費(fèi)用高、拉電難度大的場(chǎng)景，可選用直流遠(yuǎn)供設(shè)備進(jìn)行供電。

2.2 交流配電箱配置原則及改造建議

交流配電箱主要作用是分配交流電能，集成市電油機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)、電涌保護(hù)器，常見規(guī)格380 V/100 A，380 V/63 A，對(duì)應(yīng)最大市電引入容量分別為23.5 kW和37.3 kW，其配置算法為：

交流配電箱面向5G改造應(yīng)遵循現(xiàn)網(wǎng)影響最小、安全可靠、造價(jià)最省的原則。當(dāng)容量滿足輸出空開容量不足時(shí)，僅需更換空開，若經(jīng)核算配電箱容量不足，更換大容量交流配電箱。

2.3 空調(diào)配置原則及改造建議

基站空調(diào)按電源制式區(qū)分為單相、三相兩類，一般為單冷制式?？照{(diào)選型應(yīng)根據(jù)機(jī)房設(shè)備負(fù)荷、機(jī)房結(jié)構(gòu)及區(qū)域（溫度帶）等因素確定空調(diào)冷量，根據(jù)基站冷量需求選擇最適合的空調(diào)規(guī)格，負(fù)荷計(jì)算原則為：

其中，系數(shù)0.16為單位面積熱負(fù)荷基準(zhǔn)，0.15 kW=150 W/ m2×制冷系數(shù)/1 000，不同區(qū)域制冷系數(shù)有所不同。

面向5G改造時(shí)，空調(diào)選配或替換建議如下。

（1）制冷量需求確定后，根據(jù)制冷量總需求和各類型空調(diào)制冷量選擇空調(diào)類型和數(shù)量。

（2）已有空調(diào)的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮安裝空間的限制，然后考慮是在原有基礎(chǔ)上新增空調(diào)，還是替換原有規(guī)格的空調(diào)。

2.4 電池配置原則及改造建議

基站蓄電池主要功能是儲(chǔ)存電能，為基站提供后備供電，現(xiàn)階段一般常用的蓄電池有梯次電池和鉛酸電池兩類，其電池容量計(jì)算分別如下。

梯次電池電池容量計(jì)算為：

其中，Q為蓄電池容量；K為安全系數(shù)，取1.25；P1為一次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率；P2為二次下電側(cè)通信設(shè)備工作實(shí)際功率；T1為一次下電側(cè)通信設(shè)備備電總時(shí)長；T2為二次下電側(cè)通信設(shè)備備電總時(shí)長；α為電池溫度系數(shù)。

鉛酸蓄電池容量計(jì)算為：

其中，Q，K同上；T為放電小時(shí)數(shù)；I為負(fù)荷電流；η為放電容量系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，3 h系數(shù)值為0.75；α為電池溫度系數(shù)；t為實(shí)際電池所在地的最低環(huán)境溫度數(shù)值（所在地有采暖設(shè)備時(shí)，按15 ℃考慮，無采暖設(shè)備時(shí)，按5 ℃考慮）。

現(xiàn)網(wǎng)基站蓄電池使用年限、廠家、容量及類型不同，蓄電池改造方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改造，根據(jù)上述蓄電池核算原則，改造方案選擇的優(yōu)先級(jí)別如表4所示。

2.5 開關(guān)電源配置原則及改造建議

開關(guān)電源有三大功能：配電（合理分配交流與直流電能）、整流（交流整直流）和電池管理（電池充電和放電的管理）。其模塊配置原則為N+1配置（n≤10，備1；n＞10，每10備1）。

表4 蓄電池改造建議

其中，R為開關(guān)電源容量；P為通信設(shè)備工作實(shí)際功率；Q為蓄電池組總?cè)萘?；η為容量系?shù)。

現(xiàn)網(wǎng)改造中，開關(guān)電源不滿足要求主要受限于開關(guān)電源總?cè)萘?、電源模塊不足和空開端子不夠等，可通過新增或替換開電源、擴(kuò)整流模塊，增加空開分路或新增直流配電屏等方式解決。

3 面向5G現(xiàn)網(wǎng)基站外市電改造創(chuàng)新建議

3.1 梯次電池削峰填谷解決外市電不足

通常通信設(shè)備功耗隨通信業(yè)務(wù)量變化呈周期性波動(dòng)，通過充分挖掘存量站市電資源，利用備電電池限流錯(cuò)峰充電和通信負(fù)荷削峰填谷技術(shù)，把用電“負(fù)荷”從用電高峰“卸載”到用電低谷，如圖2所示。設(shè)備用電高峰時(shí)段，備電蓄電池限流錯(cuò)峰充電或利用儲(chǔ)能電池放電，用電低谷時(shí)段對(duì)蓄電池充電，可以實(shí)現(xiàn)市電削峰，降低基站市電容量需求。實(shí)現(xiàn)部分基站市電免改造，縮短建設(shè)周期，降低外市電改造成本壓力。

圖2 削峰填谷電源系統(tǒng)圖

3.2 光電結(jié)合解決外市電

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)特指在通信基站附近建設(shè)，太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電后接入公共電網(wǎng)，運(yùn)行方式是用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，如圖3所示。

4 結(jié) 論

未來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)尤其是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，從低頻到高頻，站點(diǎn)逐步加密，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從“宏”到“宏微”立體分層覆蓋轉(zhuǎn)變，超密集組網(wǎng)驅(qū)動(dòng)微基站爆發(fā)，近一步縮小了通信基站的站間距。網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)對(duì)電源配套的要求越來越高，本文通過對(duì)電源配套各組成單元的配置原則進(jìn)行分析，給出了合理化建議，尤其是面向5G現(xiàn)網(wǎng)基站改造的創(chuàng)新型建議，利于網(wǎng)絡(luò)快速、低成本部署。

圖3 光伏供電電源系統(tǒng)圖