小微基站電源解決方案的分析探討*

[施達(dá)雅]

1 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是5G技術(shù)的成熟及相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)運(yùn)而生，無(wú)線基站的建設(shè)需求日漸提高。5G為了滿足頻譜需求、功率要求，基站總體數(shù)量要增大且備電比例的要求逐步提高[1]。同時(shí)運(yùn)營(yíng)商大力開展全業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正逐漸由傳統(tǒng)蜂窩覆蓋向“分層化”方向發(fā)展，分布系統(tǒng)已成為了網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)的主要方式，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上采用多種不同類型的基站及相應(yīng)的建設(shè)方案，光纖拉遠(yuǎn)技術(shù)得以大量應(yīng)用，網(wǎng)元設(shè)備不斷向用戶側(cè)延伸，因此用戶接入業(yè)務(wù)的質(zhì)量保障要求也日益顯現(xiàn)。電源是整個(gè)通信基站正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，所以如何構(gòu)建一套有效的通信電源系統(tǒng)對(duì)保障基站的正常運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。

2 基站電源系統(tǒng)的基本情況

一般來(lái)說(shuō)，按照無(wú)線基站主設(shè)備的覆蓋范圍可將基站劃分為：宏基站（別稱宏站，覆蓋半徑為200 m以上）、微基站（別稱微站，覆蓋半徑為50～200 m）、皮基站（別稱微微站、企業(yè)級(jí)小微站，覆蓋半徑為20～50 m）和飛基站（別稱毫微微站、家庭級(jí)小微站，覆蓋半徑為10～20 m）。小微站把通訊設(shè)備集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，不需要機(jī)房，安裝方便。微基站是以低功率接入節(jié)點(diǎn)，功率在5 W以內(nèi)[2]。一般就近安裝在天線附近，饋纜短，損耗小。微基站的主要作用是：加強(qiáng)深度覆蓋，增加局端容量等問(wèn)題。

運(yùn)營(yíng)商為了加強(qiáng)信號(hào)覆蓋，鞏固并搶占更多用戶資源，深度覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。因此在陸續(xù)加強(qiáng)小微站的建設(shè)。每個(gè)地區(qū)小微站的建設(shè)量從最少的幾十套到幾百套不等且建設(shè)數(shù)量還會(huì)不斷增加，信號(hào)覆蓋越弱的地市，建設(shè)量越大。小微站能在不具備宏站的地方使用微站來(lái)代替補(bǔ)充信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)密集區(qū)域的盲點(diǎn)覆蓋、高層建筑的局部弱區(qū)和業(yè)務(wù)量集中區(qū)域的容量提升等等，因此是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要輔助環(huán)節(jié)，未來(lái)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的比重也會(huì)有所提高。但是小微站都不是安裝在基站內(nèi)，整體規(guī)模有限，不具備大型的后備電源，因此如何建設(shè)保障微站正常運(yùn)轉(zhuǎn)也是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個(gè)重要問(wèn)題。

目前小微站的電源部分大體采用220 V市電拉遠(yuǎn)供電方式，一旦停電或市電波動(dòng)較大后小微站均會(huì)停電掉電退服，無(wú)法備電。而且市電電源上涌、持續(xù)欠壓、持續(xù)過(guò)壓等情況容易造成設(shè)備老化、損壞。這些情況對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)會(huì)導(dǎo)致考核指標(biāo)下降嚴(yán)重，為提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中分布式組網(wǎng)場(chǎng)景(如：城市密集中心無(wú)線覆蓋、室內(nèi)分布、WLAN及綜合接入等)中的電源保障能力，提高電源維護(hù)效率，降低運(yùn)行成本，下面就微站電源系統(tǒng)方案作具體分析。

3 供電方案

小微站的供電方案按照有后備電源的情況可分為無(wú)后備電源方案和有后備電源方案[3]，下面主要介紹其中的3種：直流遠(yuǎn)供電源、交轉(zhuǎn)直微電源和市電加UPS電源[4]，以上3種方案及相關(guān)原理等。

