5G電源設(shè)計(jì)降本增效措施研究

李媛媛

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

通信電源系統(tǒng)的降本增效是一個(gè)比較復(fù)雜又有些相互矛盾的問題，需要從資本性支出（Capital Expenditure，CAPEX）、運(yùn)營(yíng)成本（Operating Expense，OPEX）、供電系統(tǒng)的安全性與可靠性等方面綜合考慮。隨著5G核心網(wǎng)的建設(shè)和核心網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV），網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)布局逐步向“大區(qū)中心節(jié)點(diǎn)”和“邊緣節(jié)點(diǎn)”演進(jìn)，大區(qū)中心節(jié)點(diǎn)主要部署在數(shù)據(jù)中心及省級(jí)機(jī)房樓[1]。邊緣節(jié)點(diǎn)機(jī)房以本地網(wǎng)或本地網(wǎng)區(qū)域中心為單位集中設(shè)置，涉及地市核心機(jī)房、傳輸重要匯聚機(jī)房、傳輸普通匯聚機(jī)房以及傳輸業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房。而5G通信技術(shù)采用功耗較大的3 GHz及以上毫米波，使得無(wú)線接入網(wǎng)組網(wǎng)方式演進(jìn)為密集部署微基站，能夠滿足空間覆蓋和容量提升需求[2]。

1 核心機(jī)房

根據(jù)5G核心網(wǎng)建設(shè)思路，5G核心網(wǎng)控制面設(shè)備設(shè)置在省數(shù)據(jù)中心或大區(qū)數(shù)據(jù)中心，用戶面設(shè)備下沉到地市，并且都采用虛擬化方式部署。目前，針對(duì)5G設(shè)備建設(shè)的核心機(jī)房條件兩極分化。近年來建設(shè)的數(shù)據(jù)中心情況較好，但其他機(jī)房因單點(diǎn)百架級(jí)的建設(shè)需求，大部分需要通過老舊退網(wǎng)或云化遷移后清理傳統(tǒng)設(shè)備并騰退機(jī)房，5G供電系統(tǒng)面臨諸多問題，具體如下。

一是高低壓配電系統(tǒng)大部分一直處于資源緊張狀態(tài)，無(wú)法滿足5G核心網(wǎng)中高功耗、高密度的用電需求。二是5G老舊核心機(jī)房樓運(yùn)行中，隨著設(shè)備單機(jī)柜功耗的逐年提升，原規(guī)劃高低壓供電系統(tǒng)已無(wú)法支撐新設(shè)備的增長(zhǎng)，設(shè)備發(fā)展與供電發(fā)展不成比例，且面臨空間、承重及外圍電網(wǎng)容量等多重限制因素。三是設(shè)備用電系統(tǒng)日益龐大，電費(fèi)支出在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)支出中所占的比例逐漸提高[3]。

面對(duì)以上供電難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)老舊核心機(jī)房5G電源建設(shè)降本增效的關(guān)鍵點(diǎn)就是充分利用現(xiàn)有資源，通過設(shè)備割接等方案實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源整合。通過整合機(jī)房空間，騰出空間用于通信設(shè)備和電源設(shè)備的安裝，避免新機(jī)房的擴(kuò)建，實(shí)現(xiàn)了降本。整合電源資源，避免因后端用電設(shè)備分配不均導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，同時(shí)保證新增電源設(shè)備可以按照最小容量配置，實(shí)現(xiàn)了電源建設(shè)投入的降本[4]。與此同時(shí)，隨著不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）、開關(guān)電源等動(dòng)力設(shè)備的更新替換升級(jí)，可以開展小部分的電源資源整合，釋放部分供電容量。電源設(shè)備的智能化、數(shù)字化是核心機(jī)房供電的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，通過新技術(shù)、新產(chǎn)品及新理念的應(yīng)用，減少供電設(shè)備自身的消耗。構(gòu)建完善的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效的電能數(shù)據(jù)分析。針對(duì)耗電量異常的機(jī)房進(jìn)行重點(diǎn)分析，避免用電浪費(fèi)。

老舊核心機(jī)房樓電源改造是通信行業(yè)發(fā)展不可避免的問題，充分利用好老舊核心機(jī)房是降本增效的一個(gè)重大議題?？偨Y(jié)提煉了針對(duì)老舊核心機(jī)房樓電源改造的降本增效措施，重在盤活現(xiàn)有資源。從CAPEX、OPEX方面來看，整合資源投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，但帶來的是核心機(jī)房樓的可持續(xù)發(fā)展，智能化、數(shù)字化電源的發(fā)展將大大降低維護(hù)成本；從供電系統(tǒng)的安全性與可靠性方面來看，通過設(shè)備升級(jí)整合更及時(shí)、更詳細(xì)地監(jiān)控系統(tǒng)配置，有助于排查隱患，使得供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 重要匯聚機(jī)房

