5G站點(diǎn)能源建設(shè)和改造的挑戰(zhàn)

王振宇

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)不斷深入發(fā)展，LTE網(wǎng)絡(luò)難以符合新業(yè)務(wù)發(fā)展的根本要求，5G網(wǎng)絡(luò)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)具備可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)，可滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)日益提升的要求，提供高速率、低延時(shí)以及海量連接等多元化場(chǎng)景的一體化體驗(yàn)感，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“信息隨心所至，萬(wàn)物觸手可及”的美好愿望。我國(guó)作為5G技術(shù)研發(fā)較早的國(guó)家，在技術(shù)研究、網(wǎng)絡(luò)籌建以及應(yīng)用創(chuàng)新等方面已取得不錯(cuò)成效，擁有規(guī)?；渴鸬幕緱l件。建立速率大、普及廣并且覆蓋全的新一代移動(dòng)通信網(wǎng)，成為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)和推動(dòng)國(guó)家信息化發(fā)展的基本要求。

1 5G站點(diǎn)能源建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 5G新頻供電需求不斷擴(kuò)大

當(dāng)前，由于3家運(yùn)營(yíng)商5G新頻段的應(yīng)用，促使供電服務(wù)需求激增，3家共享站點(diǎn)總功率要求超過(guò)30 kW之上。5G技術(shù)設(shè)備從最初的8T8R不斷發(fā)展至3D-MIMO，容量達(dá)到過(guò)去的3倍，用電功耗將超過(guò)原有功耗的110%[1]。基于此，對(duì)5G站點(diǎn)基站電源系統(tǒng)來(lái)講，需要對(duì)以下幾點(diǎn)加以重視：（1）交流空開(kāi)需要留有充足的裕度；（2）大功率電源事先預(yù)留充足的容量；（3）備電設(shè)備事先預(yù)留充足的余量。

1.2 5G站點(diǎn)能源對(duì)可靠性提出新要求

基站退服的根本原因如圖1所示。通過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，基站退服原因中除了傳輸和主要設(shè)備占比達(dá)到40%，超過(guò)50%的網(wǎng)絡(luò)中斷都和能源相關(guān)[2]。2G和3G主要將語(yǔ)音業(yè)務(wù)作為主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，在一定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中斷影響力較小。4G網(wǎng)絡(luò)在特定范圍內(nèi)的中斷影響程度在可控制內(nèi)，然而5G網(wǎng)絡(luò)涉及移動(dòng)支付、智慧城市、虛擬社會(huì)、無(wú)人駕駛以及人工智能等多項(xiàng)業(yè)務(wù)，其網(wǎng)絡(luò)中斷現(xiàn)象的影響范圍可想而知?；诖耍晟频幕竞髠潆娫闯蔀?G基站能源建設(shè)中需要考量的重要環(huán)節(jié)。

圖1 基站退服原因的具體統(tǒng)計(jì)

1.3 機(jī)房空間、散熱、供電能力受到限制

分布式基站實(shí)現(xiàn)基帶單元和射頻單元的相互分離，達(dá)到基帶單元集中裝置的效果。集中裝置可減少機(jī)房新建和租賃的需求，降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度。出于對(duì)3所運(yùn)營(yíng)商共享情況的考量，5G網(wǎng)絡(luò)集中裝置站可納入的BBU數(shù)量多達(dá)50個(gè)以上。在此階段，5G站點(diǎn)總功耗已超過(guò)100 kW，依據(jù)移動(dòng)公司備電7 h的根本要求，需要配置容量超過(guò)18 kAh的蓄電池，2個(gè)BBU機(jī)柜占用面積會(huì)達(dá)到9 m2，蓄電池組占用面積通常為24 m2[3]。當(dāng)前，大多數(shù)分機(jī)房的空間、供電以及散熱能力無(wú)法滿足實(shí)際要求，需要改良機(jī)房，但改良成本較高。另外，BBU堆疊放置備電自身有著較高的要求標(biāo)準(zhǔn)。

2 5G站點(diǎn)能源建設(shè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)

5G站點(diǎn)能源建設(shè)利用高頻和低頻相互配合，宏觀和微觀相互協(xié)調(diào)的超密集立體異構(gòu)網(wǎng)形式，微小基站在運(yùn)作期間面臨覆蓋范圍有限的現(xiàn)狀，但能耗效率大，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)。微站發(fā)射功率通常會(huì)達(dá)到1～5 W或幾百毫瓦級(jí)，覆蓋范圍十分有限。和宏站相比，微站的體積和重量是宏站的50%，靈活方便，安裝難度低，把微站當(dāng)做宏站建設(shè)模式的輔助形式，可促進(jìn)立體式覆蓋水平的提升[4]。立足于5G技術(shù)特征和發(fā)展態(tài)勢(shì)等層面分析，5G頻譜資源需求比較寬泛，需要利用超過(guò)3 GHz的頻率，與此同時(shí)進(jìn)一步縮短基站的站距。未來(lái)幾年，預(yù)計(jì)新增邏輯站會(huì)達(dá)到1 000萬(wàn)以上。出于對(duì)3家運(yùn)營(yíng)商共享狀況的考量，2020年站點(diǎn)最大化功耗會(huì)達(dá)到30 kW，平均站點(diǎn)能耗會(huì)超過(guò)20 kW，隨后兩年站點(diǎn)功能會(huì)進(jìn)一步更新。