因?yàn)榇蟛糠治⒄驹O(shè)備可以同時(shí)支持- 48 V直流和220 V交流供電[2]，所以小微站對(duì)電源的需求主要是- 48 V直流和220 V交流。因此電源設(shè)計(jì)圍繞著這兩種電源的轉(zhuǎn)換生成及保障。

3.1 直流遠(yuǎn)供電源

直流遠(yuǎn)供電源是將機(jī)房?jī)?nèi)穩(wěn)定的電能通過(guò)光電復(fù)合電纜或電力線纜以超低損耗的方式輸送給直放站或基站設(shè)備，即使在惡劣條件下也能為設(shè)備提供不間斷的穩(wěn)定供電。適用于移動(dòng)基站建設(shè)、室外拉遠(yuǎn)站、室內(nèi)分布和室內(nèi)（外）機(jī)房建設(shè)等場(chǎng)景，對(duì)基站使用過(guò)程中常見的停電、電池需階段維護(hù)及漏電開關(guān)跳閘等系列問(wèn)題提供了可行的解決方案。

（1）工作原理

如圖1所示，直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)由局端設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備兩部分構(gòu)成。首先采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)局端設(shè)備中的- 48 V基礎(chǔ)電源處理[5]，經(jīng)過(guò)升壓濾波變成250～410 V的直流電源后，然后經(jīng)由光電復(fù)合電纜或電力線纜遠(yuǎn)程傳輸出去，到遠(yuǎn)端設(shè)備處再經(jīng)過(guò)濾波降壓轉(zhuǎn)換成直流48 V或交流280 V的電源，以供RRU等負(fù)載設(shè)備使用。當(dāng)通信設(shè)備無(wú)法便利地獲得電源或者電源不穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)直流遠(yuǎn)供方式可得到穩(wěn)定、可靠的電源供應(yīng)。

圖1 直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)的工作原理

（2）特點(diǎn)

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的電源雖然來(lái)源于市電，但是在系統(tǒng)變壓部分有隔離、保護(hù)裝置，所以不會(huì)受到電網(wǎng)波動(dòng)產(chǎn)生的電壓過(guò)高、過(guò)低、閃變和浪涌等影響；因?yàn)榻佑|市電后其頻率與心臟跳動(dòng)頻率相近，所以容易短時(shí)間內(nèi)致命，但是使用遠(yuǎn)端線路不接地并與大地懸浮，一定程度上降低了漏電的風(fēng)險(xiǎn)；而且遠(yuǎn)端設(shè)備內(nèi)有保護(hù)模塊，保障了高壓直流電源用電安全。直流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)供電電壓穩(wěn)定，為通信設(shè)備穩(wěn)定工作提供了可靠保障，而且穩(wěn)定的電壓不易對(duì)通信設(shè)備造成損壞，延長(zhǎng)使用壽命。

3.2 交轉(zhuǎn)直微電源方案

交轉(zhuǎn)直微電源系統(tǒng)主要適用于國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商分布式微站的綜合接入。比如：城市街道、樓宇、商業(yè)綜合體、旅游風(fēng)景區(qū)等場(chǎng)景下，用來(lái)增加、補(bǔ)充信號(hào)覆蓋范圍。

（1）直流為交流受電設(shè)備供電的原理

通信基站內(nèi)所使用的交流受電設(shè)備的電源模塊都是開關(guān)電源類型，如圖2所示，第一級(jí)把220 V交流電（可允許輸入變化范圍為- 15%～+ 10%約等于187～240 V）通過(guò)整流橋整成電壓約為300 V間的電壓（約為260～340 V），然后直接把此范圍內(nèi)的直流電壓（如280 V）接入交流設(shè)備輸入端，第二級(jí)通過(guò)DC轉(zhuǎn)DC的模塊把前一級(jí)電壓再變換成12 V、5 V和3 V的電壓。

圖2 交轉(zhuǎn)直微電源系統(tǒng)的工作過(guò)程框圖

（2）交轉(zhuǎn)直電源供電組網(wǎng)圖

戶外交轉(zhuǎn)直電源系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)包括以下部分：輸入配電單元、防雷模塊、交直流切換單元、DC/DC降壓模塊、控制單元。通常按照備電與否分成以下兩種情況：