重要匯聚機(jī)房一般位于區(qū)縣中心地域及個(gè)別大型城市的郊區(qū)，承擔(dān)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面、數(shù)據(jù)承載網(wǎng)寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）等的設(shè)備下沉部署需求，后續(xù)在5G工程中會(huì)承載邊緣計(jì)算設(shè)備等。機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備越來越多，但缺乏核心機(jī)房規(guī)劃及后期專業(yè)管理[5]。

考慮省內(nèi)建設(shè)現(xiàn)狀，根據(jù)傳輸機(jī)房規(guī)劃及建設(shè)指導(dǎo)意見，一般重要匯聚機(jī)房分為兩類，分別是機(jī)房與辦公同局址的綜合樓和純機(jī)房。在這兩個(gè)分類的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套考慮全面的供電結(jié)構(gòu)類型。以應(yīng)用于機(jī)房與辦公同局址的綜合樓為研究對(duì)象，考慮設(shè)置非保障配電柜，綜合樓辦公等非保障用電在該柜內(nèi)取電。同時(shí)為保障操作安全，該柜體內(nèi)設(shè)置空開連接至保障配電柜自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Automatic Transfer Switching，ATS）上，與柴油發(fā)電機(jī)相互切換。

為了滿足機(jī)房用電安全并實(shí)現(xiàn)分散供電，在機(jī)房?jī)?nèi)配置了1臺(tái)機(jī)房用低壓配電柜，開關(guān)電源及空調(diào)等設(shè)備從此處取電。在供電系統(tǒng)中設(shè)置了應(yīng)急接口箱，并結(jié)合柴油發(fā)電車實(shí)際配置在箱體內(nèi)安裝3個(gè)接口，方便小容量柴油發(fā)電車接入并安全運(yùn)行。在實(shí)際供電結(jié)構(gòu)配置過程中，根據(jù)項(xiàng)目的個(gè)性化需要選取供電結(jié)構(gòu)中的部分內(nèi)容進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化，提升局址的供電能力。

根據(jù)以上對(duì)供電結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)提煉了重要匯聚節(jié)點(diǎn)機(jī)房機(jī)電擴(kuò)容配置場(chǎng)景，優(yōu)化了供電結(jié)構(gòu)，形成了模式化方案，進(jìn)而為設(shè)備套結(jié)構(gòu)式訂貨的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)眾多可選配件，對(duì)地市項(xiàng)目經(jīng)理電源專業(yè)知識(shí)提出了較高的要求，很容易出現(xiàn)漏訂、多訂的情況，進(jìn)而產(chǎn)生不必要的投資，同時(shí)影響項(xiàng)目進(jìn)度。通過與采購(gòu)部合作對(duì)柴油發(fā)電機(jī)配件進(jìn)行了刪選，以模塊概念為基礎(chǔ)，采用套結(jié)構(gòu)的方式固定了部分常用的配件，限定最大配置，給出建議配置，形成了常用配置結(jié)構(gòu)體系。受區(qū)縣機(jī)房不規(guī)整性及面積限制，室外箱式變電站及室外柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用成為解決高低壓室面積嚴(yán)重不足的最優(yōu)方案，但室外箱式變電站在集采目錄中不存在，導(dǎo)致在后期使用配置過程中規(guī)格差異較大。同樣，結(jié)合設(shè)備布置情況及未來發(fā)展規(guī)劃固定箱變內(nèi)配置結(jié)構(gòu)，方便后期設(shè)計(jì)及訂貨使用。

針對(duì)核心匯聚機(jī)房的發(fā)展特征及供電需求，形成了模板型供電結(jié)構(gòu)方案。針對(duì)設(shè)備配件的復(fù)雜性，提出并實(shí)現(xiàn)了套結(jié)構(gòu)訂貨方式。通過供電結(jié)構(gòu)總結(jié)式優(yōu)化和套結(jié)構(gòu)式訂貨結(jié)構(gòu)的配合使用，設(shè)計(jì)針對(duì)重要匯聚機(jī)房的降本增效措施。從CAPEX、OPEX方面來看，充分考慮未來機(jī)房發(fā)展，避免了機(jī)房的多次投入建設(shè)，同時(shí)節(jié)省了設(shè)備訂貨溝通所需的大量時(shí)間，側(cè)面提高了工程建設(shè)效率和建設(shè)質(zhì)量，有效減少成本；從供電系統(tǒng)的安全性與可靠性方面來看，通過應(yīng)急接口箱的配置及合理型號(hào)斷路器的設(shè)置，充分保障了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3 其他機(jī)房

