新型技術(shù)在5G電源配套建設(shè)中的應(yīng)用研究

[黃強]

雖然5G相關(guān)標準還在進一步完善中，但全球?qū)?G的發(fā)展充滿信心。3G提供了語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，4G則是支持語音、數(shù)據(jù)以及各種應(yīng)用。移動網(wǎng)絡(luò)逐漸成為不可或缺的社交基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，深刻影響著人們的日常生活并促進數(shù)字化經(jīng)濟發(fā)展，這一趨勢在5G時代將更加明顯。本文從5G電源配套建設(shè)的角度，探討創(chuàng)新電源技術(shù)在5G無線網(wǎng)絡(luò)中的建設(shè)，主要內(nèi)容包括5G關(guān)鍵技術(shù)、5G建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)、電源系統(tǒng)的應(yīng)對策略、5G創(chuàng)新電源技術(shù)應(yīng)用案例。

1 5G對電源系統(tǒng)的需求

目前5G宏站單系統(tǒng)典型功耗約為3～5 kW，預(yù)計遠期5G設(shè)備功耗可降至2.5 kW左右，是4G的2倍左右。新增1套5G系統(tǒng)約需增加7～10 kVA外市電，需對市電、蓄電池等要進行增容改造。5G基站基礎(chǔ)設(shè)施布局如圖1所示。

圖1 5G基站安裝示意圖

外市電：現(xiàn)有基站的外市電10 kVA以下占6%，10-20 kVA，占比約87%，20 kVA以上7%。目前4G基站約6～8 kVA,因此絕大多數(shù)基站無法支持2家及以上5G共享。

蓄電池：現(xiàn)有基站的蓄電池容量不一，500～1 000 Ah為主，占比67%。每套5G系統(tǒng)約需擴容約需1～1.5個機架位置，單機架重約200 kg。

2 5G基站對電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

2.1 5G功耗的增加，對配電容量的挑戰(zhàn)。

由于5G采用3DMIMO技術(shù)，相比4G設(shè)備功耗增加了3～4倍，三家同時建設(shè)對市電容量需求達30 kW以上和大功率電源系統(tǒng)[2]。

2.2 5G可靠性要求高，對基站后備電的挑戰(zhàn)。

5G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于VR/AR、人工智能、無人駕駛、虛擬社會以及4K等“萬物互聯(lián)”業(yè)務(wù)，基站的正常運行是所有業(yè)務(wù)的保障，因此對后備電源提出了新的挑戰(zhàn)。

3 5G基站電源系統(tǒng)的解決方案

3.1 市電削峰技術(shù)

市電削峰是根據(jù)通信設(shè)備功耗隨話務(wù)量波動的特性，通過用電高峰期蓄電池對市電進行補償供電，用電低谷期對蓄電池充電的方式以保障供電，通過錯峰、限流、儲能電池等技術(shù)手段有效控制通信設(shè)備和電池充電對市電容量的需求，實現(xiàn)基站的少改造、免改造和快速改造，降低存量站市電改造投資，快速滿足建設(shè)需求。

方案A：備電電池錯峰充電。在負荷高峰時主動降低對電池充電電流，優(yōu)先為通信設(shè)備供電，實現(xiàn)電池錯峰充電。最大削峰能力16%（通信設(shè)備峰均差值，1.1 kW/5G系統(tǒng)）。需要對現(xiàn)有開關(guān)電源系統(tǒng)進行限流/限功率功能改造升級。適用于市電容量缺口小，累計12 h歷史停電時長不超過3 h的基站。

方案B：備用電池錯峰+限流充電。在方案A的基礎(chǔ)上，進一步壓縮電池充電電流。最大削峰能力29%（通信設(shè)備峰均差值+50%備電電池充電功率=1.9 kW/5G系統(tǒng)），需要對現(xiàn)有開關(guān)電源系統(tǒng)升級改造限流功能。適用于市電容量缺口較小，累計24 h歷史停電時長不超過3 h，保障要求低的基站。

