5G電源配套綜合解決方案研究

邱文鋒

（深圳市電信工程有限公司，廣東 深圳 518020）

1 5G基站電源供電中存在的問(wèn)題

1.1 設(shè)備功耗大

據(jù)統(tǒng)計(jì)，5G基站的功耗約為4G基站的3～5倍。2018年，我國(guó)三大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的基站總功耗約為505億kW·h，而在2019年，5G網(wǎng)絡(luò)正式商用化以后，三大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的基站總功耗增長(zhǎng)約2 000萬(wàn)kW·h[1]?？傮w來(lái)說(shuō)，相較于4G基站來(lái)說(shuō)，5G基站功耗更高，為達(dá)成節(jié)能環(huán)保等目標(biāo)，必須對(duì)5G基站功耗進(jìn)行有效控制。

1.2 市電擴(kuò)容難

現(xiàn)階段，為確保各類(lèi)移動(dòng)設(shè)備各功能的正常使用，5G宏基站需要在4G宏基站市電容量的基礎(chǔ)上新增25～40 kW市電容量。為滿(mǎn)足5G宏基站設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，4G宏基站升級(jí)為5G宏基站時(shí)需對(duì)宏基站站點(diǎn)市電容量進(jìn)行擴(kuò)容處理，常用的擴(kuò)容方式為市電總?cè)萘恳?、配電回路擴(kuò)容等。

1.3 供電能力差

當(dāng)前多數(shù)基站機(jī)房?jī)?nèi)均配置有2～3套開(kāi)關(guān)電源，用于實(shí)現(xiàn)基站機(jī)房?jī)?nèi)各類(lèi)設(shè)備的供電。大部分基站的滿(mǎn)架容量為600 A，實(shí)際使用容量為200 A，預(yù)計(jì)可滿(mǎn)足5G基站電源配套使用需求。但結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)前基站所配置的大容量端子相對(duì)較少，并且大部分大容量端子已經(jīng)被使用，剩余的大容量端子難以滿(mǎn)足5G基站設(shè)備的正常運(yùn)行需求[2]。

5G基站的運(yùn)行功耗遠(yuǎn)超過(guò)4G基站，所以直接沿用現(xiàn)有備電策略將難以滿(mǎn)足5G基站后續(xù)運(yùn)行中的備電需求。例如，根據(jù)保障5G基站4 h正常運(yùn)行進(jìn)行備電設(shè)置，則需要在5G基站中配置2 000 Ah以上的蓄電池組用于5G基站備用供電。但傳統(tǒng)基站備電所采用的鉛酸電池組具有體積和重量相對(duì)較大等缺點(diǎn)，直接采用原有備電方案將會(huì)對(duì)基站站點(diǎn)樓面承載力和內(nèi)部控制提出更高的實(shí)際要求，進(jìn)而導(dǎo)致備電難度較大。

2 5G基站電源配套綜合解決方案

2.1 宏基站

現(xiàn)如今，移動(dòng)基站電源以220 V/380 V交流市電為主要供應(yīng)電源，并輔以通信電源供電，此種供電模式主要涉及市電電源系統(tǒng)、交流配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)以及后備發(fā)電系統(tǒng)[3]。市電引入是指從市電網(wǎng)絡(luò)中直接引入一路交流電為機(jī)房進(jìn)行持續(xù)供電。引入市電會(huì)經(jīng)由交流配電箱、整流單元等設(shè)備轉(zhuǎn)換為48 V直流電源。經(jīng)由開(kāi)關(guān)電源整流后的直流電源輸出至基站內(nèi)的直流配電箱，再由直流配電箱將直流電源分配給各用電設(shè)備進(jìn)行使用。直流后備蓄電池組在交流市電可以正常供電情況下并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行浮充電，待交流市電供電中斷后自動(dòng)啟動(dòng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的直流配電單元為基站供應(yīng)直流電源，確保移動(dòng)基站在交流市電供電中斷后仍然可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間正常運(yùn)行。具體宏基站供電系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 宏基站供電系統(tǒng)基本架構(gòu)

2.2 直流遠(yuǎn)供技術(shù)

2.2.1 直流遠(yuǎn)供技術(shù)基本情況

直流遠(yuǎn)供技術(shù)作為1種5G基站供電新技術(shù)，其可以通過(guò)局端基站將直流電源升壓傳輸至遠(yuǎn)端基站，遠(yuǎn)端基站再將升壓后的直流電降壓處理后為基站設(shè)備進(jìn)行持續(xù)供電。相較于傳統(tǒng)供電技術(shù)來(lái)說(shuō)，直流遠(yuǎn)供技術(shù)更適用于連片新建基站或者高鐵沿線(xiàn)基站的持續(xù)供電，以局端基站為中心進(jìn)行發(fā)散式供電。當(dāng)前直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)主要包括局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備、射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）。具體應(yīng)用中，直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)以局端基站為中心，通過(guò)局端設(shè)備箱周邊遠(yuǎn)端基站及設(shè)備進(jìn)行發(fā)散式供電，并為保障電壓和供電效果，將電壓升壓至250 V/410 V，在通過(guò)光電混合纜（拉遠(yuǎn)RRU）將升壓后的直流電源傳輸至遠(yuǎn)端設(shè)備，由遠(yuǎn)端設(shè)備對(duì)直流電源進(jìn)行降壓處理后，為遠(yuǎn)端基站內(nèi)設(shè)備提供48 V直流電源或者其他電壓電源供應(yīng)。

