杨磊　王浩年　王瞳瞳

【摘要】    通过对5G基站电源配套需求和设计关键点进行分析，对设备选型和线缆截面所涉及的知识点进行阐述，有助于5G电源配套设计方案选择。另介绍了5G基站电源配套的多种创新产品和方案，从而提升设计成果时效性。

【关键词】    5G 电源配套    功耗    新产品

引言：

当前我国5G基站新型基础设施建设正在加速推进，伴随着大量5G基站设备投入使用，其高耗能问题日益突出，众所周知，5G基站相较4G基站在设备功耗方面有大幅增加，而且不同的5G基站建设场景，对电源配套的需求具有很大差异。所以在动力电源、机房配套的建设上，通信基础设施供应商面临巨大的挑战。能够提出更节约、更高效、更合理的电源配套设计方案，成为5G网络建设首要课题。

一、5G基站电源配套需求分析

（一）5G基站设备形态

目前5G基站建设初期的设备形态与4G基站采用“RRU+天线一体化”的设备形态相类似，采用典型的BBU与AAU按照射频拉远设计，即BBU（CU/DU）与AAU在物理上实现分离。在架构上，5G BBU集成了CU和DU的功能，即可理解为“CU/DU合设+AAU”的两层架构部署方案。在5G建设的中后期，根据5G不同应用场景的业务需求情况，逐步向CU云化、DU集中、AAU分散的三层分离架构演进。从基站接入方式来区分，主要分为D-RAN和C-RAN，即分布式无线接入和集中化无线接入方式两种。

1.对于D-RAN架构，5G BBU与AAU同站址建设，基站电源的配置需要满足BBU和AAU两者用电需求。以华为5G基站设备典型配置参数计算，则该基站单系统最大功耗将超过4kW（包括： BBU设备功耗1.15kW、3个AAU设备功耗2.91kW）。

2.对于C-RAN架构，基站设备BBU与AAU不是同址建设。其中，BBU可以集中部署，一般选择在核心局房、汇聚机房等传输资源和电源资源比较丰富的机房。而AAU则为光纤拉远天面站，采用共址站电源或新建供电方案。

（二）现网5G基站设备供电需求

5G设备厂家主要有华为、中兴、爱立信等，各设备参数如下表1所示。

目前，5G设备单系统最大功耗在4kW左右，约为4G单系统功耗的3.2倍，对电源设备及配套设施需求增加较大。另外，各设备的对电源供电端子和电力电缆的需求如下表2所示。

二、5G基站设备电源配套设计关键点

（一） 用电负荷计算

对于新建电源系统站点，配电系统设计容量一般通过计算所有用电设备最大负荷的累加值来获得。

对于共站址新建5G系统站点，配电系统设计容量的核算应将现网设备功耗、新增5G设备功耗和蓄电池补充电负荷累加计算获得。

1.配电设备容量计算

在5G基站电源配套设计中，需要通过计算以下几项指标，进而选择相应电源设备容量。

交流外市电容量=现网设备功耗（实际值）+5G设备功耗（最大值）+空调能耗值+蓄电池补充电功耗值

直流开关电源系统容量=现网设备功耗（实际值）+5G设备功耗（典型值）+蓄电池补充电功耗值

蓄电池容量=现网设备功耗（实际值）+5G设备功耗（典型值）

2.负荷系数确定

用电负荷是设备选型基础指标，需要正确计算。在计算过程中，应该结合设备运行特性，而不是简单累加，需要考虑负荷系数，否则配置电源设备较大。对于5G建设，用电设备冗余量是体现设计精度的要点。

结合工程特点，负荷系数主要考虑需用系数和同时系数，其各自的定义如下。

（1）需用系数：是一个综合系数，它标志着用电设备组投入运行时，从供电网络实际取用的功率与用电设备组设备功率之比;主要考虑设备未必全部在满负荷情况下运行。

（2）同时系数：在多台设备运行时，各设备同时运行时的最大功率与各设备最大运行功率之和的比值。常用系数取定：0.7～0.8。

其中：需用系数一般是经过大量实测数据积累得到的，并且随着工艺进步、技术发展而变化。各厂商在5G设备节能优化方面也都力求通过新材料、新技术加以改进。如，采用热管和石墨烯的先进散热技术，使用低功耗芯片、高效电路设计，推出新一代AAU和BBU，比早期产品功耗降低不少。某厂商预言，未来的AAU可以从最初1300 W降到800 W水平。

