5G時(shí)代通信電源系統(tǒng)存在的問題及解決方案

莫偉彬

（公誠管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

5G通信技術(shù)的推廣極大地改善了通信系統(tǒng)中的信息交流速度。在網(wǎng)絡(luò)資源的構(gòu)建過程中，技術(shù)人員要分析電網(wǎng)的技術(shù)要點(diǎn)、使用條件以及維修維護(hù)，從而有效改善電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。運(yùn)用信息網(wǎng)絡(luò)與智能科技，為各行各業(yè)的發(fā)展提供新的發(fā)展方向。特別是在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)構(gòu)建中，存在著電源輸入、電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題。因此，有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)工程師要不斷更新和改進(jìn)信息網(wǎng)絡(luò)的基本原理，使之與5G技術(shù)框架相結(jié)合，并從根本上解決供電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器等問題[1]。

1 通信電源系統(tǒng)基本內(nèi)容

1.1 通信電源系統(tǒng)構(gòu)成

在通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行中，一般都是依靠其本身的供電結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來完成相應(yīng)的供電功能，從而保證了通信系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。通信供電系統(tǒng)一般包括交流引入環(huán)節(jié)、開關(guān)整流環(huán)節(jié)、直流分配環(huán)節(jié)、蓄電池以及監(jiān)測系統(tǒng)等5個(gè)環(huán)節(jié)，通過這5個(gè)部分的協(xié)同工作來完成通信供電功能。

1.2 通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行要求

通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到通信設(shè)備的功能，因而其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性也是其基礎(chǔ)工作需求。在通信系統(tǒng)正常運(yùn)行中，內(nèi)部一些小設(shè)備發(fā)生故障會對通信系統(tǒng)造成一定的影響，但是這種影響較小，屬于基本故障，因此只要針對故障設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)處理，就可以實(shí)現(xiàn)有效修復(fù)和完善。而通信電源系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，那么就會對整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大影響，只靠應(yīng)急措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在這種情況下，為了提高通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，須保證電力供應(yīng)系統(tǒng)的后備電源和其他備用電力設(shè)備能夠一直處于最佳狀態(tài)，特別是對于那些直接與電力設(shè)備進(jìn)行連接的通信系統(tǒng)[2]。同時(shí)，要在保證電力供應(yīng)充足的前提下對通信電源系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，使通信電源系統(tǒng)在市電運(yùn)行發(fā)生故障的情況下仍能滿足供電可靠性和穩(wěn)定性的基本需求。此外，由于設(shè)備電壓不穩(wěn)以及交流電源（Alternating Current，AC）電壓波動，通信電源系統(tǒng)運(yùn)行中需要配備相關(guān)的穩(wěn)壓裝置，從而為通信電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供一定保障。

2 5G概述

2.1 5G通信技術(shù)特點(diǎn)

5G通信技術(shù)的信息交互和信號傳導(dǎo)速率較快，最高可以達(dá)到10 Gb/s，應(yīng)用過程中信號的傳輸延遲較低，需要的信息載體容量也比較小。因此，5G通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更快的信息交流，為更多的設(shè)備提供持續(xù)的連接信號，還能夠迅速整合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)，以高效的信息交互模式進(jìn)行信息傳輸，方便協(xié)調(diào)通信電源中信號傳遞、切換控制、直流分布等數(shù)據(jù)指標(biāo)。同時(shí)，系統(tǒng)的工作也與通信供電能力有一定的關(guān)系，特別是在信號的傳遞過程中，通過信息技術(shù)可以識別并修補(bǔ)故障點(diǎn)，便于技術(shù)人員建立緊急控制模型，并依據(jù)通信系統(tǒng)的信號指示及時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定度，技術(shù)人員可以利用5G技術(shù)對電力系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行分析，從而對電力系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行進(jìn)一步的測算，還可以實(shí)現(xiàn)5G的數(shù)據(jù)通信，提高通信供電系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性[3]。

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成

與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G通信技術(shù)加快了網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，增加了連接的穩(wěn)定性，節(jié)約了成本和能量，擴(kuò)大了系統(tǒng)的規(guī)模和容量。5G技術(shù)的業(yè)務(wù)場景主要是加強(qiáng)移動寬帶、海量物聯(lián)以及低延時(shí)連接等。5G接入網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、分布單元（Distributed Unit，DU）、集中單元（Centralized Unit，CU）3級組成。在5G建設(shè)初期，宏站作為無線局域網(wǎng)的工作部署，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，對超低時(shí)延的需求也越來越大，因此在集中化無線接入網(wǎng)（Centralized Radio Access Network，CRAN）中大量應(yīng)用AAU、DU和CU結(jié)構(gòu)的分離規(guī)模。機(jī)房網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由匯聚機(jī)房、接入節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成，匯聚機(jī)房起到了疏導(dǎo)、匯聚的功能，同時(shí)具有節(jié)點(diǎn)的集中配置功能。