3 5G站點(diǎn)能源改造方法分析

3.1 站點(diǎn)疊光的處理方法

5G站點(diǎn)能源設(shè)備用電總功耗過(guò)大，當(dāng)前基站交流引用改造難度升級(jí)且成本支出較高。在擁有基礎(chǔ)條件的基站中，可通過(guò)疊加光伏發(fā)電系統(tǒng)的方式提升基站的總體供電容量，同時(shí)借助自然能源達(dá)到節(jié)能減排的效果。

5G站點(diǎn)疊加光伏發(fā)電系統(tǒng)是在原本太陽(yáng)能供電系統(tǒng)裝置的條件下，借助現(xiàn)代智能化開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)管，智能化調(diào)度太陽(yáng)能、市電以及蓄電池，使太陽(yáng)能可以?xún)?yōu)先供電[5]。常規(guī)狀況下，應(yīng)用太陽(yáng)能減少市電輸入，可控制電費(fèi)成本。斷電情況下，優(yōu)先應(yīng)用太陽(yáng)能將蓄電池當(dāng)做備用電可減少蓄電池?fù)p耗情況，有效節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。結(jié)合前期試點(diǎn)狀況，通過(guò)疊加光伏發(fā)電系統(tǒng)改良處理后，盡管系統(tǒng)建設(shè)成本多支出2萬(wàn)元，但后期的應(yīng)用電費(fèi)和油機(jī)發(fā)電投入每年可節(jié)約3.74萬(wàn)元左右，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3.2 直流系統(tǒng)升壓的處理方法

現(xiàn)階段，一般應(yīng)用的直流供電系統(tǒng)電壓約為-48 V，把直流供電系統(tǒng)電壓調(diào)高至57 V，對(duì)5G大功率板塊起到支撐作用，減少線纜的投入成本。與此同時(shí)，系統(tǒng)電壓不斷提升后，電路中經(jīng)過(guò)的電流逐漸減少，縮小電路電纜截面面積，節(jié)約線纜采購(gòu)的成本[6]。升壓操控只需合理設(shè)置直流供電系統(tǒng)的電壓值即可，不需增添供電設(shè)施，也不會(huì)影響用電設(shè)施的常規(guī)化工作。

3.3 鐵鋰電池備電的處理方法

鐵鋰電池在循環(huán)放電次數(shù)方面、能量體積方面以及工作溫度范圍方面，均好于鉛酸蓄電池。相同體積條件下，鐵鋰電池備電能力會(huì)達(dá)到鉛酸電池的2倍以上，可彌補(bǔ)機(jī)房的承重能力不足。因新鐵鋰電池的價(jià)格較高，在一定范圍內(nèi)阻礙鐵鋰電池的普遍推廣。鐵鋰電池在通信基站的應(yīng)用有以下幾種常規(guī)形式。

3.3.1 鐵鋰電池單獨(dú)備電形式

在少數(shù)樓板承重能力和機(jī)房空間有限的基站，可運(yùn)用鐵鋰電池取代鉛酸電池，鐵鋰電池具備能量高和體積小的性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步降低了對(duì)安裝空間及機(jī)房樓板承重的要求。同時(shí)，鐵鋰電池工作溫度范圍比較寬泛，可以提升機(jī)房中空調(diào)溫度，控制空調(diào)運(yùn)作能耗，達(dá)到節(jié)能減排的作用效果。

3.3.2 鉛酸鐵鋰電混搭形式

通常狀況下，不同生產(chǎn)廠家、不同期限、不同容量以及不同型號(hào)的蓄電池不能混合應(yīng)用。但是，通過(guò)電池合路器裝置可將鉛酸蓄電池和鐵鋰電池可混合應(yīng)用，提升基站備電水平，優(yōu)化基站蓄電池資源情況，減少通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)作成本的投入。

3.3.3 梯次電池的應(yīng)用形式

從理論層面上分析梯次電池，其原理與電動(dòng)汽車(chē)相類(lèi)似，容量減弱達(dá)到初始容量的80%。對(duì)“退役”動(dòng)力鋰電池展開(kāi)二次應(yīng)用[7]，動(dòng)力鋰電池梯次應(yīng)用程序?yàn)椋海?）回收退役動(dòng)力電池；（2）拆解動(dòng)力電池，獲取電池單體；（3）選取可以應(yīng)用的電池單體；（4）結(jié)合實(shí)際需求對(duì)電池單體展開(kāi)配對(duì)重組形成電池組；（5）系統(tǒng)集成和運(yùn)作維護(hù)。