2.2.2 直流遠(yuǎn)供技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

（1）直流遠(yuǎn)供技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。具體應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)站點(diǎn)分布情況合理設(shè)置直流遠(yuǎn)供技術(shù)應(yīng)用方案[4]。城市中，由于人口密度較大，為滿(mǎn)足居民5G網(wǎng)絡(luò)使用要求，需建設(shè)大量5G微站，促使5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)市電需求較高，在無(wú)法實(shí)現(xiàn)市電快速增容的情況下，應(yīng)采用集中式高壓直流遠(yuǎn)供方案應(yīng)對(duì)微站市電引入困難等問(wèn)題。針對(duì)站點(diǎn)分布較為分散的情況，可采用分散式供電方案，具體配置中應(yīng)為每個(gè)站點(diǎn)配置多組蓄電池，然后通過(guò)直流遠(yuǎn)供技術(shù)實(shí)現(xiàn)拉遠(yuǎn)站點(diǎn)與用電站點(diǎn)之間電源的動(dòng)態(tài)化調(diào)整，減少基站中備用蓄電池組的配置容量。

（2）直流遠(yuǎn)供技術(shù)的劣勢(shì)。直流遠(yuǎn)供技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要先將近端站點(diǎn)的直流電源升壓后傳輸至遠(yuǎn)端站進(jìn)行降壓使用，此過(guò)程中需要經(jīng)歷至少3次電能轉(zhuǎn)換，實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電能損耗較大，使得直流遠(yuǎn)供技術(shù)的應(yīng)用成本較高。同時(shí)，若在近端站點(diǎn)和遠(yuǎn)端站點(diǎn)之間的光電混合纜存在漏電、短路等故障問(wèn)題，則會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端站點(diǎn)出現(xiàn)停電情況，所以為保障直流遠(yuǎn)供技術(shù)的持續(xù)穩(wěn)定應(yīng)用，需采用組網(wǎng)方式構(gòu)建冗余接電電路，進(jìn)一步提高直流遠(yuǎn)供技術(shù)的應(yīng)用成本。

2.2.3 微基站電源綜合解決方法

（1）市電引入。微站站點(diǎn)主要采用轉(zhuǎn)供電，具體轉(zhuǎn)供電為市區(qū)內(nèi)變壓器進(jìn)行直接供電[5]。具體供電過(guò)程中，需采用市電變壓器直接將市電引入到微基站機(jī)房，再根據(jù)微基站內(nèi)部設(shè)備的用電需求特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)拉遠(yuǎn)投設(shè)備的總體功耗情況。綜合三大運(yùn)行商5G微基站用電需求，預(yù)計(jì)容量應(yīng)配置為3.5～10 kW，具體市電引入前應(yīng)確認(rèn)市電變壓器內(nèi)各類(lèi)設(shè)備性能是否可滿(mǎn)足新增5G微基站后的使用需求，若是現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足使用需求，則應(yīng)對(duì)不足設(shè)備進(jìn)行及時(shí)更換處理。采用住戶(hù)用電作為微基站市電引入線(xiàn)路時(shí)，應(yīng)根據(jù)微基站設(shè)備用電需求計(jì)算總功耗，進(jìn)而重新規(guī)劃居民用電線(xiàn)路引入后的斷路器容量以及引電電纜線(xiàn)徑。

（2）后備發(fā)電系統(tǒng)。一般情況下，微基站無(wú)須配置后備發(fā)電系統(tǒng)，但考慮到用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)使用需求，為保障微基站市電停供后的正常運(yùn)行，需為微基站配置移動(dòng)發(fā)電機(jī)組，綜合多方面考慮后，所配置的發(fā)電機(jī)容量應(yīng)控制在15～30 kW。

（3）電源系統(tǒng)。若是區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)微基站分散供電情況，則可以采用直流遠(yuǎn)供技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)多個(gè)微基站進(jìn)行分布式供電。在具體實(shí)施過(guò)程中，可將直流遠(yuǎn)供技術(shù)的傳輸電壓設(shè)置為225～350 V，并根據(jù)局端供電電源的差異合理配置48 V開(kāi)關(guān)電源，先通過(guò)局端設(shè)備升壓處理后，再通過(guò)遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行降壓處理，為遠(yuǎn)端微基站設(shè)備進(jìn)行直接供電[6]。若是遠(yuǎn)端微基站規(guī)模較大，考慮到直流遠(yuǎn)供技術(shù)傳輸過(guò)程中存在一定的壓降情況，可在直流遠(yuǎn)供后直接為基站設(shè)備供電。針對(duì)城市公共設(shè)施等一體化基站，可以采用集中式供電模式，將微基站電源模塊設(shè)置在室外機(jī)機(jī)柜內(nèi)部，經(jīng)由供電模塊為微基站持續(xù)供電。

