面向5G网络供配电方案创新研究

2020-03-06赵志红

通信电源技术 2020年21期

司鼎，徐华，赵志红

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南郑州 450008）

0 引言

2020年，5G网络全面商用。随着超密集组网、Massive MIMO以及高工作频段等关键技术的应用，5G网络设备功耗和重量大幅增加，基站数量也随之增加。随着各种增值业务的快速发展，电力消耗增加。因此，创新供配电模式并应用节能新技术，是实现5G网络降本增效、高效运营以及持续发展的重要方法。

1 无线网络供电系统

1.1 基站供电现状

现有基站机房的外市电、组合开关电源、铅酸蓄电池以及空调等通常采用标准通用配置，即外市电容量≤30 kW，开关电源模块为6～10块容量为50 A的-48 V/600 A开关电源，300 Ah、500 Ah、800 Ah的铅蓄电池组各2组，3台功率分别为7.5 kW、12.5 kW、20 kW的空调。由表1可知，空调和通信设备是基站运行的主要耗电设备，其中直流系统的耗电量占70%左右，空调系统的耗电量占30%左右。

表1 2020年7月综合接入机房用电量统计表

1.2 存在的问题

1.2.1 外市电容量问题

不同站型的地理位置、市电路由、外市电引入费用以及配电设备容量要求不同，但实际运行中，一般基站外市电均采用统一配置，因此存在超负荷和低配置问题，造成了不必要的资源浪费。

1.2.2 开关电源容量问题

开关电源模块均采用标准配置，无论基站设备功耗大小，一般均配置不少于6块电源模块，无法做到精确化配置。开关电源的效率与负载率有关，当负载率达到80%以上时，效率最高。因此，标准化的配置存在效益低下和资源浪费的情况。

1.2.3 蓄电池容量问题

根据相关规范，在考虑传输设备供电要求的情况下，通信运营商各基站蓄电池容量按远期负荷或开关电源满容量设计，备电时长为8 h。根据当地市电供电情况、机房实际负荷以及柴油发电机容量，不同站址的基站的蓄电池容量存在不一致性。因此，相同容量的蓄电池的配置存在投资浪费、资源浪费以及对机房容量的浪费。

2 无线网网络结构化站点定义

2.1 布局站

布局站点利用传统宏蜂窝组网方式，满足一定站距、站高以及覆盖指标要求，有效覆盖道路、绿地、广场以及公园等开放区域，一定程度上满足了深度覆盖率的要求。无线专业和电源专业中，布局站的选取是整个网络架构的骨干，在网络覆盖中起支撑作用。此类站址在建设初期电源配备相对完善，一般为宏基站。站址的外市电容量、开关电源容量、电池容量、监控系统以及机房空间等相关电源配套条件较好，在5G新型供电方式中可作为供电架构的主站。

布局站站址的选取应结合多种数据进行验证。从无线专业角度考虑供电条件选择站址，主要包括5方面要求。第一，机房空间足够、承重条件好以及可进行电源设备的扩容改造。第二，外市电供电方式为直供电，上游接电位置为变压器。第三，物业协调容易、发电方便。第四，站型要以多扇区宏站（扇区数量≥3）为主。第五，布局基站站距应满足不同场景站距标准。不同场景站距可进行实际测试获取，也可利用仿真获取[1]。

充分结合电源专业容量要求和无线专业覆盖要求选取的布局站，可直接作为5G供电系统的主站向四周延伸供电，从而提升5G供电效率和直供电比例。

2.2 补丁站

城区补丁站点主要起补充作用，能够有效规避干扰，解决布局站点的室内外局部无覆盖与弱覆盖问题。补丁站在基站建设方面采用多样化的覆盖手段。与布局站全为宏站不同，此类站址建设除了传统的宏站外，还采用了微站、RRU拉远以及一体化基站等多种方式进行建设。补丁站在电源配备方面与布局站存在一定的差距。个别站址的机房配备了一定容量的电源配套设备，但是狭小的机房空间和外市电容量限制了此类基站向外延伸供电的条件。仅有部分站址为宏站的补丁站电源配套及外市电供电条件较好，可作为供电延伸的辅助支点。

2.3 吸热站

吸热站的主要作用是解决热点区域的容量和感知问题，满足热点业务吸收要求，保障热点区域用户感知，为业务发展储备承载能力。该站点采用多载波（聚合）、异频异系统部署、扇区分裂以及室分引入等手段，灵活部署，按需而建。

吸热站设备一般为微站和微微站等设备，一般为无机房站址。它的供电方式多为直流远供供电或直接引外市电，仅可作为支路。

2.4 室分站

室分站有别于布局站等类型，主要用于室内楼宇的5G信号覆盖，一般为有源室分。各个有源发射点分散布置在建筑物内，无机房。后备电源建设条件差，仅可作为支路。

2.5 5G基站网络架构分层

根据无线网网络结构化站点整体情况确定布局站，由布局站联系和汇集周边非结构站。

3 建立立体联动供电模式

基站的设计应打破以往单基站电源设备无差别和统一配置的常规设计理念，将交、直流供电系统与基站网络架构相结合，实现对网络系统横向、纵向的渗透和深入，建立立体联动供配电模式。重新定义各类基站电源配置原则，以布局站、补丁站以及吸热站为研究单元，测算不同5G设备不同环境下能耗，制定主从站筛选规则及方法。供配电模式按单元划分，每个单元根据基站类型分为中心站和个体站。不同单元的不同站型可采用相应的供电配置。