对于局房类项目，用电设备比较多，配电系统也比较复杂的情况下，通常计算在末端考虑需用系数，同时系数在变压器和干线（可能逐级）考虑同时系数。

（二）电力电缆的选择

按照用途分类，电力电缆包括交流、直流、接地线、密集母线等。下面主要介绍通信基站所涉及的交流、直流和接地线的选择。

1.交流线缆截面积选择方法

交流线的选择依据包括：机械强度允许的导线最小截面、允许温升、经济电流密度、允许电压损失和导线允许截流量。一般（常用）使用“导线允许载流量”。

交流线缆应用场景影响因素：若敷设环境有要求，需要考虑“機械强度”;若线缆距离比较长，则需要考虑“电压损失”;若敷设方式不同，则需要考虑不同的土壤热阻系数、不同敷设方式下多根并联、不同环境温度等不同敷设条件下的修正系数。

交流线缆选择基本步骤：

先计算出负载电流，然后查询参考电缆载流量表来选择导线截面积。

（1）单相负载设备

式中： P—设备功率（W），Ip—单相相电流（A），cosφ—功率因数

（2）三相负载设备

式中： P—基站总功率（W），Ip—相电流（A），cosφ—功率因数86C2FDBD-112A-400C-9257-4AC0B06A0F5A

当选定电缆适用场景时，建议与规范附表的导线载流量进行校核。设计规范综合了多个线缆厂家的产品性能，具有一定权威性。

通信基站外电引入距离比较长，需要校核设备端的电压降。在计算电压降时，应参照功率、电流、电阻直线关系。但是用电设备多数是非线性，具有一定功率因数。所以在三相、单相交流线缆计算电压损失时，不仅有导线电阻的影响，还需要考虑导线感抗。

2.直流线缆截面积选择方法

在直流线缆截面选择时，对于-48V直流电源系统，导线载流量基本都能够满足需求，由于-48V电压比较低，压降损失是主要因素，所以，直流线缆选择导线截面是按照分配压降法。

3.接地线

对于保护接地线，不是直接计算，而是与用电设备功率相关联;对于直流系统保护线，是由所在配电系统的位置所决定。

三、5G基站电源新产品方案

（一）5G基站新型电源应用

现今通信电源设备已逐步向模块化、小型化的趋势发展。目前，由于5G设备功耗比较大，对存量站点的电源系统具有较大冲击，为此，通信基础设施服务商（铁塔公司）推行精细化设计，降本增效，促使电源设备厂商推出各类创新产品以满足5G建设需求。

1.智能电源

应用场景：基站电源容量有冗余能够满足新增5G设备需求，但需要对多运营商多系统进行差异化供电。传统电源系统只有一次下电功能，无法实现多家运营商独立计量、差异化下电。

叠加5G智能电源方案是指在现有开关电源基础上，不新增机柜，也不改动原有基站设备接线，直接利用开关电源（或其他综合柜）的空余空间，叠加一个5G智能电源模块（约4U）增容，从而实现5G设备平滑接入，达到简单快速交付效果。

以华为的5G智能模块（华为5G一体化嵌入式电源）举例，智能模块整体容量为450A，支持每家电信企业125A×3，63A×2直流输出，满足3家电信企业1BBU+3AAU部署要求，且具有智能削峰、智能升压、新旧电池混用等特性。适用于扩容安装空间紧缺、RRU拉远供电、市电容量不满足基站高峰用电等场景。

2.智能备电开关/控制器

应用场景：在现有开关电源基础上，外置一个智能备电开关/控制器，市电停电后，开关/控制器对5G进行第一时间下电，从而确保现有网络优先备电。

3.电池共用管理器

规范规定，新旧电池不能混用。而电池共用管理器（或电池合路器）可以控制多组电池的充、放电电流，保持每组电池都能平衡工作，充电时可以共同充电也可以分开充电，放电时则为多组电池共同放电。从而实现对每组电池充、放电过程的独立管理。通过对电池的充放电阶段的主动控制，解决不同品牌、不同批次、不同型号、不同容量电池的并联应用问题