在3類(lèi)市電環(huán)境溫度難以確保高溫的場(chǎng)景下，原本鉛酸電池使用周期會(huì)進(jìn)一步降低。梯次運(yùn)用動(dòng)力鋰電池可以達(dá)到使用周期循環(huán)長(zhǎng)和耐高溫性能佳等效果，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)階段，梯次應(yīng)用動(dòng)力鋰電池主要面臨退役動(dòng)力鋰電池?cái)?shù)量有限和退役動(dòng)力鋰電池梯次處理無(wú)法達(dá)到規(guī)模化效果等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，梯次電池運(yùn)用技術(shù)手段愈發(fā)成熟，鐵塔公司已經(jīng)在我國(guó)各地推行梯次電池，將其運(yùn)用到5G基站備電儲(chǔ)能、削峰填谷以及新能源站點(diǎn)等建設(shè)場(chǎng)景中，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的應(yīng)用成效。

3.4 直流遠(yuǎn)程供電的處理方法

直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)裝置主要以局端設(shè)施、遠(yuǎn)端設(shè)施以及光電混合纜為主。直流遠(yuǎn)程供電可以隔離機(jī)房?jī)?nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)的-48 V電源，將其調(diào)整至DC 25～410 V，通過(guò)光電混合纜和電力電纜達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸至遠(yuǎn)端設(shè)施的最大效率。遠(yuǎn)端設(shè)施把直流高壓轉(zhuǎn)變成DC 48 V、DC 280 V或AC 220 V的電壓，通過(guò)負(fù)載、微基站以及室外綜合接入機(jī)柜等裝備，在安全且平穩(wěn)的環(huán)境下24 h免維護(hù)供電。

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)裝置可運(yùn)用到以下覆蓋場(chǎng)景中：（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)場(chǎng)景覆蓋，如村通工程、校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋、小容量基站以及拉遠(yuǎn)基站等場(chǎng)景的覆蓋；（2）點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)場(chǎng)景覆蓋，如室內(nèi)分布式系統(tǒng)覆蓋、商場(chǎng)超市以及寫(xiě)字樓等場(chǎng)景的覆蓋；（3）級(jí)聯(lián)方式場(chǎng)景覆蓋，如高速公路、鐵路以及隧道等場(chǎng)景的覆蓋；（4）WLAN場(chǎng)景覆蓋，如住宅小區(qū)、超市、商務(wù)寫(xiě)字樓、政府單位以及機(jī)場(chǎng)火車(chē)站等場(chǎng)景的覆蓋。

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)裝置擁有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)作用：（1）利用遠(yuǎn)程直流供電形式，保障5G基站在出現(xiàn)市電停電的情況下正常運(yùn)作；（2）規(guī)避和電業(yè)部門(mén)及當(dāng)?shù)赜脩?hù)接入市電情況下的協(xié)同工作；（3）節(jié)約交流用電的額外支出成本；（4）選址便利，不再受市電的限制影響；（5）有效節(jié)約戶(hù)外UPS，節(jié)省電源維護(hù)費(fèi)用；（6）維護(hù)成本價(jià)格低，幾乎達(dá)到零維護(hù)的狀態(tài)；（7）線路施工便利，利用光纜裝置，不需專(zhuān)門(mén)敷設(shè)傳輸電力，有效節(jié)約線路的資金投入；（8）安全性和可靠性顯著，可規(guī)避由斷路、短路、漏電、強(qiáng)電入侵以及雷擊等不良因素對(duì)其產(chǎn)生的影響，線路出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)局端立即停用輸出電壓，只輸出低于40 V的線路安全檢測(cè)電壓，在1 min內(nèi)可自動(dòng)恢復(fù)到供電狀態(tài)，確保線路維修工作者的安全。

對(duì)現(xiàn)階段獲得5G基站站址難度大、引電難度高的問(wèn)題，可根據(jù)微基站“點(diǎn)、線、面”的建設(shè)模式，利用高壓直流供電方式支撐5G基站批量部署建設(shè)，同時(shí)減少站點(diǎn)損耗，促進(jìn)提升共享的效率。

4 結(jié) 論

綜上所述，5G通信網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模MIMO和超密集立體式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用，給5G基站能源等核心配套的設(shè)計(jì)規(guī)劃與施工建設(shè)帶來(lái)許多難題，可通過(guò)對(duì)通信電源現(xiàn)代化技術(shù)和智能化設(shè)備的合理運(yùn)用，有序展開(kāi)5G網(wǎng)絡(luò)的快速部署，提高其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。