① 不需要備電方案：

如圖3所示，本方案在戶外直接使用交轉(zhuǎn)直小電源安裝在微站中，其中的交轉(zhuǎn)直電源是直接安裝在RRU附近，采用抱桿或者掛墻的方式。然后就近引入220 V交流市電，再由市電配電箱連接至室外型單體電源的220 VAC輸入端子，將該電源變換處理為DC48 V后通過(guò)線纜傳輸?shù)交倦娫摧斎攵俗?，供通訊設(shè)備使用。

圖3 不備電系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)

② 需要備電方案：

在需要備電的情況下，那只需要把原來(lái)的交轉(zhuǎn)直電源更換為帶備電的微電源就可以實(shí)現(xiàn)備電，如圖4所示。隨著業(yè)務(wù)量的發(fā)展，帶備電的微站存在備電不足的情況下，則只要用更大規(guī)格的電池箱來(lái)替換原先的小容量電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，更換出來(lái)舊電源還可移至其他小負(fù)載基站使用。

在本方案中，首先把就近引入220 V交流市電連接到備用電源的輸入端子，再由備用電源的輸出端子引到室外型微電源的220 VAC輸入端子，最后把微電源的輸出端子通過(guò)線纜傳輸?shù)交倦娫摧斎攵俗?，供通訊設(shè)備使用的。

圖4 帶備電系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)

（3）特點(diǎn)

使用交轉(zhuǎn)直電源從工程角度來(lái)說(shuō)，可不用新建機(jī)房，直接與RRU安裝在一起，成本低。當(dāng)后期有備電需求時(shí)，也只需更換電源，方便施工。而且備電箱帶有交轉(zhuǎn)直電源用的控制電路，充電電路，無(wú)縫切換電路，接入時(shí)、充電時(shí)不影響交轉(zhuǎn)直電源輸出，當(dāng)市電停電時(shí)自動(dòng)切換為電池輸出；備電箱帶的MCU監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每一節(jié)電池電壓，精準(zhǔn)控制每一節(jié)電池充放電，防止其中一節(jié)電池過(guò)充，或者充不滿，而影響整塊電池壽命；但是交轉(zhuǎn)直小微電源要求必須有220 V可取。

3.3 市電+UPS電源

一體化電源UPS從外形來(lái)說(shuō)體積小、重量輕；內(nèi)部而言鐵鋰電池的優(yōu)勢(shì)是能量密度高、溫度范圍廣、循環(huán)壽命長(zhǎng)等，可針對(duì)室內(nèi)分布站點(diǎn)空間狹小難以部署后備電源和無(wú)法安裝空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等情況進(jìn)行電源改造，對(duì)RRU等遠(yuǎn)端設(shè)備集中供電，為室分系統(tǒng)提供高可靠的后備電源，有效減少室內(nèi)分布系統(tǒng)退服，提升用戶感知。

（1）UPS用量分析

假設(shè)小微站為諾基亞設(shè)備，功率在120 W左右，需要考慮停電后的后備時(shí)間8小時(shí)。按常規(guī)通信后備電源鐵鋰電池為51.2 V。

根據(jù)公式1可知，當(dāng)選用磷酸鐵鋰電池16串20 Ah1節(jié)即可滿足120 W小微站停電后續(xù)航時(shí)間8小時(shí)。

由公式2可得，當(dāng)選用磷酸鐵鋰電池16串50 Ah 1節(jié)即可滿足300 W小微站停電后續(xù)航時(shí)間8小時(shí)。

（2）應(yīng)用拓?fù)鋱D

一體化UPS內(nèi)部一般是由保護(hù)模塊、逆變模塊、切換模塊和48 V電源模塊等共同組成，從圖5中所見，在無(wú)人值守模式下，當(dāng)市電正常供電甚至電網(wǎng)波動(dòng)的情況下，由市電轉(zhuǎn)換供RRU工作；為了保障電池的壽命，只有當(dāng)市電長(zhǎng)時(shí)間故障時(shí)電池呈現(xiàn)欠壓狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)電池工作狀態(tài)；當(dāng)市電正常供應(yīng)的時(shí)候，電池不工作且能對(duì)電池進(jìn)行充電。

