關(guān)于5G基站通信電源系統(tǒng)技術(shù)的研究

周 云

（中國鐵塔股份有限公司麗水市分公司，浙江 麗水 323000）

0 引 言

5G可以向用戶提供更低的傳輸延遲、更大的存儲容量、更快的下載速率，為推動社會和各領(lǐng)域發(fā)展提供更加有力的保障。隨著5G組網(wǎng)架構(gòu)調(diào)整和相關(guān)設(shè)備升級換代，5G基站的數(shù)量和相關(guān)的設(shè)備能耗大大增加，這就對5G基站的通信電源系統(tǒng)提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，針對5G基站通信電源系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行分析與研究并提出優(yōu)化措施，為推動5G網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展提供有力支持。

1 典型5G基站通信電源系統(tǒng)配置

典型5G基站通信電源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置如表1、表2所示。

表1 典型5G基站通信電源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置

表2 典型5G基站通信設(shè)備電能負(fù)荷

2 5G基站通信電源系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

為了保證5G基站通信電源系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，針對5G基站的外市電容量、開關(guān)電源系統(tǒng)、交流配電箱系統(tǒng)以及蓄電池系統(tǒng)，按照實(shí)際情況和適度超前原則進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，依據(jù)5G基站通信設(shè)備電能負(fù)荷情況以及集中單元（Centralizd Unit，CU）、分布單元（Distributed Unit，DU）、有源天線單元（Active Antenna Uuit，AAU）部署形式和架構(gòu)特點(diǎn)，合理應(yīng)用通信電源系統(tǒng)技術(shù)。

2.1 外市電容量

應(yīng)用通信電源系統(tǒng)技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮外市電容量需求，確保所規(guī)劃的外市電容量可以滿足5G基站通信設(shè)備功耗總和，同時(shí)結(jié)合適度超前原則進(jìn)一步考慮長期功耗。典型5G基站外市電配置情況如表3所示。

表3 典型5G基站外市電配置

為了保障5G基站通信設(shè)備可以獲取穩(wěn)定的電源，需進(jìn)行外市電擴(kuò)容。結(jié)合典型5G基站外市電容量和5G基站通信設(shè)備電能負(fù)荷情況進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論。一般情況下，5G基站有1套2G、3G、4G或5G通信設(shè)備時(shí)，將外市電擴(kuò)容至10 kW即可滿足使用需求；有2套2G、3G、4G或5G通信設(shè)備時(shí)，擴(kuò)容至20 kW即可滿足使用需求；有3套2G、3G、4G或5G通信設(shè)備時(shí)，擴(kuò)容至30 kW即可滿足使用需求[1]。

2.2 開關(guān)電源系統(tǒng)

現(xiàn)有5G基站所用的開關(guān)電源系統(tǒng)容量通常為48 V/600 A，滿配置狀態(tài)下整流模塊可設(shè)置12個(gè)，平均每個(gè)模塊50 A。綜合考慮5G基站各類通信設(shè)備電能負(fù)荷需求和5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，針對開關(guān)電源系統(tǒng)容量進(jìn)行調(diào)整，以此確保5G基站通信電源技術(shù)得到有效應(yīng)用，具體配置情況如表4所示[2]。此外，在應(yīng)用通信系統(tǒng)電源技術(shù)調(diào)整開關(guān)電源系統(tǒng)時(shí)，需考慮選用集采范圍內(nèi)的整流模塊，同時(shí)對超期服役的開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行更換。

表4 5G基站開關(guān)電源系統(tǒng)配置情況

2.3 交流配電箱系統(tǒng)

以外市電容量擴(kuò)容至30 kW為限值，計(jì)算支撐5G基站通信設(shè)備正常運(yùn)行所需的交流電容量。按照30 kW用電負(fù)荷，交流配電箱應(yīng)具備的電流容量為

根據(jù)典型5G基站通信電源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置表可知，現(xiàn)階段選用的交流配電箱一般為380 V/100 A（63 A）規(guī)格，大于計(jì)算所得的46 A需求，因此針對5G基站建設(shè)和擴(kuò)容時(shí)，應(yīng)用通信電源系統(tǒng)技術(shù)不需要調(diào)整交流配電箱系統(tǒng)。