5G新增功耗對(duì)站點(diǎn)整個(gè)供電系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，在5G供電建設(shè)中難點(diǎn)重重。首先，需要建設(shè)更多的站點(diǎn)，建設(shè)周期長(zhǎng)。傳統(tǒng)基站動(dòng)力配套建設(shè)需要進(jìn)行開關(guān)電源、蓄電池、升壓模塊等多種設(shè)備的訂貨、到貨、安裝等內(nèi)容，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。其次，現(xiàn)有基站空間受限，傳統(tǒng)電源無(wú)法擴(kuò)容。省內(nèi)存在大量基站空間緊張，擴(kuò)建5G設(shè)備后對(duì)電源、蓄電池的需求增加，但機(jī)房面積不支持配套設(shè)備擴(kuò)容。再次，5G設(shè)備耗電量大，電費(fèi)支出大幅增加。5G基站設(shè)備功耗約為4G設(shè)備功耗的3～4倍，造成電費(fèi)大幅增長(zhǎng)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要可選擇關(guān)斷5G高功耗設(shè)備亟待解決。最后，線損壓降大、夏季用電高峰市電引入電壓下降等因素明顯影響通信設(shè)備的正常運(yùn)行。高功率有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）在拉遠(yuǎn)時(shí)線損壓降大，AAU無(wú)法正常運(yùn)行。在夏季用電高峰期，市電引入電壓下降明顯，通信設(shè)備頻繁斷電。

5G基站一體化能源機(jī)柜將電源、電池集成在1個(gè)機(jī)柜內(nèi)，同時(shí)還能安裝主設(shè)備，基于能源多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MINO）理念為5G基站供電提供了按需投資、智能運(yùn)維、高效運(yùn)營(yíng)的電源解決方案。5G基站一體化能源機(jī)柜適用場(chǎng)景如下。

（1）快速建站需求場(chǎng)景。一體化能源機(jī)柜集成MIMO電源插框、蓄電池、主設(shè)備安裝空間為一體，集成度高，一個(gè)月內(nèi)可到貨安裝并調(diào)測(cè)入網(wǎng)。

（2）機(jī)房空間受限場(chǎng)景。一體化能源機(jī)柜集成度高，特別適用于空間受限場(chǎng)合。通過1個(gè)機(jī)柜安裝即可解決電源、電池?cái)U(kuò)容問題，并提供主設(shè)備安裝空間。

（3）自動(dòng)遠(yuǎn)程上下電需求場(chǎng)景。一體化能源機(jī)柜的遠(yuǎn)程上下電功能可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)上下電，根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活配置上電、下電策略，在業(yè)務(wù)閑時(shí)關(guān)閉高功耗設(shè)備，節(jié)省電費(fèi)支出。通過策略配置，利用峰谷電價(jià)差來實(shí)現(xiàn)降本增效。

（4）遠(yuǎn)程升壓供電需求場(chǎng)景。一體化能源機(jī)柜自帶升壓功能，避免AAU配置升壓電源模塊，降低工程復(fù)雜度并減少投資。

（5）機(jī)房新增負(fù)載后原有電源系統(tǒng)/電池容量不足場(chǎng)景。機(jī)房新增負(fù)載后，原有電源系統(tǒng)/電池容量不足，需要更換更高容量的電源系統(tǒng)/電池，投資多且建設(shè)周期長(zhǎng)。采用原有電源系統(tǒng)保持不變，新增一體化能源機(jī)柜彌補(bǔ)不足的電源容量，可以減少投資、快速入網(wǎng)。

（6）機(jī)房新增負(fù)載后原有外市電容量不足場(chǎng)景。機(jī)房新增負(fù)載后，原有外市電容量不足，需要擴(kuò)容市電引入，導(dǎo)致另選站址建設(shè)、建設(shè)周期長(zhǎng)。采用新增一體化能源機(jī)柜，通過開啟智能削峰填谷彌補(bǔ)不足的外市電容量，新增網(wǎng)元可快速入網(wǎng)。