2.3 5G電源系統(tǒng)構(gòu)成及存在問題

基站電源系統(tǒng)通常包括交流供電和直流供電2種方式，其中交流電包括電力引入、保護(hù)器等，直流供電包括傳輸設(shè)備、蓄電池組和開關(guān)電源等。5G網(wǎng)絡(luò)中的基站部署時(shí)，采用室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）、AAU。多輸入多輸出技術(shù)（Multiple Input Multiple Output，MIMO）用于5G網(wǎng)絡(luò)基站的建設(shè)，因此BBU、AAU單元消耗功能低于4G[4]。

為了推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展，需要對網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而對供電系統(tǒng)提出了更高的要求，也使通信電源系統(tǒng)有了更多標(biāo)準(zhǔn)。例如，由于站點(diǎn)數(shù)量激增，引入站點(diǎn)的電力供應(yīng)困難、供電需求增加、電源系統(tǒng)擴(kuò)建困難以及機(jī)房面積有限等問題隨之而來。受這些因素影響，對供電的可靠性有著更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。5G通信供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度超過4G網(wǎng)絡(luò)，在提高運(yùn)行速度的同時(shí)，具有連接設(shè)備可靠性的優(yōu)勢。但當(dāng)前5G通信電源系統(tǒng)還存在一些技術(shù)問題，其中常見的便是供電系統(tǒng)有待健全，應(yīng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)，從而滿足供電系統(tǒng)更高的技術(shù)要求。例如，如果增加5G基站，就必須增設(shè)更多功能強(qiáng)大的站點(diǎn)，當(dāng)增大電源系統(tǒng)的需要時(shí)，還要增大機(jī)房的面積，以便為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供良好的環(huán)境。

3 5G通信供電系統(tǒng)優(yōu)化策略

3.1 DC機(jī)房電源

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）、核心網(wǎng)等各方面都在不斷向下延伸，在保留了傳統(tǒng)的集中化交流分布（Direct Current，DC）和區(qū)域化DC的同時(shí)，還加入了大量的邊緣DC，而大多數(shù)時(shí)候，邊緣DC的安裝地點(diǎn)是中央機(jī)房和核心匯聚機(jī)房[5]。5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使各個(gè)網(wǎng)元的集成度得到了進(jìn)一步的提高。就電力供應(yīng)而言，不同裝置所需要的供電需求也不盡相同（見圖1），通常都是以-48 V雙電源系統(tǒng)對傳統(tǒng)直流設(shè)備進(jìn)行供電；對于交流裝置來說，供電工作通常是由不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）或UPS 2N來完成；而240 V/336 V電壓的設(shè)備，則采用240 V/336 V的高壓直流電源，保證了主網(wǎng)單元設(shè)備和備用設(shè)備不會同時(shí)斷電，確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，全國公用電網(wǎng)的供電可靠性從90年代初就開始逐步提高，截止到2021年，全國重點(diǎn)城市的供電可靠性已達(dá)99.9%以上，這也進(jìn)一步說明了我國公用電網(wǎng)的供電能力和穩(wěn)定性正在逐步提高。為了提高國內(nèi)直流機(jī)房的運(yùn)營能力，進(jìn)一步采用市電與通信電源系統(tǒng)相結(jié)合的電力組網(wǎng)模式，以達(dá)到既能滿足電力設(shè)備建設(shè)需求，又能緩解機(jī)房空間緊張和降低通信電源系統(tǒng)建設(shè)投資的目的。此外，由于市電、變配電系統(tǒng)、油機(jī)系統(tǒng)的建設(shè)所需時(shí)間較長，相應(yīng)的DC機(jī)房必須能夠滿足2年以上容量的需求，否則就需要進(jìn)行擴(kuò)容和改建。

圖1 不同供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以此為前提，在國家頒布的有關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用了市電+通信電源供電系統(tǒng)構(gòu)成的混合供電組網(wǎng)方式進(jìn)行供電，如圖2所示。該方案不僅能滿足了電力設(shè)施建設(shè)的需要，還能解決電力機(jī)房的空間問題，在一定程度上節(jié)省建設(shè)投資。