2.4 蓄電池系統(tǒng)

蓄電池系統(tǒng)作為支撐5G基站各類通信設(shè)備維持正常運(yùn)行的備電設(shè)備，應(yīng)用通信電源系統(tǒng)技術(shù)時(shí)需進(jìn)一步考慮市電每年停電次數(shù)、每季度停電次數(shù)、每月停電次數(shù)、停電耗時(shí)、5G基站的建設(shè)位置、移動發(fā)電機(jī)保障供電的服務(wù)范圍以及5G基站市電規(guī)劃類別等，確保蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性[3]?；谛铍姵叵到y(tǒng)規(guī)劃要求，綜合考慮蓄電池實(shí)際容量、具體負(fù)荷配置以及使用壽命，結(jié)合適度超前和長遠(yuǎn)發(fā)展原則，可以得到蓄電池系統(tǒng)容量計(jì)算公式為

當(dāng)前，典型5G基站通常配置2組規(guī)格為500 Ah的密封式閥控鉛酸蓄電池組構(gòu)成蓄電池系統(tǒng)?；驹?套3G和4G通信設(shè)備，再新增1套5G通信設(shè)備，同時(shí)設(shè)定蓄電池持續(xù)發(fā)電時(shí)長可維持3 h，此時(shí)蓄電池系統(tǒng)配置容量為

由式（3）可知，典型5G基站所配置的2組500 Ah蓄電池可以滿足基站675 Ah的電量需求。若要對5G基站進(jìn)行擴(kuò)容，需在保證通信設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，適當(dāng)調(diào)整蓄電池系統(tǒng)配置容量。

3 案例研究

3.1 案例概況

為保證5G基站建設(shè)成效，確?；緝?nèi)各類通信設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有序的運(yùn)轉(zhuǎn)，某地針對蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改造。利用串聯(lián)的形式，在開關(guān)電源系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間設(shè)置蓄電池合路器，由合路器每個(gè)模塊對應(yīng)管理1組蓄電池組，借助智能雙向直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）控制端口來完成主動升壓和降壓，以此管控蓄電池系統(tǒng)充電和放電。蓄電池合路器能夠針對整組蓄電池或單一的蓄電池模塊進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)檢測和即時(shí)監(jiān)測，同時(shí)可以利用裝置內(nèi)設(shè)的5G無線通信模組實(shí)時(shí)回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，以此完成對于5G基站蓄電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程操控。蓄電池合路器運(yùn)行原理如圖1所示[4]。

圖1 蓄電池合路器運(yùn)行原理

3.2 案例分析

該地通過加強(qiáng)蓄電池系統(tǒng)監(jiān)測，推行智能管理和市電削峰填谷策略，以確保5G基站各類通信設(shè)備和市電供給的穩(wěn)定有序。電力公司采取分時(shí)電價(jià)方法，鼓勵用電需求旺盛的企業(yè)在谷電時(shí)段用電。峰電時(shí)段為每日的8:00—12:00、18:00—22:00，電價(jià)為1.05 元/（kW·h）；平電時(shí)段為每日12:00—18:00、22:00—24:00，電價(jià)為0.68 元/（kW·h）；谷電時(shí)段為每日00:00—08:00，電價(jià)為0.35 元/（kW·h）。

該地在采取市電削峰填谷策略的同時(shí)，也考慮了鋰電池的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)階段，鋰電池在5G基站通信電源系統(tǒng)中的應(yīng)用方向主要以備電為主，但由于鋰電池具備多次充電和放電的顯著優(yōu)勢，隨著鋰電池的廣泛推廣和深度應(yīng)用，可以選用儲能為主、備電為輔的方式，配合蓄電池系統(tǒng)監(jiān)測形成雙向主動式5G基站電能管理系統(tǒng)，促使鋰電池的應(yīng)用價(jià)值最大化發(fā)揮。