（7）夏季用電高峰期交流引入電壓下降明顯場(chǎng)景。夏季用電高峰期交流引入電壓下降明顯，通信設(shè)備頻繁斷電，景區(qū)潮汐效應(yīng)明顯，通信設(shè)備全天候供電，造成高額電費(fèi)支出。采用一體化能源機(jī)柜，能適應(yīng)85～300 V的輸入電壓，有效解決夏季用電高峰期電壓不穩(wěn)造成的設(shè)備斷電問題。此外，靈活配置上下電策略，通過配置自動(dòng)上下電策略與削峰填谷策略節(jié)省電費(fèi)支出，實(shí)現(xiàn)降本增效。

根據(jù)主設(shè)備項(xiàng)目需求，本工程新增14臺(tái)服務(wù)器。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備安裝情況，需要新增1臺(tái)機(jī)柜，用于安裝新增服務(wù)器。機(jī)房?jī)?nèi)現(xiàn)有UPS容量為30 kVA/27 kW，按照90%負(fù)荷上限計(jì)算，可承載24.3 kW負(fù)荷。配置2組100 Ah蓄電池，滿負(fù)荷后蓄電池可維持約55 min后備時(shí)間。目前A、B、C三相每相可承載負(fù)荷約為2.5 kW、3.1 kW、4.3 kW，總計(jì)約9.9 kW。本期工程預(yù)計(jì)新增負(fù)荷約11 kW，現(xiàn)有UPS無(wú)法滿足全部設(shè)備的供電需求。

按照傳統(tǒng)的建設(shè)思路，目前西機(jī)房的條件已無(wú)法滿足新增需求，需啟用機(jī)房隔墻外的東區(qū)域，新增UPS、蓄電池、空調(diào)、走線架以及主設(shè)備機(jī)架等配套設(shè)施。與此同時(shí)，需對(duì)現(xiàn)有機(jī)房進(jìn)行裝修和消防改造，并對(duì)新增UPS、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行選型，投資估算約11.5萬(wàn)元，詳細(xì)投資分析如表1所示。

表1 投資估算

為了在小空間內(nèi)滿足機(jī)柜和電源需求，在現(xiàn)有機(jī)房面積基礎(chǔ)上新增1臺(tái)一體化能源機(jī)柜，與現(xiàn)有UPS分別供電。本工程共新增14臺(tái)服務(wù)器，其中8臺(tái)安裝在現(xiàn)有機(jī)架內(nèi)，采用現(xiàn)有UPS供電，新增交流功耗3.75 kW；另外4臺(tái)安裝在新增一體化能源機(jī)柜內(nèi)，由一體化能源機(jī)柜供電，新增直流功耗7.2 kW。在未啟用東機(jī)房的情況下，一體化能源機(jī)柜安裝等費(fèi)用為63 805元。該一體化能源機(jī)柜集設(shè)備與電源一體，上端的電源設(shè)備采用模塊化處理，靈活配置可實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)的高度融合，大大減少了增容、改造等工程投資。

通過典型案例的分析，一體化能源機(jī)柜適用于解決市電容量不足、開關(guān)電源更新擴(kuò)容、蓄電池組增容、電網(wǎng)不穩(wěn)定以及機(jī)房安裝空間緊張等場(chǎng)景的問題。以分析適用場(chǎng)景為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)，總結(jié)5G基站一體化能源機(jī)柜解決方案所帶來的降本增效優(yōu)勢(shì)。從CAPEX、OPEX方面來看，支持多電源輸入輸出的解決方案，按需配置且與業(yè)務(wù)高度融合，極大避免了機(jī)房建設(shè)的二次投入，利用峰谷平電價(jià)差降低成本，通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載狀態(tài)，支持遠(yuǎn)程上下電功能，系統(tǒng)恒壓直流57 V輸出，無(wú)需其他電源設(shè)備投入，人工維護(hù)成本也大大降低。從供電系統(tǒng)的安全性與可靠性方面來看，一體化能源機(jī)柜本身成熟化的設(shè)計(jì)及大規(guī)模的應(yīng)用能夠彌補(bǔ)市電不足，保證設(shè)備安全正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

目前電信行業(yè)面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈、產(chǎn)業(yè)融合進(jìn)程加速、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)電信業(yè)帶來巨大沖擊等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，深入開展開源節(jié)流、降本增效工作是實(shí)現(xiàn)高效發(fā)展的長(zhǎng)期舉措。精細(xì)管理、多措并舉是降本增效的核心思想，在未來的電源建設(shè)工程項(xiàng)目中充分踐行降本增效原則，針對(duì)通信電源的各種節(jié)能減排措施及鋰電池與市電混用等都可以成為降本增效優(yōu)選方案。