圖5 市電+UPS方案應(yīng)用拓?fù)鋱D

（3）特點(diǎn)

目前各廠家的UPS的輸入一般都具備較寬的范圍，輸出模塊設(shè)有過(guò)壓欠壓保護(hù)和過(guò)載、短路保護(hù)；逆變器過(guò)溫保護(hù)；針對(duì)中國(guó)電網(wǎng)，在電源的輸出端增加了電壓浪涌抑制器，這個(gè)設(shè)備具備了全穩(wěn)壓功能，穩(wěn)定的電壓不易對(duì)電池和電源接入設(shè)備造成損壞，延長(zhǎng)使用壽命。一體化電源所配置的這些模塊為通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了穩(wěn)定性和可靠性。

4 案例分析

某地商場(chǎng)因人流量大，用戶需求廣，在商場(chǎng)上建有一個(gè)宏站（東百中心站），但是某些位置經(jīng)常會(huì)發(fā)生通話中斷等情況，經(jīng)過(guò)工程人員勘測(cè)發(fā)現(xiàn)這些位置的覆蓋率低，因此決定采用新建小微站來(lái)局部補(bǔ)盲。一般來(lái)說(shuō)微站電源方案優(yōu)先選擇直流遠(yuǎn)供，但是由于本站在敷設(shè)路由時(shí)較困難，因此選擇就近配置交轉(zhuǎn)直微電源來(lái)為微站解決電源供電問(wèn)題[4]。

本站的系統(tǒng)組網(wǎng)如圖6所示。本例中采用的微電源，它是一種把電源和蓄電池集合于一體的設(shè)備，此款通信微電源系統(tǒng)體積小，重量輕，支持壁掛及掛墻安裝，安裝簡(jiǎn)便。在組網(wǎng)時(shí)輸入直接連接220 V的市電配電箱，輸出與微站設(shè)備輸入端子相連。微電源會(huì)根據(jù)實(shí)際情況智能切換市電供電和電池供電模式，在微電源內(nèi)部配置的監(jiān)控模塊管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組進(jìn)行充放電管理，同時(shí)支持多種輸入和輸出。

圖6 組網(wǎng)圖

此外，本站的微電源配有監(jiān)控功能，能實(shí)現(xiàn)電源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及上送。在使用時(shí)內(nèi)置的監(jiān)控模塊電路采集數(shù)據(jù)然后通過(guò)2/3/4G、NB方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上送至監(jiān)控平臺(tái)，在監(jiān)控平臺(tái)上呈現(xiàn)電源及電池的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)可使用內(nèi)置藍(lán)牙模塊，在本地連接手機(jī)端，通過(guò)APP配置設(shè)備參數(shù)，查看設(shè)備數(shù)據(jù)；如圖7所示，手機(jī)端可查看設(shè)備的監(jiān)控內(nèi)容主要分為交流配電、直流配電、蓄電池、位置等4部分，具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表1所示。

圖7 監(jiān)控采集數(shù)據(jù)頁(yè)面

表1 微電源監(jiān)測(cè)參數(shù)

微電源基站在市電停電后可提供持續(xù)穩(wěn)定的后備電源，保障通信設(shè)備可持續(xù)地工作，從而提升運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)質(zhì)量，降低退服率；通信微電源系統(tǒng)可過(guò)濾市電的諧波，降低市電諧波及市電不穩(wěn)定對(duì)通信設(shè)備的影響，保護(hù)通信設(shè)備。通信微電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到92%以上，降低設(shè)備本身發(fā)熱消耗的能源，減少能源消耗，有利于節(jié)能減排工作的開展。

5 總結(jié)

小微基站體積小、成本低、建設(shè)快，能解決全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的局部補(bǔ)盲、容量提升等作用，而且能協(xié)同宏站呈現(xiàn)高低搭配的異構(gòu)網(wǎng)形態(tài)，因此小微基站已成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要組成部分[5]。隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展建設(shè)，小微基站會(huì)成為后期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流[6],未來(lái)小微基站能應(yīng)用到更多樣的的場(chǎng)景中，電源保障方案也會(huì)呈現(xiàn)更多樣的形式，功能會(huì)更加完善。