基于此，利用5G基站蓄電池系統(tǒng)的儲存電能功能和峰谷時(shí)段電價(jià)差異進(jìn)行分時(shí)充電和放電的節(jié)能化管理。當(dāng)市電電價(jià)偏低時(shí)，可以自動轉(zhuǎn)為向基站內(nèi)蓄電池系統(tǒng)充電；當(dāng)市電電價(jià)偏高時(shí)，可以自動轉(zhuǎn)為主動放電模式。通過該方式充分激活5G基站蓄電池系統(tǒng)，使其在5G基站中發(fā)揮更大的功效，有效減少5G基站運(yùn)行中產(chǎn)生的電費(fèi)支出。需要注意的是，采取市電削峰填谷策略需全面考慮當(dāng)?shù)赜秒娗闆r，即峰電時(shí)段電能保障情況、谷電時(shí)段和梯次電池單價(jià)，以此明確儲能的效益臨界點(diǎn)（即峰谷電價(jià)差）[5]。

以當(dāng)?shù)厝站婚g斷用電負(fù)荷為48 V/60 A的5G基站為例，該基站現(xiàn)階段配置了2組規(guī)格為300 Ah的鉛酸蓄電池，同時(shí)已安裝雙向主動式5G基站電能管理系統(tǒng)。當(dāng)市電供給處于正常狀態(tài)時(shí)，選用削峰填谷方案，鋰電池蓄電功能開始工作；當(dāng)市電供給處于停電狀態(tài)且油機(jī)未到時(shí)，利用鉛酸蓄電池組作為備用電源，為5G基站內(nèi)各類通信設(shè)備保持穩(wěn)定供電。技術(shù)人員針對鉛酸蓄電池組進(jìn)行了系統(tǒng)化檢測，檢測結(jié)果顯示該5G基站所配置的蓄電池系統(tǒng)備電時(shí)長大于4 h，可以充分滿足基站建設(shè)所要求的3 h備電規(guī)定。結(jié)合市電削峰填谷策略，對于8 h的峰電時(shí)段放電分配情況，以增配梯次電池容量的形式完成優(yōu)化調(diào)整，具體公式為

式中：Q為蓄電池容量；K為設(shè)定的安全系數(shù)，取1.25；a為環(huán)境溫度控制變量系數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r取1.0；P1為一次下電側(cè)基站內(nèi)各類通信設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率；P2為二次下電側(cè)基站內(nèi)各類通信設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率；T1為一次下電側(cè)各類通信設(shè)備所需的備電總時(shí)長；T2為二次下電側(cè)各類通信設(shè)備所需的備電總時(shí)長；T3為削峰填谷耗時(shí)。

針對市電削峰填谷策略下的設(shè)備用電需求進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算可知蓄電池需滿足40 kW/h的放電需求。從經(jīng)濟(jì)效益的角度對增配梯次電池容量進(jìn)行考慮，以谷電時(shí)段的電價(jià)進(jìn)行計(jì)算可得投資總額為27 200元，考慮其他支出，最終總計(jì)成本約為36 200元。此外，投資收益年限約為5.5年，即要求增配的梯次電池循環(huán)次數(shù)需≥2 000次。

通過實(shí)行市電削峰填谷策略，可以在保證市電供給穩(wěn)定有序的基礎(chǔ)上，為5G基站各類通信設(shè)備保持正常運(yùn)行提供可靠的電力支持。5G基站的內(nèi)置蓄電池系統(tǒng)可以與市電削峰填谷形成良好的互補(bǔ)關(guān)系，在峰電時(shí)段充分保障基站內(nèi)各類通信設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過增配梯次電池獲取額外的能源效益。

4 結(jié) 論

通過加強(qiáng)5G基站通信電源系統(tǒng)技術(shù)分析與研究，可以在保證各類通信設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)能源效益，使5G不單從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境方面為社會發(fā)展提供便利，還能在電力能源供給與保障方面發(fā)揮作用，從而為更好地建設(shè)與發(fā)展5G基站及其內(nèi)置各類通信設(shè)備提供有力的支持與保障。