应用场景：对于存量蓄电池冗余容量无法满足5G备电需求的站点，若采用新增独立开关电源和蓄电池的方案，虽然方案简单但造价很高。

电池共用管理器方案可应用范围广，在共享利用存量开关电源的同时，实现备电电池扩容。在新增蓄电池的情况下，无需新增开关电源，并可实现对新旧蓄电池的同步充电。

4.差异化备电设备

为了解决存量开关电源无法支撑差异化备电和5G用电单独计量需求，前期缺乏替代产品和方案，多数站址均通过新增蓄电池满足5G备电需求，存量蓄电池共享利用率低。

应用场景：（1）蓄电池冗余容量满足存量3小时+5G 1小时备电需求。（2）开关电源系统容量满足扩容需求，且不具备分级下电功能。

差异化备电产品方案（分级下电）：可按时长、电压、电量、时间等逻辑，针对不同设备进行分级下电，共享利用存量蓄电池。安装灵活，支持19寸机柜及导轨等多种安装方式。

5.新锂电池（对应梯次电池）应用

蓄电池主要功能是储存电能，为基站提供后备电源;按功能分为备电和储能;按技术分为铅酸、铅碳、铁锂等，目前，通信基站主用铅酸电池、梯次电池、新锂电。

（1）新锂电池特点

新锂电相比铅酸电池，具有体积小、重量轻、耐高温、循环寿命长、绿色环保等特点，同时具备气溶胶等消防设备，契合当前5G系统对备电电池的诉求。

锂电池容量规格：标称电压为51.2V，支持1C充放电，额定容量主要包括20Ah、50Ah、100Ah、150Ah、200Ah;按照每套5G系统额定功耗3500W，额定电压48V，备电需求1小时测算，锂电池配置容量为100Ah。

（2）新锂电池应用场景

新锂电的高循环、大电流性能，可支持其在基站常规备电、市电差备电、离网光伏储能、削峰填谷储能、微站电源等多场景和工况下应用。

（二） 5G基站电源产品创新方案

针对5G建设需求，电信基础设施供应商不断推出创新电源产品方案，降低扩容改造和新建基站配套成本。

1.微站电源

（1）产品类型：5G-单AAU供电型;5G-3个AAU供电型。

（2）产品特点：免维护设备，支持挂墙、挂杆等安装方式，自然冷源降温，效率高。实现基站无“机房”化，省去机柜、空调等配套设备投资。

（3）应用场景：1）AAU拉远站：可根据远端AAU数量灵活选择产品、就近安装。2）灯杆站：挂杆安装，免去机柜，实现环境友好型建设。

2.智能锂电

（1）产品方案：电芯+BMS+DC/DC，协议开放，异厂商互联。

（2）产品特点：集成度高，兼容了合路器功能，不同电池之间直接并联，扩容简单;削峰填谷，实现对电池的智能化评估，利用锂电高循环特性，削峰填谷，节约电费。

（3）应用场景 ：1）多用户共享基站：可免装合路器，实现模块化扩容;2）削峰场景：有峰谷电价或市电少量不足的基站。

3.高压直流（750V）

（1）产品方案：本地高压直流集中供电+AAU侧远供电方案，推出大容量高压直流设备规范。

（2）产品特点：1）改造成本低：远端基站市电、电源免改造，部分基站可利用原有低压供电线路;2）备电成本低：集中备电，集中发电，减少总备电电池数量和发电基站数量。

（3）应用场景：1）现有基站改造：现有灯杆站、拉远站等220V供电基站，解决压降问题;2）C-RAN场景：为周边基站AAU提供集中供电。

四、结束语

5G基站建设正在如火如荼地进行，而5G基站对于电源配套的需求大幅增加，为基础设施供应商带来巨大的挑战。本课题通过对5G基站电源配套设计的关键点和设计要点作为切入，对设备选型和线缆截面所涉及的知识点进行深度分析，并介绍了5G基站电源配套的多种创新方案和产品，有利于设计人员拓展思路，以保证设计成果与时俱进。

参  考  文  獻

[1] 5G电源配套及创新产品应用技术要点（2020年09月）.

[2]国标GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》.

[3]中国联通微型DC新技术试验总结.

[4]国标GB 51215-2017《通信高压直流电源设备工程设计规范》.

[5]王利果，朱雪丽，李巧玲.探讨5G移动基站电源精细化设计思路[J].电信快报 ， 2020. （10）期86C2FDBD-112A-400C-9257-4AC0B06A0F5A