方案C：備電電池錯峰充電+儲能電池削峰。在通信設(shè)備或空調(diào)工作負荷較小時對電池進行充電。利用儲能電池在負載高峰時放電，負載低谷時充電，平抑通信負載波動，最大削峰能力42%（通信設(shè)備峰均差值+100%電池充電功率，2.7 kW/5G系統(tǒng)），新增削峰控制單元和儲能電池功能模塊。適用于市電容量缺口較大，無連續(xù)停電記錄，保障要求低的基站。

方案D：儲能電池削峰。在負荷高峰時，儲能電池放電滿足通信設(shè)備供電；在負荷低谷，對儲能電池充電。最大削峰能力16%（通信設(shè)備峰均差值，1.1 kW/5G系統(tǒng)）。新增削峰控制單元+儲能電池功能模塊。適用于市電容量缺口小、停電頻繁的基站。

根據(jù)基站市電容量缺口大小、歷史停電頻次、基站保障登記等要素，選擇合理的市電削峰技術(shù)方案，滿足5G高功耗對市電容量調(diào)整的建設(shè)需求，市電削峰技術(shù)方案選擇如表1所示。

市電引入費高、引電周期長且市電缺口較小的站點，通過市電削峰，可以實現(xiàn)部分站點市電免改造，降低外市電改造成本壓力，縮短建設(shè)周期。市電削峰技術(shù)是外市電增容改造的一種技術(shù)補充方案。對于原市電引入容量有限，多家5G共享預(yù)期明確的基站，建議優(yōu)先采用外市電改造方式，按遠期需求進行市電改造增容，預(yù)留發(fā)展空間。

3.2 新型集中供電技術(shù)

集中供電，應(yīng)選取區(qū)域內(nèi)市電容量充裕的基站作為中心基站，為周邊基站提供電力服務(wù)，這樣既能降低周邊基站市電和蓄電池擴容改造成本，又能縮短建設(shè)周期，提高供電可靠性。

集中供電系統(tǒng)由局端設(shè)備、遠端設(shè)備和電纜三部分組成。它可以將機房內(nèi)穩(wěn)定的- 48 V電源隔離升壓到DC250～DC410V，并通過電力電纜以最大效率遠距離輸送至遠端設(shè)備，遠端設(shè)備進而將直流高壓變換成DC48V、DC280V或AC220V電壓為負載（DU）、微基站以及室外綜合接入機柜等通信設(shè)備提供24小時穩(wěn)定的，提供免維護的供電。也可以在機房中直接利用HVDC電源提供DC250～DC410V做遠供電源，在遠端將HVDC變成DC48V，如圖2所示。該方案適用于市電容量充裕的基站作為中心基站，為周邊基站提供電力服務(wù)[3]。

圖2 新型集中供電技術(shù)原理圖

3.3 蓄電池共用管理技術(shù)

現(xiàn)網(wǎng)存量基站蓄電池依然以鉛酸電池為主，組數(shù)占比達86%，容量占比達94%；基站備用電池存量鉛酸為主、擴容鋰電為主，鉛酸、鋰電共存的局面短期不會改變；鉛酸電池與鐵鋰電池在電壓、充放電限流等參數(shù)或裝置上區(qū)別顯著，無法直接并聯(lián)使用。

鉛酸電池與梯級鐵鋰電池直接使用會產(chǎn)生嚴重的偏流現(xiàn)象。鉛酸、鐵鋰電池的電壓、內(nèi)阻不一致是在充放電過程中產(chǎn)生偏流現(xiàn)象的根本原因；充電階段，鉛酸先充電，由于鉛酸無限流裝置，存在過充電風(fēng)險；放電階段，鋰電先放電，承擔電流較大，存在雪崩式保護風(fēng)險。鉛酸后放電，承擔負載較大，存在過放電風(fēng)險；不同容量、不同來源的鋰電池存在同樣風(fēng)險。