在電源模塊中，整流單元的配置容量一般為3～9 kW，具體配置過(guò)程中可采用鋰電池備電方案保障電源模塊的總?cè)萘俊Ｍ瑫r(shí)，根據(jù)微基站的用電需求差異，所配置的備電容量和備電時(shí)間也需要差異化設(shè)置。由于電源模塊具有高度集成、模塊化以及多元化輸入等特點(diǎn)，可在應(yīng)用中采用一體化建設(shè)，并且在配置緊湊型電源模塊時(shí)，為電源模塊配置浪涌保護(hù)器和防雷器等設(shè)備，避免電源模塊室外運(yùn)行時(shí)受到外界環(huán)境干擾。

2.3 新能源供電技術(shù)

2.3.1 削峰填谷

在不同應(yīng)用環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)設(shè)備的功耗情況也存在較大差異。在5G基站電源建設(shè)時(shí)，可根據(jù)用戶(hù)使用特點(diǎn)合理為5G基站疊加蓄電池組，通過(guò)每天峰谷電價(jià)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電，最終達(dá)成降低區(qū)域用電壓力、降低用電成本以及提高電能利用率的效果。具體建設(shè)過(guò)程中可以在市電谷價(jià)時(shí)采用市電直接供電，而在市電峰價(jià)時(shí)采用蓄電池供電或者使用部分市電[7]。此外，通過(guò)電源系統(tǒng)智能控制算法，結(jié)合區(qū)域內(nèi)電力供應(yīng)以及基站設(shè)備用電負(fù)載波動(dòng)情況合理調(diào)整基站站點(diǎn)負(fù)載。

2.3.2 智能電源

現(xiàn)階段，基站蓄電池后備時(shí)間差異化支持效果多是采用開(kāi)關(guān)電源一次下電和二次下電來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿(mǎn)足5G基站不同客戶(hù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的多元化使用需求，應(yīng)在基站電源上配置多種備電模式，以此來(lái)區(qū)分不同業(yè)務(wù)的不同后備時(shí)間。具體建設(shè)中可為基站配置多個(gè)下電模式，并分別為不同的下電模式配置梯級(jí)蓄電池供應(yīng)，進(jìn)而滿(mǎn)足客戶(hù)與應(yīng)用常用的多元化后備電時(shí)間需求。另外，通過(guò)電源系統(tǒng)的智能化控制也可以實(shí)現(xiàn)智能疊光、智能錯(cuò)峰以及精準(zhǔn)備電等效果，以此來(lái)滿(mǎn)足不同情況下的用電需求[8]。

2.3.3 多類(lèi)電池混用

隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，鐵鋰電池技術(shù)逐步成熟。相較于鉛酸電池，鐵鋰電池具有更強(qiáng)的充放電性能和循環(huán)放電性能，并且同容量條件下具有體積小、重量輕、充放電速度快、放電倍率高以及容量損失小等優(yōu)勢(shì)，更符合當(dāng)前5G基站的使用需求。在5G基站建設(shè)中，鐵鋰電池主要應(yīng)用模式如下。

（1）鐵鋰電池單獨(dú)備電。鐵鋰電池具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，更適用于當(dāng)前5G基站機(jī)房場(chǎng)景[9]。具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)5G基站內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行需求，多配置200～800 Ah的鐵鋰電池作為備電系統(tǒng)，建議所配置的鐵鋰電池組并聯(lián)數(shù)量為2組，并為鐵鋰電池配置電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）。

（2）鐵鋰電池與鉛酸電池混用備電。通常情況下，不同型號(hào)、容量、廠家以及時(shí)期的蓄電池之間不能夠一同混用。5G基站建設(shè)過(guò)程中為降低建設(shè)成本普遍存在著鐵鋰電池組與鉛酸電池組混用情況，為保障蓄電池組的應(yīng)用穩(wěn)定性和綜合利用率，應(yīng)為蓄電池組配置電池合路器。具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)鐵鋰電池和鉛酸電池的參數(shù)特征接入不同的電池合路器端口，并為其設(shè)置對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型電池組之間的混用效果[10]。

3 結(jié) 論

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)普及應(yīng)用，5G基站供電問(wèn)題也已經(jīng)成為當(dāng)前關(guān)注重點(diǎn)。為能夠有效降低5G基站的市電接入容量需求，本文介紹了多種5G基站電源綜合解決方案，分別為直流遠(yuǎn)供技術(shù)、新能源供電技術(shù)等，相關(guān)技術(shù)雖然無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)5G基站供電問(wèn)題的解決，但卻可以降低用電成本，提高市電利用率，降低5G基站運(yùn)行對(duì)市電的負(fù)載壓力，所以具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可在后續(xù)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中進(jìn)行參考應(yīng)用。