圖2 市電+通信電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 大功率擴(kuò)容

為了加快5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，必須優(yōu)化和調(diào)整電力運(yùn)行系統(tǒng)，解決由電網(wǎng)擴(kuò)容過程中產(chǎn)生的各項(xiàng)問題。技術(shù)人員應(yīng)依據(jù)電網(wǎng)的容量和用電的峰谷狀況分析其最大功率差，但其不足之處在于電源的穩(wěn)定性不能得到保障。另外，對能源富集區(qū)進(jìn)行綜合分析，以常規(guī)供電基礎(chǔ)上充分利用太陽能、風(fēng)力發(fā)電等環(huán)保供電手段，以應(yīng)對電力不足的情況[6]。但是這一舉措也會受到區(qū)域的影響，因?yàn)橐坏┩度胩?，企業(yè)將無法承擔(dān)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)壓力。同時(shí)，在直流機(jī)房，5G通信電力系統(tǒng)建設(shè)中，特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)，還存在一些問題。如果有源天線單元（Active Antenna Unit，AUU）設(shè)備和電池包斷路單元（Battery Disconnect Unit，BDU）機(jī)箱之間的距離較遠(yuǎn)，那么為了充分降低線路損耗，就需要額外的線路。因此，在相同功率損耗條件下，需要對直流機(jī)房進(jìn)行降壓和升壓容量調(diào)節(jié)，以降低線損。一旦發(fā)生故障，應(yīng)及時(shí)更換智能鋰電池，確保其放電電壓維持在60 V左右。同時(shí)采用分布式電源產(chǎn)品的供電方式，并結(jié)合電池的設(shè)計(jì)，有效解決由于距離遠(yuǎn)所帶來的技術(shù)問題。

3.3 無線側(cè)供電優(yōu)化和控制

無線側(cè)電源分配5G通信技術(shù)，在公用電源方向上添加關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使得整個(gè)系統(tǒng)在可檢測、可控制的狀態(tài)下運(yùn)行[7]。另外，也要注意到無線側(cè)供電設(shè)備對電網(wǎng)的影響。技術(shù)主管要分析每個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的運(yùn)行狀況和特性，并調(diào)查所用設(shè)備的充電情況。對直流配電箱進(jìn)行功能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從整體規(guī)劃、設(shè)備功能、系統(tǒng)應(yīng)用等方面進(jìn)行功能優(yōu)化，并根據(jù)各地區(qū)的線路特點(diǎn)和元器件特征，確定整流模塊的功能，協(xié)調(diào)并確保電池的各項(xiàng)性能。為有效改善電源的性能，應(yīng)在各單元之間添加絕緣組件，以區(qū)分各單元的電力狀況。由于機(jī)組功率一般擴(kuò)展到5 000 W以上，因此要重視各區(qū)域的電力供應(yīng)狀況及開關(guān)影響。在低成本前提下，探討有關(guān)設(shè)備的熱效應(yīng)，并對基站的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)低成本的無線側(cè)供電。在中央位置設(shè)置5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，技術(shù)人員要清楚地了解電網(wǎng)的電壓控制難點(diǎn)，保證供電設(shè)計(jì)參數(shù)與規(guī)范要求相一致，需要5臺整流機(jī)及1套DC配電板，則可有效地保證電池組的供電要求。此外，在對戶外電網(wǎng)進(jìn)行改造、擴(kuò)建時(shí)，應(yīng)考慮增加機(jī)柜位置與槽位設(shè)置之間的關(guān)系，所有5G設(shè)備都應(yīng)該采用內(nèi)置開關(guān)，以確保功率擴(kuò)展的容量超過5 000 W[8]。

4 結(jié) 論

5G通信網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)在5G時(shí)代有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，在DC機(jī)房與多個(gè)組件相配合，實(shí)現(xiàn)了通信技術(shù)的升級更新，為用戶生產(chǎn)生活提供了更高質(zhì)量的通信數(shù)據(jù)與技術(shù)內(nèi)容，也為人們的生產(chǎn)生活創(chuàng)造了一個(gè)高效穩(wěn)定的通信空間。目前，5G通信電源系統(tǒng)的技術(shù)體系已在智慧家居、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為人們帶來了最佳體驗(yàn)。由此可知，5G技術(shù)和通信電源系統(tǒng)改變了生產(chǎn)生活方式，推動了各行各業(yè)的發(fā)展。在未來，5G通信網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)必將在更廣闊的應(yīng)用中起到更大的作用，促進(jìn)我國國民通信生活水平的不斷提高，并尋求更大的技術(shù)突破。