蓄電池共用管理的解決方案。主要解決不同類型、不同時期、不同廠家電池并聯(lián)應(yīng)用問題，實現(xiàn)模塊化擴容、對電池的主動控制、鋰電優(yōu)先放電、輔助市電削峰（降低市電需求）、削峰填谷（獲取電價差利潤）等技術(shù)的應(yīng)用，管理示意圖如圖3所示。精確的充放電控制，避免蓄電池大電流充放電，延長蓄電池使用壽命。

圖3 蓄電池共用管理示意圖

充電模式：共充模式（默認模式），各路電池接口及外置鉛酸電池按設(shè)定限流值同時充電。單充模式，各路電池接口及外置鉛酸電池按設(shè)定優(yōu)先次序充電（市電容量不足等情況應(yīng)用）。

放電模式：共放模式（默認模式），各分路根據(jù)設(shè)定限流值或根據(jù)電池容量按容量比例放電，同時達到放電截至條件。優(yōu)先放電模式，可設(shè)置2級放電順序，滿足市電削峰、削峰填谷等應(yīng)用場景，梯級電池主用削峰，鉛酸主用備電。

級聯(lián)擴容：電池共用管理器通過通信接口互聯(lián)，實現(xiàn)單機框?qū)θ磕K的統(tǒng)一控制，實現(xiàn)級聯(lián)擴容功能。

使用于需要增加后備電源的基站，對于不同廠家、不用類型的電池混合使用，如圖4所示。

圖4 鐵鋰、鉛酸共同充放電測試圖

4 5G創(chuàng)新電源技術(shù)應(yīng)用案例

站點概況：A市B基站位于金融商圈室外站點，該站點原有2G/4G設(shè)備。新增5G設(shè)備后，在高峰時段因市電容量不足出現(xiàn)閃斷，只有關(guān)閉5G設(shè)備才能保證2G/4G的正常運行。

站點數(shù)據(jù)分析：（1）2/4/5G正常運行的平均功率為4 730 W。（2）早高峰和晚高峰負載的峰值功率接近5 000 W，電池的充電功率為1 600 W，站點整體最大功率可達6 800 W，超過平均45%。（3）市電門限容量為6 000 W。

創(chuàng)新方案實施：該站點采用智能削峰技術(shù)方案，對開關(guān)電源系統(tǒng)進行了改造升級。（1）將電源硬件更新為支撐智能削峰系統(tǒng)新電源（采用300 A系統(tǒng)/200 A容量）。（2）用三組100 Ah鐵鋰梯次替換原來的鉛酸電池。（3）設(shè)定市電容量6 000 W削峰閾值。

創(chuàng)新方案效果驗證：（1）第一天在智能削峰功能未加載前，市電輸入峰值功耗達6 800 W；第二天加載智能削峰后，市電引入功耗控制在5 500 W以下。（2）蓄電池充電時長為8 h，實現(xiàn)了蓄電池均充。（3）市電輸入控制在門限下，連續(xù)一周未再出現(xiàn)閃斷情況。本方案證明智能削峰技術(shù)可以在市電不滿足場景發(fā)揮作用，同時驗證了鐵鋰梯次電池與智能削峰方案無縫組合應(yīng)用。

經(jīng)濟分析：該站點若采用傳統(tǒng)的市電改造方案，投資約4萬元；采用智能削峰方案，投資約1萬元。由此得出智能削峰的投資僅為市電改造費用的1/4,不僅節(jié)省建設(shè)投資還提升了工程建設(shè)效率。

5 結(jié)論

5G的大規(guī)模MIMO與UDN等技術(shù)的應(yīng)用，給基站市容和開關(guān)電源系統(tǒng)的建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)，通過對5G新技術(shù)分析，挖掘5G對配套建設(shè)的挑戰(zhàn)。本方案從“綠色、節(jié)能、環(huán)保、共享”的角度出發(fā)，充分利用現(xiàn)有資源，通過創(chuàng)新技術(shù)來滿足建設(shè)需求，并通過實際案例驗證了方案的可行性，為快速部署5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文提供的建設(shè)方案建設(shè)周期短、建設(shè)投資省、后期運營順，充分體現(xiàn)了降本增效的宗旨。