3.1 建设供配电中心

将环境相对较好，空间及承重可满足条件，且外市电供电有保证的机房，建设为集中放置多套大容量开关电源系统、多组大容量蓄电池组（铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、梯次电池）、直流远供系统的供配电中心机房。该供配电中心配电系统容量在保证本机房设备供电的基础上，可为周边各类补盲站、吸热站以及室分站提供安全的供电。该中心适应5G基站多元化供电，可多站共用一套电源系统，减少供电协调，缩短建设周期，降低了网络能耗，提升了设备效率。

3.2 外市电引入的再研究

削峰填谷是充分利用供电部门分时电价政策，把用电负荷从用电高峰阶段调整到用电低谷时期，同时在低谷时期将电能转换成化学能进行储存，而在用电高峰时段将化学能转换成电能对通信设备供电，以达到降低电价和电费的目的。采用削峰填谷的局址供电方式应为直供电，且需要充分考虑梯次电池应用情况和当地峰、谷电价差，确定效益临界点。

3.3 磷酸铁锂电池和梯次电池的利用

近年来，磷酸铁锂电池在各个领域应用广泛。目前，它的循环寿命长、耐高温以及高倍率放电的优势逐渐明显，性能远远优于铅酸电池。特别是小型基站、小容量站、分散基站以及利用太阳能、风能等的新能源基站，利用磷酸铁锂电池或梯次电池可达到降低通信基站配套设备成本的目的，体现了生态设计、绿色经济、低碳经济以及循环经济等理念。

3.4 高压直流的利用

高压直流系统是通过整流将交流380 V转换为240 V的高压直流。高压直流系统含整流屏、直流配电单元以及阀控式蓄电池组。直流配电单元将电输出至各直流通信设备。每个直流供电系统可接两组或多组蓄电池组。系统采用微处理机控制，可自动实现电池的均、浮充转换，具有远端遥信、遥测以及遥控等功能。

3.5 供配电个体

3.5.1 再生能源的利用

随着不断的实践与进步，光伏行业的生产技术与产品性能不断提升，生产成本不断下降，使得光伏系统的综合效率可以达80%。光伏发电能为负载提供了稳定可靠的电能，因此外市电引入困难、引入费用高以及市电不稳定等达不到三类供电级别的基站可根据负载要求，设计满足负载N×24 h工作用电的太阳能供电。

3.5.2 高压、大功率直流远供的利用

传统400 V直流远供产品受输电电压和设备容量的限制，已无法完全满足现阶段5G基站的建设需求。高压、大功率直流远供是将基站内开关电源的-48 V直流电通过远供设备升压到500～700 V，并再通过电缆送至远端基站的降压设备端。

考虑投资成本、传输距离以及线缆损耗等因素，高压、大功率直流远供在供电功率、线缆线径一样的情况下，传输距离更远。在供电功率、线缆线径、传输距离一致的情况下，线路损耗更小。当负载功率为3 600 W时，如采用铝芯2×16 mm2电缆，局端输出电压设置为700 V，远端输入电压设置为400 V，最远传输距离则可达6.38 km，即每传输1 km线路损耗为166.51 W。

因此，不具备市电引入条件、市电不稳定或采用转供电方式的拉远基站、高铁基站、楼面基站以及小区微站，可采用高压、大功率直流远供技术，将供配电中心的直流电源通过电力电缆送至远端基站。

3.5.3 微电网集中供电

基于高压、大功率直流远供设备的特点，园区、景区以及大型场馆等区域性建设场景一定距离范围内可能分布多个5G拉远基站，从而存在引入分散和单独市电协调难度大、周期长、费用高、后期电费缴纳和维护工作量大等问题。集中市电引入时，市电路由由于线径过大铺设困难，可能存在安全隐患等问题。因此，可采用直流高压微网集中供电方案，选取市电容量满足要求、开关电源和电池具备扩容条件且具备空余空间的机房站作为远端供配电中心，采用高压直流远供系统集中为区域内拉远基站供电。

3.5.4 5G壁挂电源

5G壁挂电源具备组合开关电源的功能，最大容量200 A，满配4块50 A高效模块，且模块扩容方便，可在线维修，同时具有电池管理功能，可以外接电池进行备电。该电源具有容量大、效率高以及可靠性高等特点，可选择挂墙、杆体以及落地等3种室外安装方式[2]。

4 供配电立体联动系统

供配电立体联动系统作为供电中心，其站内可配置多套开关电源系统，可通过电缆将-48 V直流电送到周边补丁站或吸热站。为减少电缆的使用，可采用高压直流的供电方式，即站内开关电源采用高压直流，其供电电压为240 V，通过电缆压降将电压降至设备所需电压值。

一般情况下，与中心站距离较近的补丁站可不再设立直流系统，其直流电只需由中心站供给即可。当补丁站与中心站距离较远时，补丁站内只需配置-48 V组合开关电源。当市电正常时，由市电供电。当市电不正常时，由中心站供电。因此，此站无需配置蓄电池组，减少了对机房面积和承重的要求。吸热站内的设备功耗相对较小，其供电方式可就近由中心站或补丁站采用高压、大功率直流远供、升压模块或壁挂电源的方式供给。面向5G供配电立体联动供电结构如图1所示。